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从数学转到物理的玛丽亚·戈伯特·梅耶
──诺贝尔物理奖获得者

── 李学数 ──


数学开始像是测验智力的游戏,物理也是测验智力的游戏,可是它是大自然界创造出来,而不是人脑所制造出的。
──玛丽亚·梅耶

有很长时间我认为探索原子核是最疯狂的想法,……可是突然间我却发现了真理。
──玛丽亚·梅耶

让我意外的是得诺贝尔奖的喜悦比起工作时的兴奋感觉要差太多了,……看到自己的工作有了结果,这才是趣味所在!
──玛丽亚·梅耶

出身于学术世家

玛丽亚·戈伯特·梅耶(Maria Goeppert-Mayer) 是德裔美国物理学家,1963年获诺贝尔物理学奖。她是诞生在波兰的卡多维兹市(Kattowitz),这座城市后来被德国人占领。二战期间从事过制造原子弹所需同位素的研究工作,战后主要进行核物理学方面的研究。她一生中最大的成就是提出关于核结构相似的理论。于1955年和与她几乎同时提出这一理论的德国物理学家延森共同出版了《原子核壳结构基本理论》一书。1963年她与延森、维格纳同获诺贝尔物理学奖。玛丽亚·戈伯特·梅耶是继居里夫人之后第二位获得诺贝尔物理学奖的女物理学家。

她的父亲费德烈·戈伯特(Frederick Geoppert) 是一个小儿科医学教授,出生于德国卡托维兹的教授世家,前六代都是德国大学教授。他的太太玛丽亚·吴尔芙(Far Maria Nee Wolf) 在结婚前也是教授法文和音乐的教员,结婚后成为家庭主妇。

玛丽亚出生于1906年,是家中唯一的孩子,后来他们搬迁到德国的哥庭根(Gōttingen),这是一个中世纪的小城,四周有古旧的石墙与森林环绕,风景怡人的城市。爸爸在城里开了一个小儿科诊所,他们家的邻居就是鼎鼎大名的数字家希尔伯特(David Hilbert 1862-1943)。

爸爸不像传统的普鲁士父亲严厉对待子女,他觉得玛丽亚是一个聪明的小孩,应该帮助她对大自然的爱好及满足孩子的好奇心。父亲从小就教育她,长大后不能只是成为一名家庭主妇。

父亲在小玛丽亚七岁时为她制了一个可以观察日蚀的眼镜,时常带她到野外去辩识花昆虫,采集化石。在她十多岁时,两人还经常骑自行车到乡下玩一个星期。在爸爸的耳濡目染下,她对科学有着浓厚的兴趣,父亲的教诲,在小玛丽亚的心里撒下了成为科学家的种子。

她在读完公立小学之后,父母希望她能以后进入大学,送她到一家小型私立学校。这是专门帮一些有钱人家的儿女教导,使她们能考入大学的学校。可惜的是她念了两年,还差一年可以毕业,学校因通货膨胀,经费严重不足而被迫关门。老师希望她能进入一所男子学校读书,把她还差一年的功课读完,可是玛丽亚不想呆在全部是男生的学校里,决定提早参加大学入学考试。她和全校的几名女生及三十名男生到汉诺威市(Hannover) 市参加为期一个星期的笔试和口试。考的范围有历史,化学,数学,法文,英文和德文,所有的女生是通过,而玛丽亚是年纪最小的。

在1924年她兴高采烈地进入没有围墙环绕的全世界最美的大学之一哥庭根大学读书。乔治-奥古斯都-哥庭根大学(Georg-August-Universitāt Gōttingen) 因英王乔治二世创建而得名,始建于1734年。整个18世纪,哥庭根大学因其极为自由的科学探索精神和氛围而居于德国大学中心地位,写童话故事的格林兄弟(Grimm Jacob, 1785-1863; Grimm Wilhelm, 1786-1869),曾在哥庭根大学任教授。拿破仑曾于此研习法律,并言“哥庭根是属于全欧洲的”。德国大诗人海涅(Henrich Heine 1797-1865),他曾两次到哥庭根求学,第一次因违反校规被开除,只好转学去柏林,不过三年后哥庭根还是允许他回来,在此取得法学博士。

进入数学系

哥庭根大学的数学系是当时世界数学与物理中心,系主任是著名的数学家克莱因(Felix Christian Klein1849-1925),1893年克莱因出席芝加哥世界博览会认识到现在已经是工匠时代向科学时代转变的时候了。他看到德国大学从事的长期的科学实验与理论基础研究,都只是在解释世界,必须要打破纯科学与应用的界限。归国后,提出了“理论与实践相结合”的原则,克莱因地位几乎就和神一般,大家对他敬畏,该系的数学与科学师资是第一流的。

