Viimane Naine, Kes Võitis Füüsika Nobeli

Naisvõitjast on möödas üle 50 aasta. Vaatame tagasi 1963. aastal võitnud Maria Goeppert Mayeri elule ja pärandile.

Füüsik Wolfgang Pauli kutsus teda “Sibula madonnaks” pärast seda, kui ta avastas, et aatomi tuum on sibulakihilise struktuuriga. Maria Goeppert Mayer, viimane naine, kes võitis Nobeli füüsikapreemia, väitis seda au 1963. aastal.

Sellest ajast alates on paljusid teisi naisi ka vääriliselt peetud: eelmisel aastal surnud Vera Rubinit peeti tugevaks kandidaadiks tumeaine olemasolu avastamiseks. Jocelyn Bell Burnell mängis pulsarite avastamisel olulist rolli, kuid jäi tema (mees) lõpetanud nõustaja poolt napsatud asjakohasest 1974. aasta Nobeli preemiast välja. 2014. aastal avaldas Slate pikema naisvõistlejate nimekirja. Kuid tänaseks on Mayer ja Marie Curie ainsad naised, kes selle konkreetse maineka auhinna nimel on nimetatud. See võib muuta 3. oktoobrit, kui Nobeli komitee kuulutab välja selle aasta võitja - aga kes teab?

Kuna Nobeli teadaanded taas lähenevad, otsustasin uurida sügavamalt Mayeri elu ja loomingut, kes pole kaugeltki perekonnanimi. Sõitsin San Diegos California ülikooli päikeselisse ülikoolilinnakusse, kus Mayer oli 12 aastat enne tema surma 1972. aastal professor. Ülikooli futuristliku välimusega Geiseli raamatukogus vaatasin läbi mõned sajad dokumendid. Mayeri elust erikogude osakonnas: käsitsi kirjutatud kirjad, trükitud kirjavahetus, vihikute lehed, postkaardid, kutsed, sertifikaadid, fotod, ajaleheväljalõiked - isegi Western Unioni telegramm, mis teavitas Mayerit tema Nobeli võidust. Need näitavad nii saavutuste kui ka pettumuste elu, mis on lõpuks täidetud teaduslikult meelestatud sõprade ja suurepäraste avastustega.

Pereettevõte

Mayer sündis Poolas Saksamaal Kattowitzis, praeguses Katowices. Ainus laps, ta tuli pikast akadeemikute reast ja temast sai oma pere seitsmenda põlvkonna ülikooli professor. Ta omandas 1930. aastal doktorikraadi Göttingeni ülikoolis Max Borni juhendamisel, kes võitis ka ise füüsika-Nobeli. Paljud käsitsi kirjutatud kirjad Mayerile arhiivikastides on pärit Bornilt, mis ulatuvad aastakümneteni.

Pärast lõpetamist kolis Mayer koos abikaasa keemik Joseph Mayeriga USA-sse. Kui tema abikaasa töötas Johns Hopkinsi ülikoolis ja hiljem Columbia ülikoolis, jätkas Mayer mõlemas asutuses füüsikauuringuid, kuid ei saanud kummaski täispalka. Auhinna väljaandmise ajal kirjutatud lühikese elulooraamatu kohaselt "ei mõtle ükski ülikool tööle professori naist". Veel üks aja märk: arhiivil on 1941. aasta trükitud kiri, milles teatati Mayerile, et ta valiti Ameerika Füüsika Seltsi adresseeritud "Lugupeetud härra" liikmeks. Teise maailmasõja ajal töötas ta Manhattani projekti jaoks uraani isotoopide eraldamisega.

Pärast seda, kui paar kolis 1940. aastate keskel Chicagosse, oli Mayer Chicago ülikoolis vabatahtlik ja Argonne'i riiklikus laboris osalise koormusega vanemteaduri ametikoht. Nendel Chicago aastatel uuris Mayer teemasid, millega ta saaks teadusliku kuulsuse. Seda teades sirvisin põnevusega märkmete ja võrrandite lehti, mis olid kritseldatud väikesesse 1947. aasta märkmikku, mille esiküljel oli nime „M.” ees hiiglaslik täht Q. G. Mayer”-Q loomulikult kvantmehaanika jaoks.

Kiire valss

Mayer’s alustas oma teedrajavat tööd, märgates korrelatsiooni selle vahel, kui rikkalikult on erinevad keemilised elemendid looduses, ning neutronite ja prootonite konkreetse arvuga nende tuumades. Elementide muid omadusi uurides sai talle selgeks, et stabiilsete aatomistruktuuridega seotud tuumaosakesi on "maagilised numbrid" (väidetavalt on välja mõelnud füüsik Eugene Wigner). Elemendid, mille prootonite või neutronite arv oli „maagiline“, olid stabiilsemad ja seetõttu looduses enam levinud.

