Hver var Maria Goeppert-Mayer og hvert var hennar framlag til vísindanna?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hver var Maria Goeppert-Mayer og hvert var hennar framlag til vísindanna?
Maria Goeppert-Mayer fæddist 28. júní 1906 í Kattowitz í Efri-Slesíu, sem þá tilheyrði Þýskalandi en er nú í Póllandi. Hún var einkabarn hjónanna Friedrichs og Mariu Goeppert. Faðir hennar var barnalæknir og þegar Maria var fjögurra ára fluttist fjölskyldan til Göttingen, þar sem faðir hennar hafði fengið stöðu prófessors í barnalækningum við háskólann. Eftir grunnskólanám stóð hugur Mariu til háskólanáms, en á þessum árum var ekki gert ráð fyrir að stúlkur fetuðu slíka braut. Í Göttingen var þó rekinn einkaskóli af hálfu „kvenréttindasamtaka“, þar sem þriggja ára undirbúningsnám var í boði og innritaði faðir hennar hana í þann skóla. En þetta voru þó erfiðir tímar, fyrri heimsstyrjöld nýlokið með ósigri Þjóðverja, og skólinn varð gjaldþrota, þegar Maria var á þriðja námsári. Einhverjir kennarar skólans héldu þó áfram að leiðbeina nemendum og 1924 stóðst Maria inntökupróf í háskóla. Sama vor innritaðist hún í stærðfræði við háskólann í Göttingen.

Um þessar mundir var mikil gróska í eðlis-, efna- og stærðfræði við háskólann. Skammtafræðin var í burðarliðnum og heimili Goepperts fjölskyldunnar var samkomustaður margra þekktra vísindamanna á þessum árum, meðal annars Nielsar Bohr (1885-1962) og Max Born (1882-1970), sem síðar varð aðalleiðbeinandi Mariu í doktorsnámi. Max hafði einnig mikil áhrif á að Maria söðlaði yfir í eðlisfræðinám. Þá voru þar í námi um lengri eða skemmri tíma ýmsir upprennandi vísindamenn, sem síðar urðu heimsþekktir eins og Fermi (1901-1954), Oppenheimer (1904-1967), Dirac (1902-1984) og von Neumann (1903-1957). Í þessu frjóa umhverfi dafnaði Maria. Síðar var oft til þess tekið hvernig afburðaþekking og tilfinning í skammtafræði gerði henni kleift að leysa flókin vandamál í eðlisfræði og eðlisefnafræði.

Á námsárunum dvaldi Maria eitt misseri í Cambrigde, en hóf doktorsnám í Göttingen 1928. Leiðbeinendur hennar voru, auk Max Borns, þeir James Franck (1882-1964) og Adolf Windaus (1876-1959). James Franck hafði þá, ásamt Gustav Hertz (1887-1975), nýverið (1925) hlotið Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði fyrir tilraunir á árekstrum rafeinda í kvikasilfursgasi. Niðurstöðurnar studdu líkan Bohrs um skipan rafeinda í hvel umhverfis kjarna atómanna. Adolf Windaus var efnafræðingur en hann hlaut Nóbelsverðlaunin í efnafræði 1928 fyrir rannsóknir á sterólum og áhrifum þeirra á gerð fjörefna (vítamína). Þá má geta þess að Max Born hlaut síðar (1954) Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði fyrir túlkun á lögmálum skammtafræðinnar. Segja má að námsnefnd Mariu hafi verið vel skipuð. Um svipað leyti var Bandaríkjamaður, Joseph Edward Mayer (1904-1983) að nafni, að vinna með Franck, en Joseph hafði hlotið styrk frá Rockefeller-stofnuninni til rannsóknarnáms í Göttingen. Þau Maria felldu hugi saman og giftu sig 1930.

Sama ár varði hún doktorsritgerð sína sem fjallaði um skammtafræðilegar líkur á tvíljóseindaútgeislun frá atómi, þegar rafeind stekkur niður á innra hvel. Ritgerð hennar ber glöggt merki um frábæra kunnáttu, bæði í kennilegri eðlisfræði og tilraunaeðlisfræði, og má segja að leiðbeinendurnir tveir, sá stærðfræðilega þenkjandi Max Born og tilraunaeðlisfræðingurinn James Franck, hafi sett sterkt mark á doktorsnemann. Um þetta leyti var það ekki tæknilega í augsýn að sannreyna með tilraunum niðurstöður Mariu. Það er fyrst um 1960 með tilkomu leysa og frekari þróun í kjarneðlisfræði og stjarneðlisfræði að tvíljóseindageislun varð gerleg og áhugaverð í tilraunaeðlisfræði. Eugene Wigner (1902-1995) skrifaði síðar um ritgerð Mariu að hún væri ”a masterpiece of clarity and concreteness”.