这里曾是著名的“数学王子”高斯终老的地方,高斯(Carl Friedrich Guass 1777-1855) 是德国物理学家,天文学家和大数学家,高斯就在18世纪任教于此并开创了哥庭根学派,高斯是哥庭根上空的一颗璀璨的明星,但他本人不喜欢教书,个性保守。他有一个英才早逝的学生黎曼(Georg Friedrich Reinhard Riemann 1826-1866) 也曾在这里当过时间不长的教授,黎曼19岁的时候去哥庭根读神学,平时也会听一些数学的课程。有一次在图书馆偶然读到柯西(Cauchy) 的分析的著作,读完之后深受感动,便决定放弃神学,从此开始读数学了。此后,黎曼、狄利克雷(Dirichlet) 和雅可比(Jacobi) 在代数、几何、数论和分析领域做出了贡献。高斯黎曼对当时的人激励很少,反而现在在系里的老教授希尔伯特,被玛丽亚称呼为“哥庭根之王”的人把哥庭根变成闻名世界的学府。

希尔伯特出生于普鲁士哥尼斯堡(Konigsberg) 的一个中等家庭,十八岁进入哥尼斯堡大学学数论,函数论和不变量理论,他的论文导师是证明圆周率是超越数的林德曼,他23岁获得博士学位,以后他在莱比锡,巴黎游学,31岁时成为哥尼斯堡大学的正教授。1895年在克莱因的推荐之下,他又到哥庭根大学当教授,一直到1930年退休为止。

他的一个学生在1944年于美国数学学会公报发表了一篇大卫希尔伯特及其数学工作的文章,介绍他的生平和数学工作,他写道:“希尔伯特是德国童话里穿杂色衣服的风笛手,用甜蜜的笛声引诱一大群老鼠跟着他走进数学的。

“虽然喜欢孤独甚至默默无闻同伟大的创造天才绝非不能共处,但是希尔伯特的天性充满了生活的热情,他谋求和其他人交往,尤其是和青年科学家交往,并且在交流思想中感到高兴。正如他从胡尔威兹(Hurewicz) 那儿学到东西,他也在环绕哥庭根的丛林中长期漫步或雨天在有顶花园中走来走去时,把科学教给自己的学生,至少是那些他个人深感兴趣的学生。

“他的乐观主义,他的精神上的热情,他对科学的崇高价值的不可动摇的信念以及他坚信对于简单明了的答案的理性的力量,这些都具有不可抗拒的感染力。

“他惊人的勤奋,并喜欢引用李登西格(Lichtemberg) 的名言‘天才就是勤奋’。即使这样,在他周围仍然充满着快乐及欢笑。他具有伟大的提示力量,有时甚至使平庸的智力提高到远远超过他们天赋的水平而取得惊人的(哪怕是个别的)成就。”

玛丽亚·戈伯特这时还看到一位著名的女数学家艾米·诺特(Emmy Noether 1882-1935),她的爸爸是著名的几何学家梅希·诺特(Max. Noether) 她被公认为‘抽象世代数之母’,虽然哥庭根大学是德国第一所准许授予妇女博士学位的大学,当希尔伯特想安排她当讲师时,都受到其他系的教授的极力反对。

“一个女人怎么能成为讲师呢?如果让她当了讲师,那以后她会成为教授,成为大学评议会的成员,难道能允许一个女人进入评议会吗?”

“当我们的士兵从战场上回到大学时,发现他们将在一个女人的脚下学习,他们会怎么想呢?”

这些言论激怒希尔伯特,他大声地说:“先生们,我不认为候选人的性别是不能让艾米·诺特当讲师的理由,大学评议会毕竟不是澡堂。”

可惜像希尔伯特这样开明的人士在评议会里不多,想使艾米·诺特成为讲师的提案被否决掉。

希尔伯特为了能使艾米·诺特教书,开课就以艾米·诺特是他的助手让她教书,她在哥庭根大学教书几十年培养出许多优秀的数学家:阿丁(E. Artin 1896-1962,抽象代数奠基人之一),哈塞(H. Hasse),赫尔曼(G. Hermann),克鲁尔(W. Krull),维特(E. Witt),洛依茨基(Leunitzki) 以及她唯一的中国学生曾恫之(曾是在1933年诺特指导下获得博士学位,可惜却在1943年死于抗战中的西康。) 然而诺特却由于得不到大学分文的薪水,过着十分拮据的生活,靠一点学生给的学费过活。

玛丽亚·戈伯特不想效法艾米·诺特成为一个大数学家。她的想法很实际,由于在经济大恐慌的年代,年轻的女孩要找事很不容易,而在当时哥庭根市里的女子中学里数学师资缺乏,因此她只想念了数学以后,可以拿到一张当数学教师的文凭。

转入物理系

1924年春天玛丽亚·戈伯特进入哥庭根大学数学系,可是不久她被物理吸引了。45位诺贝尔奖得主曾在哥庭根大学学习、任教或研究,其中大部分为物理和化学奖,其他为医学、和平及文学奖。

