Нобелови лауреати – 1963 година

Мария Гьоперт-Майер (Maria Goeppert Mayer)

28 юни 1906 г. – 20 февруари 1972 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Юджийн Уигнър и Ханс Йенсен)

(За откритията ѝ, засягащи структурата на ядрената обвивка.)

Германско-американският физик Мария Гьоперт-Майер е родена в Катовице (днес в Полша). Тя е единственото дете в семейството на професора по медицина Фридрих Гьоперт и Мария Волф, учителка. След преместването си в Щатите тя англизира изписването на моминската си фамилия (от Göppert на Goeppert – бел. П. Н.). Когато Мария става на четири години, семейството ѝ се мести в Гьотинген, където бащата става професор в катедрата по детски болести към местния университет. Близки приятели на семейството са Макс Борн и Джеймс Франк. Сред другите им познати са не малко физици от Гьотингенския университет, занимаващи се със създаването на новата физика, обвързваща своите постановки с квантовата механика. Бащата поощрява рано появилата се любов на дъщеря му към науката, взема я със себе си сред природата, показва ѝ слънчеви и лунни затъмнения, събира заедно с нея колекция от изкопаеми.

Мария се учи превъзходно в градското училище, но знанията, които получава там, не са достатъчни за постъпването ѝ в университета, където иска да учи математика. Затова през 1921 г. постъпва във „Фрауендштудиум“ – частно подготвително училище за момичета, ръководено от суфражистки. Но училището е закрито поради липса на средства, преди Гьоперт-Майер да завърши пълния тригодишен курс, поради което тя се занимава самостоятелно, успява да издържи приемните изпити и през 1924 г. е приета в университета.

По това време Гьотингенския университет е водещ център за изследване в новата област на физиката – квантовата механика. Когато Макс Борн кани Гьоперт-Майер да участва в работата на ръководения от него физически семинар, интересите ѝ се пренасочват от математиката към физиката и тя се съсредоточава върху квантовата механика, която се занимава с поведението на атомите, ядрата и субатомните частици. Скоро след началото на заниманията си по физика Гьоперт-Майер учи един семестър в Кеймбриджкия университет, където се среща със знаменития английски физик Ърнест Ръдърфорд. Докторска степен получава през 1930 г. в Гьотинген, защитавайки дисертация на тема „За елементарните процеси с два квантови скока“ („On Elemental Processes Whith Two Quantun Jumps“). Комисията, която я изпитва, се състои от Макс Борн, Джеймс Франк и Адолф Виндаус.

След смъртта на баща ѝ през 1927 г. майката на Гьоперт-Майер открива пансион, което се практикува често в Гьотинген. Един от живеещите в пансиона е Джоузеф Е. Майер, американски химик от Калифорнийския технологичен институт. Мария и Джоузеф се обикват и се женят през януари 1930 г., малко след като Мария получава докторска степен. Семейството има син и дъщеря. След женитбата Мария започва да се нарича Гьоперт-Майер, като запазва девическата си фамилия, според нейните думи, поради „чувство за гордост от седемте поколения университетски професори“ по бащина линия. Един месец след сватбата младата двойка заминава за Съединените щати, където на Джоузеф Майер предлагат мястото на асистент-професор по химия в университета „Джон Хопкинс“ в Балтимор (щат Мериленд).

Въпреки докторската си степен и прекрасните отзиви, господстващото по това време отношение към жените от страна на членовете на факултета не позволява на Гьоперт-Майер да получи платено място на преподавател в университета „Джон Хопкинс“. Но тя успява да стане помощник на един от членовете на физическия факултет. Задълженията ѝ включват и това да чете кореспонденцията на немски език. Тази скромна длъжност осигурява на Гьоперт-Майер малка заплата, миниатюрен работен кабинет и възможност до някаква степен да участва в университетския живот.

За област на своята научна дейност Гьоперт-Майер решава да избере химическата физика, занимаваща се с изучаването на молекулите и техните взаимодействия, но използва и другите възможности, които ѝ предоставят физическият и математическият факултет. С физика Карл Ф. Херцфелд, дружеските отношения с когото запазва за цял живот, Гьоперт-Майер изследва разпределянето на енергията край повърхността на твърдите тела и поведението на водорода, разтворен в метален паладий. След като Херцфелд напуска университета „Джон Хопкинс“, Гьоперт-Майер с един от неговите бивши студенти Алфред Скляр се заема да изследва квантовомеханичните електронни равнища на бензола и структурата на няколко органични багрила. В тази работа тя демонстрира великолепна математическа подготовка, използвайки методите на теорията за групите и на теорията за матриците. Лятото на 1931, 1932 и 1933 година Гьоперт-Майер, отчасти поради тъга по родината, прекарва в Гьотинген, където работи с Борн.