Teadlased teadsid juba tol ajal, kui elektronid orbiidil tuuma ümber kerakestes tekitasid, kuid Mayer tegi kindlaks, et tuumal on kihid, suletud prootonite ja neutronite kestad, mis tiirlevad ühise massikeskme ümber. Arusaam, et tuumal oli mingi keststruktuur, oli levinud juba 1930. aastatel, kuid Mayer suutis seda toetada ja täpsustada paljude uute katseandmetega, ütleb Massachusettsi tehnoloogiainstituudi teadusajaloolane David Kaiser. Kestmudel lendas ka ideede ees, et tuum on nagu prootonite ja neutronite supp või plekk.

Mayer mõistis, et aatomil, millel on täielikult prootonkestad, on prootoneid "maagiline arv"; ühel, millel on täis neutronkestad, on neutronite “maagiline arv” ja kui mõlemad tüüpi kestad on täis - näiteks hapniku 16 ja kaltsiumi 40 puhul -, siis on tuum “kahekordne maagia”.

Aga kust võlu numbrid tulid? Füüsik Enrico Fermi ettepanekul uuris Mayer ideed "spin-orbiidi sidestamine". See tähendas, et nende kestades asuvad neutronite ja prootonite orbiidid on ühendatud nende osakeste keerutustega. Spin-orbiidi sidestuse mõiste oli füüsikas juba teada, kuid seda polnud tuumades varem olnud "maagiliste numbrite" probleemi puhul rakendatud.

Mayer kirjeldas seda oma tütrele ajakirja The San Diego Union – Tribune andmetel: „Kõik ballisaali põrandal olevad paarid lähevad ühte teed ja see on teie orbiit. Siis tiirutab iga paar ka tantsusammul ja see on teie keerutus. Kõik, kes on kunagi kiiret valssi tantsinud, teavad, et see on palju lihtsam, kui kõik paarid tantsivad ühes suunas. Tuumas on sama: iga osake pöörleb samas suunas, kus kõik liiguvad orbiidil. Ja see on spin-orbiidi sidestamine.”.

Kuidas see seletas maagilisi numbreid? Kvantmehaanikas on neutronil või prootonil kaks võimalust: üles või alla. Spinni ja orbiidi liikumise kombinatsiooni tuumas nimetatakse kogu nurkkiiruseks. Mayer leidis, et kui orbiidi- ja pöörlemisliikumised lähevad kokku maksimaalse summaarse nurkkiiruse saamiseks, nihkub osakese energia alla. Ja vastupidi, kui orbiidi- ja pöörlemisliikumised vastanduvad, nihkub osakese energia üles. “Maagilised numbrid” vastavad kõige suurematele energiavabadustele kõigi selliste nihkunud energiatasemete vahel, piiritledes kohta, kus kestad lõpevad ja algavad.

Teine füüsik Mayer, keda isiklikult ei tundnud, Hans Jensen jõudis kolleegidega sõltumatult sarnastele järeldustele aatomituuma struktuuri kohta. Mayeri õpilase Robert Sachsi (pdf) aruande kohaselt said need kaks lähedasteks sõpradeks ja avaldasid ühiselt 1955. aastal ilmunud raamatu Elementary Theory of Nuclear Shell Structure. Kaheksa aastat hiljem jagasid nad koos Wigneriga füüsika Nobeli preemiat. Ühes Mayeri arhiveeritud kirjas pöördub ta Jenseni poole kui "Minu Nobeli kestavend".

Tema põhiideede kallal töötamine oli põnevam kui auhinna saamine, ütles Mayer 1964. aastal 400 keskkooli tüdrukute rühmale. „Ja ühel pärastlõunal leidsin vihje ja pärast päevast tööd leidsin, et kõik andmed, kõike, mida ma lootsin seletada, ennustas tõepoolest minu välja töötatud teooria,”kirjutas naine kõnes, trükituna ühes arhiivikaustas voldikuna. Ta lisas: "Sellistel hetkedel ei mõtle Nobeli preemia."

Auhind juhtis talle siiski palju tähelepanu. Mayer ütles väljaandele Union – Tribune, et sai pärast Nobeli teadaannet umbes 700 kirja. Tema U. C. San Diego arhiivis on montaaž tänukirjad selliste kingituste jaoks nagu krüsanteemikimp ja punased roosid. Harvardi ülikooli keemik Frank Westheimer ja tema naine Jeanne pidid kindlasti kihisema saatma, sest ta kirjutas neile: "Šampanja on tõesti ainus asi, mis võimaldab ajakirjanduse pealetungist üle elada."