1900年德国柏林大学教授普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck 1858─1947年) 发现了量子,人类从此迈入了辉煌的量子时代。普朗克对黑体辐射的探索,在用经典物理理论无论如何都解释不了探索结果的情况下,他对经典物理理论进行了否定,提出了一个具有革命性的崭新假设:量子假说新概念。1906年12月14日,普朗克在柏林的物理学会上发表了题为《论正常光谱的能量分布定律的理论》的论文,提出了著名的普朗克公式,这一天被普遍地认为是量子物理学诞生的日子。普朗克研究关于物体热辐射的规律:即一定温度的物体发出的热辐射在不同频率上的能量分布,辐射是由一分分的能量组成的。就像物质是由一个个原子组成的一样。辐射中的一份能量即是一个量子。量子的能量大小取决于辐射的波长,波长越短,能量越大;波长越长,能量越小。换句话说,就是量子的能量与波长成反比,与频率成正比。

普朗克对于这一问题的研究已有6个年头了,这一定律与最新的实验结果精确符合(后来人们称此定律为普朗克定律)。然后,普朗克指出,为了推导出这一定律,必须假设在光波的发射和吸收过程中,物体的能量变化是不连续的,或者说,物体通过分立的跳跃非连续地改变它们的能量,能量值只能取某个最小能量元的整数倍。为此,普朗克还引入了一个新的自然常数 h = 6.55×10-27ergs。这一假设后来被称为能量量子化假设,其中最小能量元被称为能量量子,而常数 h 被称为普朗克常数。1918年普朗克荣获了诺贝尔物理奖。

玛丽亚见证了量子力学的诞生,这时哥庭根聚集了一大群优秀的物理学家,名人辈出,蜚声世界。赫曼·外尔(H. Weyl) 提出规范场理论,并为广义相对论提供理论依据;冯·诺依曼(John von Neumann) 对刚刚降生的量子力学提供了严格的数学基础,发展了泛函分析。

玛丽亚年青美丽被称誉为“哥庭根的美人”。1924年玻恩要玛丽亚参与物理研讨班,她由数学系转入物理系。这时物理系聚集了一大群优秀的科学家:康普顿(Arthur Holly Compton),Max Delbrueck,狄拉克(Paul A. M. Dirac),费米(Enrico Fermi),海森堡(Werner Heisenberg),冯·诺依曼(John von Neumann),奥本海默(J. Robert Oppenheimer),泡利(Wolfgang Pauli),鲍林(Linus Pauling),齐拉特(Leo Szilard),爱德华·泰勒(Edward Teller) 威斯科夫(Victor Weisskopf)。

她认识1922年获比萨大学博士学位的费米,1923年前往德国,在玻恩的指导下从事研究工作。1924年在哥廷根大学学习一学期,随后到荷兰莱顿大学和保尔·厄任费斯脱共同工作。“费米统计”方面的工作是在哥庭根开始,在佛罗伦萨完成的。这是他打入罗马大学当教授的敲门砖。然后才回弗罗伦萨找到一份讲师的工作。

玛丽亚·戈伯特是三个诺贝尔物理奖波恩(Max Born),法朗克(James Franck 1925年诺贝尔物理奖) 及温道斯(Windaus) 的学生。

除了一学期她到英国剑桥在那里学习英文,大部分的时间她是在哥庭根在大师的指导下工作。在1930年她完成理论物理的博士论文,她的博士论文审查委员就是三个诺贝尔奖的物理巨头:波恩,法朗克及温道斯。

马克斯·玻恩(Max Born,1882年1月11日─1970年1月5日),德国犹太裔物理学家,量子力学的创始人之一。玻恩等人是量子力学黄金时代的明星。是数学家希尔伯特的私人助理。1907年获博士学位,玻恩做博士论文时,问希尔伯特怎样准备数学考试,希尔伯特问他哪方面学得最差?玻恩回答是代数学的理想论(Ideal Theorie),希尔伯特就没有再说什么,玻恩以为希尔伯特不会问这方面问题了,结果答辩时希尔伯特问的全是理想论的问题。后来希尔伯特给玻恩说他想知道你对不了解的东西懂多少。

玻恩1908年在哥廷根大学随物理学家闵可夫斯基研究相对论。玻恩1926年认为:粒子的运动遵循几率定律,而几率本身则按因果律传播。波函数只是一种存在于数学空间中的几率波,而不是如它的发现者──薛定谔所认为的那样,是存在于真实空间中的物质波。玻恩对薛定谔的波动力学情有独钟,并相信这一理论是量子规律更深刻的表达形式。然而,玻恩并未附和薛定谔的经典波解释,他的同事弗兰克关于原子和分子碰撞的实验使他确信粒子图象不能被简单地抛弃,相反,必须找到使粒子和波相调和的方法。玻恩的几率波解释第一次把几率概念引进基础物理学,“粒子的运动遵循几率定律,而几率本身按因果律传播”。这里,几率的出现并不是由观察者的无知或理论本身的无能所导致的,而必须看作是自然本身的一种本质特征。于是,量子力学一般只预言一个事件的几率,而对这个事件的发生不作任何决定论的断言。

玻尔的挚友艾伦菲斯特后来回忆说,“玻尔完全超越了每一个人,他起初根本没有被理解,……然后就一步一步地击败了每一个人。”1939年玻恩加入英国国籍,1954年由于在量子力学和波函数的统计解释及研究方面的贡献获得诺贝尔物理学奖。