През 1933 г., когато в Германия идват на власт нацистите, Гьоперт-Майер получава американско гражданство. Антисемитизмът и расистките закони се отразяват пагубно върху немската наука: много известни учени с еврейски произход, сред които Борн и Франк, напускат Германия. Домът на семейство Майер в Балтимор бил отворен за бежанци от Германия, много от които били евреи.

В университета „Джон Хопкинс“ съпрузите Майер работят и заедно, основно върху теорията за кондензацията. През 1938 г. те пишат монографията „Статистическа механика“ („Statistical Mechanics“) за поведението на многото на брой взаимодействащи си частици, например в газовете и течностите. По време на излизането на книгата през 1940 г. Джоузеф Майер е асистент-професор по химия в в Колумбийския университет в Ню Йорк. Колумбийският университет предлага на Гьоперт-Майер още по-ниско положение от това, което заема в университета „Джон Хопкинс“. Макар че деканът на физическия факултет ѝ предоставя отделен кабинет, тя няма официална длъжност и не получава заплата. Но в Колумбийския университет има възможност да работи с Енрико Ферми и с Харолд К. Юри над проблемите на химическия и атомния строеж, а Юри предоставя на Гьоперт-Майер правото да чете лекции по химия. Семействата Юри и Майер стават много близки.

През 1941 г. Гьоперт-Майер става преподавател в колежа „Сара Лоурънс“, наистина - с непълна заетост. Това е първата ѝ платена преподавателска длъжност. През следващата година Юри я въвежда в Манхатънския проект (в рамките на който се работи за създаването на атомна бомба). Гьоперт-Майер ръководи група, занимаваща се с изследване на възможностите за изолиране на делящия се изотоп на урана от природен уран с помощта на фотохимични реакции. През 1945 г. тя прекарва няколко месеца в лосаламоската лаборатория на Манхатънския проект, където работи с унгарско-американския физик Едуард Телер.

След края на войната Джоузеф Майер става професор по химия в Чикагския университет. Макар че е назначена през 1946 г. за асистент-професор по физика в същия университет, Гьоперт-Майер не получава заплата, защото това е забранено от университетските правила, борещи се с непотизма. През 1946 г. тя става старши физик по съвместителство в Аргонската национална лаборатория до Чекаго, където се изгражда ядрен реактор. В Аргон Гьоперт-Майер си сътрудничи с Ферми, Юри, Франк и Телер и работи върху изчисляването на критичността на реактора. Изчисленията са направени на първия електронен компютър ЕНИАК, чийто монтаж е завършен малко преди това на артилерийския полигон на Армията на съединените щати в Абърдийн (щат Мериленд).

Именно тогава, работейки с Телер над теорията за произхода на химичните елементи, Гьоперт-Майер се сблъсква с „магическия“ броя, за който споменава най-напред в своя публикация през 1933 г. немският физик Валтер Елзесер. Атомните ядра се състоят от протони (положително заредени частици, повече от 1800 пъти по-тежки от отрицателно заредените електрони) и неутрони (електрически неутрални частици с маса, която почти съвпада с масата на протоните). Гьоперт-Майер открива, че по необяснима причина разпространението на някои ядра превъзхожда съществено разпространението на други и следователно тези ядра трябва да притежават необикновено висока стабилност. Разпространението и стабилността имат тенденция да се сближават, защото нестабилното ядро с голяма вероятност се превръща в друго, претърпяло радиоактивно разпадане. Ако продуктът от разпадането също е нестабилен, с времето и той се разпада и така, докато не се образува стабилен продукт. Стабилните ядра остават и се натрупват. В особено натрупаните ядра броят на протоните или броят на неутроните е равен на едно от магическите числа 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 и рядко на някои други.

Гьоперт-Майер знае, че аналогично положение съществува и за атомните електрони, движещи се около ядрото. Стабилността на атомите има химически характер, защото химическите реакции се определят от това дали се осъществява загуба, придобиване или обобществяване на електрони (ядрата на атомите остават неизменни). Както показва периодичната таблица на химичните елементи, с увеличаването на атомния номер химическите свойства на елементите се повтарят, образувайки цикли, или периоди. Атомният номер се определя от броя на протоните (положително заредените частици) в ядрото, които са равни на броя на електроните (отрицателно заредените частици), обикалящи около ядрото на невъзбудения атом, в резултат от което той е като цяло електронеутрален.

Периодичната стабилност, възникваща при определени атомни номера, получава обяснение въз основа на енергетичните равнища, свързани с ъгловите моменти на електроните, обикалящи около ядрото. Според квантовата теория енергетичните равнища са ограничени от някои дискретни значения. Ъгловите моменти възникват в резултат от въртенето на електроните около ядрата (орбитален ъглов момент) и въртенето на на електроните около оста си като пумпал (спин). (Квантовата механика отхвърля подобни прости и нагледни образи, но те са все пак полезни). Тъй като движещите се електрони са електрически ток, те създават магнитно поле. Както два магнита се отблъскват или се привличат, орбиталните ъглови моменти и спиновете на електроните си взаимодействат (спин-орбитална връзка). Според квантовата теория на всеки разрешен от равнището ъглов момент съответства някакъв брой дискретни енергетични състояния. Когато тези състояния са свързани със спина на електрона, възниква система от енергетични равнища, всяко от което зависи от четири квантови числа. Към това трябва да се добави ограничението, налагано от принципа за забраната на Волфганг Паули. Според този принцип в едно квантово състояние, задавано от четири квантови числа, може да се намира само един електрон. В резултат от това при увеличаване на атомния номер, когато броят на електроните се увеличава всеки път с един, поредният електрон заема следващото, още свободно равнище. Пълната енергия нараства стъпка по стъпка.

