赵玉民
核科学群英谱(6):无冕女王 ---- 迈特纳和吴健雄 精选
2022-6-24 15:49
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在上个世纪向原子核科学领域挺进的大军中除了居里夫人之外,还有两位著名的女性学者十分耀眼夺目,她们是来自奥地利的莉泽-迈特纳和来自中国的吴健雄。这两位杰出的女科学家在三十年代到五十年代时期取得了许多重大成就。虽然因为各种原因二人都没有获得诺贝尔奖,然而她们所做贡献后来在学术界乃至全社会的认可程度方面与绝大多数诺贝尔奖获得者不遑多让,甚至更大。

在前文中我们曾提到著名核物理学家居里夫人,“居里夫人“四个字后来成为投身科学并做出重大贡献女性的一种象征符号。爱因斯坦称赞迈特纳为德国的居里夫人,而吴健雄则被诺贝尔物理奖获得者塞格雷(Emilio Gino Segre)盛赞为来自东方的居里夫人。本文谨向这两位二位伟大的女原子核物理前辈学者们致敬。

 

1、莉泽-迈特纳 教授

迈特纳1878年生于奥地利的维也纳(犹太裔), 在她年幼时欧洲社会对女性的教育还有限制,当地高等中学还没有女生,而公立高等教育直到1897年才允许女性入学。迈特纳在1892年在市民学校毕业,1899年她和其它二位年青女性参加私立培训突击高中课程。在1901年总共有14名女性参加维也纳大学入学考试,只有她和玻尔兹曼(Ludwig Boltzman, 统计物理历史上最著名的学者之一) 的女儿 Henriette Boltzmann通过,她入学后受到玻尔兹曼教授很多影响。 她的大学论文是麦克斯韦电磁理论方面(1905年11月,导师是 Hans Benndorf 和 Franz Exner,毕业论文评阅人是 Exner 和玻尔兹曼); 而博士论文题目是关于非均匀物体的热传导,时间是在1906年2月。不知道当时奥地利关于学位管理的相关规定,不过很有趣的是那时候大学毕业生可以这么短的时间内获得博士学位。

迈特纳起初接受 Paul Ehrenfest 教授的建议研究光学,后来接受 Stefan Meyer 建议研究放射性,在1907年发表了一篇 alpha 粒子散射实验的文章,此后在父亲支持下去了德国柏林,她有幸参加普朗克教授 [Max Planck, 光量子概念的提出者,1918年诺贝尔奖获得者] 教授参加在他家里的学术讲座[据说这属于例外,因为普朗克比较反对女性上大学;也可能他过于欣赏迈特纳个人能力而开此先例]。在那段时间,她还到 Heinrich Rubens 教授的物理实验室去,并在那里认识了化学研究所的一位同龄人、也是后来长期合作者和朋友的奥托-哈恩 (Otto Hahn)。 哈恩曾经在卢瑟福指导下工作过,曾发现几个新的同位素,不过他那个化学研究所主流是有机化学,因而他的工作(放射化学)显得有些另类;哈恩那时没有薪水,生活资助来源于他父亲,他当时正找一个物理方面的合作者,Heinrich Rubens 就把同样没有个人收入的迈特纳介绍给哈恩。那时迈特纳在各方面“待遇”和氛围是不太友好的 (她不能从学校正门进入、只能在一个小木工房里做实验、不能去楼上哈恩的实验室、不能去研究所其它地方、上厕所也只能到大街的公共厕所)。但是她强大的内心动力使得她在研究上锲而不舍,正可谓梅花香自苦寒来。