量子理论发展史的另两个关键性人物是海森堡(Werner Heisenberg) 和泡利(Wolfgang Pauli)。海森堡原来在慕尼黑学习,是索末菲的得意门生,后来在哥廷根的玻恩那里取得博士学位,1924-1926年又和玻尔一起工作。海森堡1927年“粒子的位置测定得越精确,它的动量就知道得越不精确,反之亦然。”海森堡发现,量子力学对基于经典力学的那些物理概念,如位置和速度,施加了一种应用限制。人们不再能同时谈论电子的位置和速度,因为它们不能以任意精度被同时测定,并且这两个量的不确定度的乘积将大于普朗克常数除以粒子的质量。这一关系后来被称为海森堡不确定关系。根据海森堡的看法,利用量子力学中的波函数所表示的电子态不允许人们赋予电子以确定的性质,如位置、动量等等。人们所能做的仅仅是谈论几率,即在适当的实验条件下于某个位置找到电子的几率,或发现电子的速度为某一值的几率。海森堡与玻恩在1927年10月宣布:“我们认为量子力学是一个完备的理论,它的基本的物理和数学假设不再允许修正。”由于在量子力学方面做出的贡献,1932年海森堡获得诺贝尔物理学奖。

1930年她在做博士论文时,计算过两个光子同时发射或吸收的几率。计算结果时,这一几率如此之小,其效应当时实际上是观测不到的。不过后来用上强大的激光束,这一现象就得到了证实,并与理论基本相符。

随夫赴美国

玛丽亚的老师法朗克1925年获得诺贝尔奖,有一个从远道来与他做研究的年青人,他名叫约瑟·乔爱德华·梅耶(Joseph Edward Mayer),当时获得美国洛克费勒(Rocketfeller) 奖学金来德国深造,对这位“哥庭根的美人”展开追求。

玛丽亚1930年在哥庭根大学获博士学位。有情人终成眷属,同年与约瑟夫·梅耶结婚,随即于1931年与丈夫一起赴美,在约翰·霍普金斯大学(John Hopkins University) 工作。1932年玛丽亚年加入美国籍。

1873年,美国马里兰州巴尔的摩市银行家、教友派教徒约翰·霍普金斯去世时,留下了一笔当时价值700万美元的巨额遗产。遵照他的遗嘱,其遗产分别捐赠给以他名字命名的大学和医院。1875年,其财产托管人在马里兰州的巴尔的摩市中心的霍华德大街购买了第一块地皮,以此作为未来的大学校园。1876年2月22日,正式创立它以医科驰名于世,其排名仅次于哈佛大学。其他科目如、历史、美术、国际关系、政治科学、政治经济也相当出色。

这是美国经济萧条的时期,没有大学会聘请教授的太太工作,她找不到任何教书工作,但她仍想研究。

霍普金斯大学的卡尔·贺兹非教授对她的工作很有兴趣,在他的影响及丈夫的帮助之下,她逐渐从事化学物理的研究。她与贺兹非教授和丈夫合写一些论文,并且开始对一些有机分子的颜色作研究。

三十年代希特勒的纳党粹执政通过了疯狂的种族主义与排犹风潮对犹太人进行残酷迫害,德国许多优秀的科学家在大学失去教职而离开德国。1933年希特勒上台──此时开始,哥庭根的数学与物理学家在几个月内纷纷被解职并大部分先后离开,几乎所有希尔伯特学派的成员都永久移居到了美国。德国哥庭根学派几乎一夜之间消失,德国的科技地位一落千丈。此后,世界数学与物理的中心转移到了美国,直接造成了美国的崛起。

赫曼·外尔(Hermann Weyl) 和冯·诺依曼在美国的普林斯顿高等研究所任教授,柯朗在纽约大学任教,创办了举世闻名的应用数学研究所。赫曼·外尔在普林斯顿高等研究院按哥廷根传统建造又一个“伟大而充满热情的科学中心”的努力。曾教过玛丽亚·梅耶的艾米·诺特在1929年,竟然被撵出居住的公寓。1933年4月,法西斯当局竟然剥夺了诺特教书的权利。1933年9月她在赫曼·外尔的协助之下去了美国到距离普林斯顿不远的布林·摩尔女子学院教书。诺特已是五十岁,第一次真正靠自己的能力获得薪水,可惜在美国不到一年半的时间,却因肺炎及手术失误于1935年4月14日去世。

爱因斯坦为她在《纽约时报》写了一篇悼文,结尾这么说:“……她以后在哥庭根大学,近两年在布林摩尔学院工作。根据现在的权威数学家的判断,诺特小姐是自妇女开始受到高等教育以来有过的最杰出的富有创造性的数学天才。