Стъпките, с които нараства енергията, не са равномерни: струпвания от малки стъпки са разделени от необикновено големи стъпки. Въз основа на ранните представи за електроните, движещи се около ядрото на различни разстояния, подобни струпвания на равнища получават названието обвивки. За химичен елемент, в чийто атом най-далечният от ядрото електрон заема последното равнище преди голям промеждутък, се казва, че е със затворена обвивка. Елементът със следващ (по-голям) атомен номер, който има един електрон повече от предходния елемент, започва следващата обвивка. Затворената обвивка съответства на стабилен елемент. Понеже отнемането или присъединяването на един електрон в случай на затворена обвивка изисква по-голямо от обичайното количество енергия, такъв елемент осъществява трудно химически реакции.

Схемата на обвивките е приложена към ядрото, когато се предполага, че протоните и неутроните се въртят около себе си, но има ограничен успех. Ядрото се различава много от атома. В атома основна роля играе централната сила на привличане между протоните в ядрото и електроните. Тона е добре известната сила на взаимодействие между електрическите заряди. Електроните се намират на относително големи разстояния един от друг и тяхното взаимно отблъскване е слабо, затова енергията на един електрон зависи малко от положението на другите. А ядрените сили между протоните и между протоните и неутроните действат на малки разстояния, затова може да се очаква, че енергията на една частица зависи силно от положението на другите вътрешноядрени частици. В ядрото няма един център на привличане. Тези разлики довеждат физиците теоретици през ранните етапи на изследванията до заключението, че спин-орбиталната връзка за протоните и неутроните в ядрото би трябвало да бъде почти пренебрежително слаба.

Гьоперт-Майер се занимава упорито с решаването на проблема да структурата на ядрото. В началото на своята работа тя открива две магически числа: 50 и 82. След това, анализирайки експерименталните данни, намира още пет магически числа, но не може да ги обясни. Решаващият момент настъпва през 1948 г., когато Ферми я пита: „Има ли някакви признаци за спин-орбитална връзка?“ Като разбира веднага, че спин-орбиталната връзка дава ключ към проблема, тя на същата вечер успява да обясни ядрените магически числа. Гьоперт-Майер доказва, че ядрото също се състои от обвивки. Според нея атомното ядро прилича по строежа си на луковица: състои се от слоеве, съдържащи протони и неутрони, които се въртят около себе си и по орбита, като танцуващи двойки на бал. Ядрата са стабилни, ако обвивките на протоните и неутроните са запълнени. Магическите числа на ядрата се различават от магическите числа на атомните електрони, но аналогия между едните и другите, като се имат предвид съответните поправки, съществува.

За своята работа върху теорията за ядрените обвивки Гьоперт-Майер съобщава в две статии, публикувани през 1948 и 1949 г. Тяхната поява съвпада с публикуването на почти същата теория от Ханс Йенсен от Хайделбергския университет, който работи с Ото Хаксер и Ханс Е. Зюс. Гьоперт-Майер и Йенсен се срещат през 1950 г. в Германия, стават приятели и работят заедно върху книгата „Елементарна теория за структурата на ядрените обвивки“ („ Elementary Theory of Nuclear Shell Structure“), която е публикувана през 1955 г.

През 1960 г. университетът в Сан Диего кани съпрузите Майер, като предлага на Мария поста професор по физика, а на Джоузеф – професор химия. Скоро след преместването в Калифорния Гьоперт-Майер получава удар, вероятно предизвикан от вирусна инфекция. Тя е частично парализирана, нарушава се речта ѝ. След удара здравето на Гьоперт-Майер започва бързо да се влошава, но тя продължава да се занимава с преподавателска дейност и да работи над по-нататъшното развитие на ядрената физика. Гьоперт-Майер продължава да си сътрудничи с Йенсен. Последният им съвместен труд е публикуван през 1966 г., шест години преди Гьоперт-Майер да почине в Сан Диего от сърдечен пристъп.

Гьоперт-Майер е избрана за член на Националната академия на науките на САЩ и на Американската академия на науките и изкуствата, а също така е член-кореспондент на Академията на науките в Хайделберг. Почетен доктор е на колежа „Смит“, на колежа „Ръсел Сейдж“ и на колежа в Маунт Холиоук.

Превод от руски: Павел Б. Николов