迈特纳和哈恩1908年合作3篇论文、1909年6篇论文。二人的侧重点不太一样,哈恩热衷于新元素[或新同位素],而迈特纳更关注的是对于辐射或衰变本身的理解,这段时间里迈特纳的一个贡献是在实验中的放射剩余核反冲可以用来探测放射性物质;迈特纳那时的主要兴趣是beta 衰变,他们也观测到beta 衰变谱线连续性的疑难[查德威克在1914年指出了这种现象],不过那时迈特纳对此一直不解。1912年 哈恩和迈特纳一起去了 KWI (Kaiser Wilhelm Institute),在那里他终于有了工资并带有教授称谓,而迈特纳继续以客座的身份却没有收入。那时迈特纳的父亲已经去世一年多时间,所以在1912年的下半年普朗克给迈特纳找了一个助教职位,她也终于第一次有个人收入!而且很快KWI 又给迈特纳涨工资又升职,到了1914年布拉格有一个学术单位给 Meitner 一个很好的职位,普朗克为了留住迈特纳就把她的工资翻倍了。遗憾的是,1914年第一次世界大战爆发,二人的工作在一战前期都暂时中断了,迈特纳曾作战地医院的护士;不过1917年两个人又回到工作岗位,1918年迈特纳也有了自己的研究组,1922年获得教授职位,1926年成为柏林大学的实验核物理教授。不幸的是,犹太出身使得迈特纳从1933年起在德国生存日益状态恶化。当局最初还允许她继续和哈恩合作做中子实验,彼时费米用中子轰击铀原子核时认为产生了新的超铀元素(前文已述),迈特纳非常希望重新做这个实验,但是哈恩起初很不乐意,不过因为他对于新元素感兴趣而改了主意。1937年他们发表了几个报告,认为这个实验可能没有合成新元素,不过合成了多种铀同位素;而到了1938年社会政治气氛已经非常糟糕,于是迈特纳在5月份接受尼尔斯-玻尔的邀请去了哥本哈根 [她的侄子Otto Frisch 在那里],6月份在瑞典找到一个核物理方面的职位,此后经过一些艰难曲折最终到了瑞典。

这段时间哈恩和她一直保持着密切的通讯联系。当时哈恩用化学方法分离铀被中子散射后产生的同位素时,意外发现这个过程似乎产生了钡元素。哈恩是优秀的化学专家,当然对于钡元素化学性质很清楚,他们反复检查了并确认了结果。因为他们希望赶在圣诞节假期之前把事情做完,所以在收到迈特纳回信前就把稿件投出去了。当然这个结果太过惊人,因为那时已知的放射性(alpha、beta 衰变)都根本无法解释这个结果,钡的质量比铀的质量相差太多了。迈特纳在第一时间给哈恩回信说:“目前关于原子核的分裂(break-up)假设对于我似乎难以接受,不过原子核物理经历了太多令人惊讶的事情,谁也不能没有条件地说这是不可能的。”

因为当时属于圣诞假期,她的侄子 Otto Frisch 和她在一起, 对于当时的情况有完整和详尽的描述。那时伽莫夫、玻尔等人建立发展了原子核液滴模型, 迈特纳在和Frisch散步过程中停下来基于液滴模型做了计算,并基于爱因斯坦的质能方程得到了这个过程释放的能量数值,突然大彻大悟,终于得到了中子散射下铀同位素裂变的物理图像;她还立即意识到,假如哈恩观测到钡的结果是正确的,他们还应该观测到对应的另一个元素氪 (质子数等于铀的质子数92- 钡的质子数56=36,即氪元素的质子数),不过哈恩并没有继续检验这一点。

为了继续检验这个裂变思想是否正确,她和Frisch通过一些简单实验测量裂变产物的反冲等,终于完整地勾勒出这个裂变反应的全貌: U-235+n -àBa + Kr + 几个中子。Frisch 征询了生物学家关于细胞裂变(fission) 的词汇在发表的论文里首次引入了“核裂变”一词。Hahn-Strassmann 的文章、Frisch和 迈特纳的文章都发表在1939年的1月到2月份间,这些结果大大地震惊了当时的学术界。

1944年哈恩因为在铀裂变方面的贡献而被独自授予诺贝尔化学奖,迈特纳没有被授奖;这对于迈特纳显然是不公平的,很多人为此抱不平。根据诺贝尔奖的archive, 她被诺贝尔化学奖和物理奖都多次提名[但是提名次数的来源不同似乎相互不一致]。不过,没有获得诺贝尔奖的桂冠并没有影响迈特纳在科学界的重要地位,1997年人们为了纪念她把109号化学元素以她的名字命名 (Meitnerium),2000年欧洲物理学会建立了以她的名字命名的莉泽-迈特纳奖[核科学方面]等。

2、吴健雄

    吴健雄教授在1912年生于苏州太仓,她的父亲吴仲裔是一位教育家,创办了当地的明德女子职业学校。吴健雄1923年考入苏州第二女子师范学校,1929年考入中央大学。她先读数学系,一年后转入物理系,1934年大学毕业[论文指导教师为居里夫人的学生施士元教授]。可见,吴健雄在中国从幼年到大学的过程比在奥地利维也纳长大的莉泽-迈特纳要顺利得多。