“在最有天赋的数学家辛勤研究了几个世纪的代数学领域中,她发现了一套方法,当后一代的年轻数学家的成长已经证明了这套方法的巨大意义。通过这方法,纯粹数学成为逻辑思想的诗篇,人们要找最一般的计算概念,它将涉及形式关系的近可能广泛的领域以一种简单的,逻辑的和统一形式。在努力达到这种逻辑美的过程中,你会发现精神的法则对于更深入地了解自然规律是必须的……”

玛丽亚·梅耶对来自她故乡的逝去女科学家感到悲伤,她回想这位粗壮的独身的心地善良的诺特老师怎样地点燃她周围学生的探索未知真理的热情,而且喜欢和学生结伴在树林散步的一个可爱的老师,不能享有安适的晚年,真是太不幸了。

和诺特比较,玛丽亚·梅耶的遭遇也是类似,她在美国也没有比诺特好太多。在三十年代,大学教授的年薪差不多是三千美元,梅耶在物理系开的课程有统计力学,量子力学和古典力学等六,七门课。可是学校给她的年薪最多只是两百美元,不到同职教授的十分之一。而在一九三五年,学校的行政部门想要删掉给她薪水的开支。

贺兹非教授(Karl F. Herzfeld) 获悉此事非常愤怒,写信给校长:“我愿趁此机会说明我的看法:梅耶博士在教学与研究上相当于一位全职副教授的三分之一。每周授课两小时,一门高级理论课程,除此之外,一整年的时间她和戴克教授及我本人共同分担两堂讲座,并和她的丈夫约瑟夫教授和安德鲁教授负责一堂两小时的化学讲座。

“在研究方面,她一年发表好几篇论文,通常是与约瑟夫博士或我本人合作。……我认为,不论教学的观点或本系所发表的论文质量来看,她都是本系极有价值的一名成员。根据以上估计的工作量(相当于一位副教授的三分之一),梅耶博士应该领取一千美元的报酬。”这封信使玛丽亚.梅耶的薪水暂时没有被删,可是以后也没加到像贺兹非教授所说的一千元。

离开约翰·霍普金大学 到哥伦比亚大学

1939年她与丈夫到哥伦比亚大学。恩里科·费米(Enrico Fermi, 1901.9.29-1954.11.28) 之前在哥伦比亚大学教书,玛丽亚旁听他的课,并且参与分离铀同位素的工作,这是制造原子弹的“曼哈顿计划”(Manhattan Project) 的一部分工作。玛丽亚在Sarah Laurence 学院教一年书,多数时期是在 S.A.M. 实验室分离铀的同位素,她想法用光化学反应将铀的同位素分离出来。

恩利克·费米美籍意大利物理学家生于意大利罗马。他在理论和实验方面都有第一流建树1941年底,费米在哥伦比亚大学主持建造了世界上第一座原子反应堆,实现了自持式链式反应,为制造原子弹迈出了决定性的一步。

费米1922年获比萨大学博士学位。1923年前往德国,在玻恩的指导下从事研究工作。1925年1月至1926年秋季在佛罗伦萨大学工作,开始研究费米-狄拉克统计问题。1929年任意大利皇家科学院院士。1934年用中子轰击原子核产生人工放射现象。开始中子物理学研究。被誉为“中子物理学之父”。1938年由于“通过中子照射展示新的放射性元素的存在,以及通过慢中子核反应获得的新发现获得诺贝尔物理奖。

美国陆军部于1942年6月开始实施的利用核裂变反应来研制原子弹的计划,亦称曼哈顿计划。为了先于纳粹德国制造出原子弹,该工程集中了当时西方国家(除纳粹德国外) (包括美籍华人核物理学家吴健雄女士等) 最优秀的核科学家,动员了10万多人参加这一工程,历时3年,耗资20亿美元,于1945年7月16日成功地进行了世界上第一次核爆炸,并按计划制造出两颗实用的原子弹。“曼哈顿”计划规模大得惊人,罗伯特·奥本海默(J. Robert Oppenheimer,1904年4月22日─1967年2月18日) 是主要领导者之一。

罗伯特·奥本海默由于当时还不知道分裂铀235的3种方法哪种最好,只得用3种方法同时进行裂变工作。这项复杂的工程成了美国科学的熔炉,在“曼哈顿”工程管理区内,汇集了以奥本海默为首的一大批来自世界各国的科学家。

美国还与它的盟国英国和加拿大建立了多种联系与合作,得到了有价值的技术情报和铀原料供应。1943年,英国派出了以查德威克为首,包括玻尔的核研究小组来到洛斯阿拉莫斯、橡树岭等基地,与美国科学家一起研制原子弹。玛丽亚·梅耶到洛斯阿拉莫斯,玻尔(Niels Bohr),爱德华·泰勒(Edward Teller) 与恩利克·费米从事这方面的研究。

洛斯阿拉莫斯国家研究院,在赫梅斯山脉东部的克里斯托山下;奥本海默制定的核武器研制基地选址原则是:外人难以进入,但是内部通信必须自由,可以进行严密的控制,以防泄密;核武器的研制并不需要太大的设施,所以,可以牺牲舒适环境以确保隔绝。