Mayer sai lõpuks U. C.-lt korralise professori tiitli. San Diegos ja hakkas seal õpetama 1960. aastal, vaid kolm aastat enne oma suurt auhinda. Aruanne California ülikooli regentidele, brošüür, mille tagaküljel on 1968. aasta pitser, kirjeldab teda kui "otsest ja tagasihoidlikku viisi", märgib tema kirge orhideede kasvatamise vastu ja mainib, et ta oli koos abikaasaga just teise reisi teinud ümber maailma.

Eraviisiliselt tulid väljakutsed. Mayerit oli pärast Californiasse kolimist saanud insult, kirjutas Sachs, ja pärast seda oli tal pidevalt terviseprobleeme. Kuid ta õpetas endiselt ülikoolis, töötas tuumakarbimudeli kallal ja "pööras füüsikale nii palju tähelepanu kui võimalik" kogu oma elu. U. C. Hiljem nimetati tema eest ka San Diego Mayeri saal.

Kestmudel elab edasi

1964. aastal ütles Mayer keskkoolitüdrukutele, et ainsad naised, kellest ta teadis ja kes abiellus pärast abiellumist teaduses, olid teadlastega abielus, kuid ka naised on loodusteadustes üldiselt "väga head" ja kutsus neid üles õppima nii palju loodust kui nad võiks. "Saage täielikult haritud naisteks ja edendage teaduse mõistmist igal võimalusel," ütles ta. „Meie riik vajab teie abi. Minu põlvkond on oma osa mänginud. Teie asi on jätkata. " Ameerika Füüsika Instituudi (pdf) andmetel on füüsika doktorikraadi omandanud naiste arv viimase 40 aasta jooksul olnud tõusujoonel ja on tänapäeval kõigi aegade kõrgeimal tasemel (pdf). Sellegipoolest moodustavad naised endiselt ainult 20 protsenti füüsika doktorikraadidest.

Teaduse areng on siiski jätkunud Mayeri maha jäetud pärandit täiendades. Kuigi tuumakarbi mudel on nüüdseks üle 50 aasta vana, uurivad füüsikud endiselt selle saladusi. "Meid motiveerib kestamudeli edu proovida mõista selle päritolu," ütleb Iowa osariigi ülikooli füüsika professor James Vary.

Kestmudel teavitab ka eksootiliste osakeste tipptasemel uurimistööd. Kaua otsitud tetraneutroni, neljast neutronist koosneva süsteemi olemasolu vihjas Prantsuse juhitud rühmitus 2000. aastate alguses ja seda kinnitas 2016. aastal Jaapanis RIKENi radioaktiivsete ioonkiirtehases tehtud katse. Lisaks kasutasid Iowa osariigi füüsikud simulatsioone, mis põhinevad meie praegusel arusaamisel kestamudelist, et kinnitada osakese täheldatud omadusi, ütleb Vary.

Teadlased, sealhulgas Vary, kasutasid hiljuti ka kooremudelit, et lahendada ammune mõistatus, miks süsiniku 14, erilise radioaktiivse süsiniku vormi, mida kasutatakse iidsete esemete ja luude dateerimisel, poolestusaeg on peaaegu 6 000 aastat. Kestmudel iseenesest ei ennusta, et see isotoob nii kaua vastu peaks. Kuid 2011. aastal näitasid teadlased, et kolme tuumaosakest, mis sarnanevad kolme inimesega, kes samaaegselt frisbeesid vahetavad, võib seletada selle pikaealisust. "See on väga uudishimulik asi, mida ma ei usu, et Maria Goeppert Mayeri ajastul oleks nad isegi ette kujutanud," ütleb Vary.

Kestmudel on lisaks oluline käimasoleva "neutrinoolse topelt-beeta lagunemise", kaua otsitud osakeste lagunemisprotsessi otsimisel, mis võiks aidata lahendada saladuse, kas neutriinod on nende endi antiosakesed. Mudelil võib olla ka vihjeid selle kohta, kuidas neutronid eksootilistel viisidel kokku suruvad surnud tähtede ülitihedate jäänuste sees, mida nimetatakse neutronitähtedeks.

Mayeri avastus osutab teadlastele kõige sügavamatele küsimustele selle kohta, millest me koos oleme ja kust tulime. Tähistagem teda mitte ainult selle eest, et ta oli Nobeli preemia võitnud teadlasena haruldus, vaid ka teerajajana mõtlejana, kelle ideed on endiselt meie kosmilise päritoluotsingu keskmes.