Skömmu eftir doktorsvörnina héldu þau hjónin Maria og Joseph til Bandaríkjanna, en hann hafði þá fengið stöðu við efnafræðideild John Hopkins-háskólans í Baltimore. Þar voru þau næstu 10 árin. Heimskreppan var þá í algleymi og erfitt fyrir Mariu að fá launaða stöðu. Engu að síður tók hún virkan þátt í háskólastarfinu og var aufúsugestur á umræðufundum og í aðstoð við stúdenta. Fljótlega tókst þó að skrapa saman fyrir minniháttar aðstoðarmannsstöðu í eðlisfræðideildinni og þannig fékk hún beinan aðgang að starfsemi deildarinnar. Á þessum árum vann hún mikið með Karl F. Herzfeld (1892-1978) og skrifaði með honum greinar um eðlisefnafræði, vísindagrein sem þá var mjög í mótun. Sumrin 1931-33 dvaldi hún í Göttingen og vann með Max Born. Þar skrifuðu þau ítarlega grein um kristallasveiflur, grein sem síðar hefur fengið sess sem grundvallarverk á þessu sviði, “Dynamische Gittertheorie der Kristalle”, og birtist í Handbuch der Physik.

Árið 1939 fluttust hjónin til New York en þá hafði Joseph Mayer fengið stöðu við Columbia-háskólann. Þar fór Maria að vinna meðal annars með Harold Urey (1893-1981), en hann stundaði rannsóknir á aðgreiningu úransamsæta og vann Maria við rannsóknir á hvort unnt væri að skilja þær að með ljósefnavirkum (e. photochemical) hvörfum. Þar hófst einnig samstarf hennar með Enrico Fermi. Hann fékk hana til að freista þess að segja fyrir um hvelamynstur og gildisrafeindir á þeim óstöðugu frumeindum sem liggja utar í lotukerfinu en úran og enn áttu eftir finnast!

Árið 1946 var Mariu boðin staða prófessors í kjarneðlisfræði við Chicago-háskóla en þar störfuðu einnig Edward Teller (1908-2003) og Enrico Fermi. Um þetta leyti varð mönnum stöðugt ljósara að hið svonefnda „dropalíkan“ sem Niels Bohr og Weizacher höfðu þróað til að skýra eiginleika atómkjarnans dugði skammt til að skýra margs konar rannsóknir sem þá voru í gangi með tilkomu kjarnahraðla og nýrrar tækni. Dropalíkanið hafði reynst vel til að reikna bindiorkuna í atómkjarnanum og gat þannig meðal annars skýrt kjarnaklofnun og kjarnasamruna. En ýmsir aðrir eiginleikar kjarnans eins og segulmætti, reglubundin minniháttar stökk í bindiorku og orkuróf gammageisla fengu engan stuðning í þessu líkani. Í þessum þáttum minnti margt á hvelskipan rafeinda í atómum, en ekki var ljóst hvernig tengslin væru hér við þá krafta sem virkuðu í kjarnanum. Í rafeindaskipan atómsins spilaði saman vel þekkt rafsvið atómkjarnans og hverfiþungi rafeindanna á braut um kjarnann. Þetta leiddi til brautarskipan þar sem lögmál skammtafræðinnar réðu ríkjum. En hvernig var þessu varið í kjarnanum sjálfum? Vandamálið lá að hluta til í að eðli kjarnamættisins var ekki vel þekkt. Í lok síðari heimsstyrjaldar glímdu margir við þetta og 1949 gerðist það næsta samtímis að Maria Goeppert-Mayer og hópur í Þýskalandi undir forystu J. Hans D. Jensen (1907-1973), prófessors við Tækniháskólann í Hannover, leystu gátuna.

Það er víxlverkun kjarnamættisins við samanlagðan spuna og brautarhverfiþunga sem stýrir því hvernig róteindir og nifteindir raðast í hvel. Orkustökk verða þegar fjöldi nifteinda eða róteinda hleypur á 2, 8, 20, 28, 50, 82 og 126. Þetta höfðu menn áður séð í ýmsum tilraunum og kallað „töfratölur“ því ekki var ljóst hvernig á þessu stæði. Þau Maria og Hans komu með skýringuna.

Vísindagreinar beggja birtust í tímaritinu Physical Review 1949. Í rökstuðningi Nóbelsnefndarinnar 1963 er þetta vísindaafrek tíundað og þau Maria og Hans deildu með sér Nóbelsverðlaununum í eðlisfræði á móti bandarísk-ungverska eðlisfræðingnum Eugene Wigner.

Á næstu árum vann Maria við margháttaðar rannsóknir í kjarneðlisfræði og 1960 fengu þau hjónin bæði prófessorsstöður við Kaliforníu-háskóla í San Diego.

Maria Goeppert-Mayer lést 1972.

Myndir:

• Mynd af Goeppert-Mayer: Maria Goeppert-Mayer - Wikipedia, the free encyclopedia. Sótt 12. 2. 2014.
• Mynd af Goeppert-Mayer við afhendingu Nóbelsverðlauna: Calisphere. Sótt 25. 11. 2011....