物理学家威斯科夫(Victor Weisskopf) 说:“每当一个新的计划开始试行,或者一个新的概念开始酝酿,奥本海默就会出现在那个实验室或者讨论会现场。大部分时候,他都不会提出他自己的见解或者建议。他的重大影响来自其他方面。他的连续、长时间出现,使我们强烈地感觉到,他是和我们直接在一起的。”

“曼哈顿”工程在顶峰时期曾经起用了53.9万人,总耗资高达25亿美元,科学家人数之多简直难以想象,在某些部门,带博士头衔的人甚至比一般工作人员还要多,而且其中不乏诺贝尔奖得主。后来,美国政府决定建立国家实验室,其中最著名的有芝加哥附近的阿贡国家实验室和纽约长岛的布鲁克海文国家实验室(BNL)。这两个实验室为高能物理的发展做出了贡献。

杨振宁在《邓稼先》写道:“1949年到1966年我在普林斯顿高等学术研究所工作,前后17年的时间里所长都是物理学家奥本海默。当时,他是美国家喻户晓的人物,因为他曾成功地领导战时美国的原子弹制造工作。高等学术研究所是一个很小的研究所,物理教授最多的时候只有5个人,奥本海默是其中之一,所以我和他很熟识。

“……奥本海默是一个拔尖的人物,锋芒毕露。他二十几岁的时候在德国哥廷根镇做波恩的研究生。波恩在他晚年所写的自传中说研究生奥本海默常常在别人做学术报告时(包括波恩做学术报告时) 打断报告,走上讲台拿起粉笔说:‘这可以用底下的办法做得更好……’我认识奥本海默时他已四十多岁了,已经是妇孺皆知的人物了,打断别人的报告,使演讲者难堪的事仍然时有发生。不过比起以前要少一些。佩服他、仰慕他的人很多,不喜欢他的人也不少。”

但是就在这时他却在意大利遇到了麻烦。一是因为他的妻子是犹太人,意大利法西斯政府颁布出一套粗暴的反对犹太人的法律;二是因为费米强烈反对法西斯主义──墨索里尼独裁统治下的一种危险的态度。

1938年12月他前往斯德哥尔摩接受诺贝尔奖,此后就没有返回意大利,而是去了纽约。哥伦比亚大学主动为他提供职位,并为自己的师资队伍中增添了一位世界上最伟大的科学家而感到自豪和骄傲。

1942年12月2日,在芝加哥,费米指导下设计和制造出来的核反应堆首次运转成功。这是原子时代的真正开端,因为这是人类第一次成功地进行了一次核链式反应。1944年费米加入美国籍。他在芝加哥建造了世界上第一个受控核裂变装置,也就是反应堆。

随着这项实验的成功,即刻做出了全速开展哈曼顿工程计划。费米在这项工程中作为一位主要的科学顾问,继续发挥着重要的作用。费米的主要贡献在于他在发明核反应堆中所起的重要作用。十分显然,这项发明的主要功劳应归于费米。他最先对有关方面的基础理论做出了重大的贡献,随后又亲自指挥第一座核反应堆的设计和建造。战后,费米在芝加哥大学任教授。

杨振宁在《介子是基本粒子吗?》一文的引言说:“第二次世界大战,费米到芝加哥大学物理系及当时新成立的核研究所工作。其实美国各大学正在恢复学术研究工作及研究生教育。芝加哥大学招收的物理研究生特别多。我们也许永远无法知道,其中有多少人是慕费米之名而来的。就我本身而言,我于1945年11月由华赴美,是决心拜费米或维格纳为师的。”

1962年《纽约人》登了伯恩斯坦写的关于杨振宁来美拜师的故事:“……1945年年底抵达纽约时,杨振宁径自往哥伦比亚大学,以为费米还在那儿。实际上,费米在战争期间是在芝加哥大学和洛斯阿拉莫斯从事原子弹的研究。这项研究属于绝密性质,哥伦比亚大学没有人能告诉杨振宁关于费米的工作甚至他的下落。

“杨振宁前往普林斯顿大学,也发现维格纳也远走高飞了(事实是,他也在为曼哈顿计划工作,先是在芝加哥,后来在橡树岭)。他在普林斯顿听到‘谣传’说费米将要主持一个设在芝加哥大学的新的研究所。继续追求的结果,杨振宁终于实现自己于1946年1月坐在费米的班上听课。他设法多次跟费米会面,费米解释说他不能指导杨振宁写学位论文,因为他本人还在从事‘高度保密的研究’。然后费米把杨振宁介绍给爱德华·泰勒(Edward Teller),那是芝加哥大学有才能的科学家当中另一位物理学家,泰勒帮助杨振宁把注意力从显然不是他擅长的实验物理转到他显然比较擅长的理论物理学上。”

尤金·维格纳(Eugene Wigner) 于1902年11月17日出生于匈牙利布达佩斯。他在一间路德教会中学上学时认识了冯·诺伊曼,后者是他的学弟。两人一个更擅长数学,一个更擅长物理,在很长时间里是一个相当互补的组合。维格纳是20世纪最重要的物理学家之一,他把群论应用到量子力学中,对原子核模型的建立起到了至关重要的作用。他和狄拉克、约尔当等人一起成为量子场论的奠基人。