吴健雄1936年去美国继续求学,她的名义导师是回旋加速器发明者劳伦兹 (Ernest O. Lawrence, 1939年诺贝尔奖物理奖获得者), 实际指导教师是塞格雷(Emilio Segre,1959年诺贝尔物理奖获得者)。吴健雄在1940年提交博士论文,其中有两部分,一部分关于轫致辐射,另一部分关于beta 衰变。后来吴健雄多个工作与beta 衰变有关。这篇博士学位论文遴选为美国学术界久负盛名的phi-beta-kappa奖,她此后短时间留在放射实验室做博士后。

吴健雄在 1942年与袁家骝先生结婚,先在Smith 学院工作,后来去普林斯顿大学[普林斯顿大学物理系第一位女性学者]。1944年她以中国人的身份参与了美国曼哈顿计划,特别是在排除当时的B-反应堆[曼哈顿计划中的核心部分之一]“故障”[链式反应的持续性问题]中起了非常重要的作用。1945年她去哥伦比亚大学工作直到退休。1947年她和袁家骝先生的独子袁纬承出生,袁纬承后来也成为物理学家。1997年在南京举行的纪念吴健雄国际会议上,袁纬承教授作为受邀代表在宴会上发言, 后来曾在中学生读物《科学大众》上发表文章“我的母亲吴健雄”。可见,吴健雄教授的人生之路没有像迈特纳教授所经历的那样受到太多社会性别歧视和政治直接干扰乃至颠沛流离,因此相对而言她的个人生活比“德国版的玛利亚-居里(German Maria Curie)”要幸福和顺利得多。

吴健雄在1949年11月做了一个很重要的实验工作,是有关二个光子的“量子纠缠”,论文发表在物理评论期刊 [C. S. Wu and I. Shaknov, Phys. Rev. 77, 136 (1950))]. 这个实验是一对纠缠光子量子效应第一个重要实验,因此吴健雄教授是量子信息领域的先驱之一。她在1962年底关于原子核beta 衰变的实验证明了beta 衰变过程中的矢量流守恒定律,这对于后来弱电统一理论的发展起了重要推动作用。在 beta 衰变方面她和 Steven Moszkowski 的专著是上世纪和本世纪内beta 衰变领域的标准教科书。

吴健雄最重要的工作是关于宇称不守恒的实验验证工作,后来有非常多的文章、书籍讨论介绍这个著名实验的起因、原理、经过和结果,这里不再赘述。总之,这个实验引起极大轰动,1957年1月15日哥伦比亚大学也史无前例地为此举行记者会、1月16日《纽约时报》头版报道了这个实验结果。这个划时代的工作总结在论文 [C. S. Wu, E. Ambler 等,Phys. Rev. 105, 1413 (1957)] 中,并且直接导致了李政道教授和杨振宁教授在1957年获得诺贝尔物理奖;毫无疑问地,假如当时没有这个设计精巧实验的强大支持,李先生和杨先生的迅速获奖是不可能的。根据斯坦伯格(Jack Steinberger,1988年诺贝尔物理奖获得者)的评价:没有吴健雄的实验结果,李政道、杨振宁的理论只能是一种构想,吴健雄的实验结果改变了这一切。

塞格雷等多人把吴健雄与居里夫人相比较,同时补充说吴健雄更入世、更优雅、更机智 (“more worldly, elegant , and witty”, 见塞格雷,《from X ray to quark》, 中译本《从X射线到夸克》,上海科学技术文献出版社)。劳伦兹也说,吴健雄是他所知道最有天赋的女实验物理学家,她会令所有实验室闪亮。当然还有很多人说她是原子弹之母,因为她的工作解决了U-235裂变链式反应的持续性。

与迈特纳教授类似的是,科学界乃至整个社会没有因为她未获诺贝尔奖而淡忘吴健雄教授对于物理学的伟大贡献,反而授予她绝大多数诺贝尔奖获得者没有享受的殊荣。她于1975年任美国物理学会[第一位女性]会长;1990年国际编号2752号小行星命名为吴健雄星;2021年美国邮政总局发行了吴健雄头像永久邮票,这是爱因斯坦、费米等极少数最顶尖科学家曾获的殊荣。

Ps: 1992年吴健雄教授和袁家骝教授在东南大学设立“吴健雄-袁家骝奖”,本文作者是1996年度吴健雄-袁家骝奖的获奖人,受二位先生福荫而不胜感激和荣幸。




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