齐拉特1922年在柏林大学获得博士学位,随后留校任教。希特勒执政后,因自己的犹太人血统,就迅速离开德国到英国,从事原子核物理方面的研究工作。1937年他来到美国,并且认识到必须比希特勒更早制成原子弹的重要性。那年夏天,他和维格纳和特勒(都是匈牙利难民)说服爱冈斯坦写了一封著名的信(实际上是齐拉特执笔的),寄给罗斯福总统,因此有试制第一颗原子弹的“曼哈顿工程”。

维格纳参与了曼哈顿计划,在核反应理论方面有着突出的贡献。1963年,他被授予诺贝尔物理奖金。

1977年出版的《科学界的精英──异国的诺贝尔奖金获得者》(Scientific Ellite ─ Nobel Laureates in the United States) 一书的作者哈里特·朱克曼对这事有一个评述:“也许由于杨振宁那位数学家父亲使他在从事科学研究的方式上以及社会情况的缘故,他知道自己在追求的是什么。当杨振宁开始他的研究时,费米成为获奖人已经七年了,而且因此已经获得了高度的声望,这种声望甚至传到遥远的中国一些年轻有为的物理学学生中。因此,杨振宁知道费米在这方面的杰出贡献是不足为奇的。而且,进一步说,他选择跟随这样一颗闪光的巨星工作也是理所当然的。也许更能说明问题的是,他竟然还想跟维格纳工作,不管当时维格纳在使自己终于获奖的核结构的研究上已经造诣很深,但是只在数学家当中有点名气,而且只是在二十年以后才获得他的诺贝尔奖(具有讽刺意味的是,在杨振宁获得物理奖之后的十二年)。”

费米于1954年去逝。100号化学元素鉘就是为纪念他而命名的。他先后获得德国普朗克奖章、美国哲学会刘易斯奖学金和美国费米奖。

后来费米离开哥伦比亚大学到芝加哥大学主持金属实验室(Metallurgical Laboratory),在这里创造了世界第一个连锁反应的记录。1945年到芝加哥大学新成立的核研究所。玛丽亚也追随费米来到芝加哥。在芝加哥她受到热烈欢迎第一次成为核子研究所物理系的教授。阿贡实验室聘请她当研究员,虽然她对核子物理懂得不多。她是第一个在 ENIAC 电脑编 Monte Carlo method 的程序。

玛丽亚在阿贡实验室十五年。她所以能在这里工作是她以前的学生罗伯特·萨士(Robert Sachs) 是这里的主任,她是以“顾问”的名义被聘请。她在那里向费米和E. Teller 学习核子物理的知识。

玛丽亚·梅耶没法照顾女儿家里雇有女佣。可是家里的家具总是布满灰尘。因为家里的女佣们很快摸清女主人的脾气,她总是注意自己的脚,从来不注意眼睛以上的部位有无灰尘,于是女佣能少做事就尽量少做事。

获1963年的诺贝尔奖物理奖

梅耶夫人原来是一位物理化学家,她在物理化学方面的工作主要涉及有机分子的吸收光谱和用化学方法分离同位素等项目。

她于1946年7月1日开始进入阿贡国家实验室后,梅耶尚有一份兼职工作,亦即在 Theoretical Physics Division 的高级物理学家。在这期间她制定了一个原子核为壳体结构的原子模型。

她当时想为什么在原子核的质子及中子在核层排列的数目:8, 20, 28, 50, 82和126时原子核是非常稳定的?从实验室取得的资料数据,她不能提供理论解释,有一天她把这问题请教费米。费米建议考虑 spin-orbit coupling 的现象。这建议让她吃惊,怎么没有想到。十分钟后她有信心这是正确的考虑方向,那个晚上计算完结她得到所要的东西。一个星期后费米在他的课室讲解她的理论。

在同一时间内,一位在德国海德堡大学教书的汗斯·延生(J. Hans. D. Jensen),也正在研究同一件事。第二年汗斯·延生独立地得到同样的理论。1950年她见到延生,两人决定合作写一本《初等理论的核壳结构》解释他们的理论。他们的研究解决了已困惑科学家们一段时间被称为“魔数”的问题,梅耶的模型解释了为什么某些原子序的核子在原子核里是非常稳定的。

1960年玛丽亚与丈夫到圣地亚哥的加利福尼亚大学物理学教授,教授研究核物理。

1963年诺贝尔物理学奖授予美国物理学家维格纳(Eugene Paul Wigner, 1902-1995),以表彰他对原子核和基本粒子理论,特别是通过基本对称原理的发现和应用所作出的贡献;另一半授予美国物理学家玛丽亚·戈伯特-梅耶夫人(Maria Goeppert-Mayer, 1906-1972) 和德国物理学家延生,以表彰他们在发现核壳层原子核壳体结构(Nuclear Shell Structure) 方面所作的贡献。

在1963年11月5日凌晨两点左右,梅耶和约瑟夫被电话铃吵醒。

约瑟夫接电话,接线员说这是来自斯德哥尔摩,请梅耶听电话。当梅耶从丈夫手中接听筒时,她说:“我不认识任何在斯德哥尔摩的人!”

这是来自诺贝尔奖委员会的消息,梅耶是第二个获得诺贝尔奖的女性。(第一个是六十年代的玛丽·居里夫人)。而她是第一个在理论物理上获奖的女科学家。这时是她中风后的第三年。

与她同时获奖的有在普林斯顿大学教书的尤金·维格纳,这是梅耶在德国哥庭根大学的同学。维格纳以前和梅耶聊天总是谈物理方面的问题。

梅耶的丈夫在获悉太太获奖,高兴地开了一瓶香槟祝贺,两个人喝得有些醉,过了两个钟头,他们才想起应该把这个好消息告诉女儿和她共享。

玛丽安回忆这件事:“我在三更半夜接到妈妈的电话,秘书说当时我的母亲是已经醉了,我以为她在讲酒话。第二天早上我没打电话给他们,因为我心想昨晚的事一定是我在做梦。”

迟来的荣誉

玛丽亚·梅耶这时的身体不好,她中风,左臂失去了知觉,说话也很吃力。她担心在领奖那一天她怎么样走到讲台而不会被那绿色的丝绒晚礼服绊倒,她怎么用那完全瘫痪的左手拿着金牌和奖状,而右手要伸给瑞典国王。而她的烟瘾是那么重,能在典礼过程不抽烟,更是不可能的事。

结果在领奖时,有一名助理帮助她,她没有看到丈夫在观众席上喜极而泣。如果有遗憾的话,她是觉得她要邀请原来读物理而后在研究院放弃物理转经济的儿子彼得来观礼,而他却拒绝参加。

玛丽亚·梅耶的好朋友泰勒由于在五十年代的麦卡锡听证会上对欧本海默作不利的指正,使得欧本海默不能再在美国因防上贡献任何力量,许多从事物理的人士对泰勒的评价不好,对这位在美国氢弹开发上有功的人冷淡,泰勒也从此在物理界销声匿迹,只和少数的几个人往来。玛丽亚不管他的政治立场,仍然是他的朋友与他联络。泰勒对她能获得诺贝尔奖感到高兴,饱受风霜看到人间的锦上添花现象的泰勒说:“中风后的玛丽亚能继续和科学界保持联络,主要原因之一是她获了诺贝尔奖,不然的话早已无人对她闻问了。”

玛丽亚老年多病,她对自己在获得诺贝尔奖不久才获得正教授职位一事感到愤怒。她对自己变成残障,只能一支手穿衣服,做日常生活事务,需要约瑟夫的帮忙处理一些琐事而不高兴,儿女和她的距离越来越远,感恩节和圣诞节只有她和丈夫及她的秘书一起度过。

1972年2月20日玛丽亚在圣地亚哥心脏病发死亡,病逝时66岁。媒体称赞她是二十世纪的重要物理学家之一,许多认识她的幕僚对她的逝去感到难过。

约瑟夫在她去世不到六个月,就和她的秘书小姐结婚。

现在在阿贡实验室入口处有一个铭牌纪念她在那里工作。每一年还颁发以她的名字命名的卓越学者奖给年青的科学家和工程师到那里去工作。

美国物理协会设有20多种奖,包括生物物理学奖、T.W. 邦纳核物理奖、化学物理奖、新材料国际奖、高分子物理学奖、戴维森-杰默(Davission-Germer) 奖、流体动力学奖、物理学奖、F. 艾萨克林固体中光电效应奖等,这些奖对获奖者的国籍、居住地、年龄等都不作任何限制,奖金一般在5000美元以内。玛丽亚·戈伯特-梅耶奖(Maria Goeppert-Mayer Award) 为其中的一项,该奖由美国电学基金总会设立于1985年。这一奖励以美国物理学家、诺贝尔奖获得者玛丽亚·戈伯特-梅耶夫人的名字命名,用来表彰女青年物理学家取得的重要科学成就。

1998年5月13日
2008年12月12日修改

 【参考文献】
1.Joan Dash, Maria Goeppert-Mayer, A Life of One's Own, New York: Harper and Row, 1973。
2.Joan Dash, The Triumph of Discovery: Women Scientists Who Won the Nobel Prize, Messner, 1991。
3.Opfell, Olga S., The Lady Laureates: Women Who Have Won the Nobel Prize, Scarecrow, 1978, pp. 194-208。
4.Robert G. Sachs,Maria Goeppert Mayer ,1906-1972,A Biographical Memoir。 http://www.physics.ucla.edu/~moszkows/mgm/rgsmgm4.htm
5.杨振宁:《邓稼先》。http://hi.baidu.com/sichuanyangliuhe/blog/item/bebab354373d421b3b293569.html



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2008年12月27日首版 Created on December 27, 2008
2008年12月27日改版 Last updated on December 27, 2008