Maria Goeppert Mayer (Maria Göppert-Mayer) je bila briljantna teoretska fizičarka koja je razvila model atomskog jezgra kao ljuske i na taj način objasnila raspored protona i neutrona u jezgru. Mada je gotovo cijeli život provela bez da je ona sama i njen rad imao zvanična priznanja 1963. godine je Nobelov komitet prepoznao značaj onoga što je uradila i dodijelio joj Nobelovu nagradu za fiziku kao drugoj ženi u dotadašnjoj dodjeli nagrada iz fizike.

Prva žena koja je dobila tu nagradu je bila Marija Sklodovska Curie 1903. godine, a treća je Donna Strickland (2018.), četvrta je Andrea Ghez (2020). Do 2020. godine Nobelovu nagradu iz fizike je primilo 212 pojedinaca, tj. 209 muškaraca i 4 žene.

Marija Göpert Mayer je jedinstvena među dobitnicima Nobelove nagrade i po tome da je gotovo cijela njena karijera tj. trideset godina u tri različite oblasti na tri američka univerziteta radila kao neplaćeni volonter, a pritom je predavala, vodila postdiplomce, bila uključena u univerzitetske komitete i publikovala članke.

Piše: prof. dr. Nenad Tanović

 
 
 
Marija Göpert-Majer je rođena 28. juna 1906. godine u Katovicama (danas Poljska, a tada Prusija) u porodici u kojoj je prije nje bilo šest generacija univerzitetskih profesora. Njen otac Fridrih, dječiji ljekar, preselio se sa porodicom 1910. godine u Getingen (Göttingen) gdje je dobio profesorski posao na Medicinskom fakultetu Univerziteta u Getingenu. 
 
*1986. godine je uspostavljena nagrada koja nosi njeno ime (Maria Göppert-Mayer Award) za mlade fizičarke na početku njihove naučne karijere.  Nju dodjeljuje Američko društvo za fiziku (APS) koje je drugo najveće društvo tog tipa na svijetu i koje izdaje desetine časopisa među koje spadaju i Physical Review i Physical Review Letters. Takođe APS godišnje organizuju više od dvadeset prestižnih naučnih simpozijuma, seminara i drugih vidova naučnih okupljanja. 
 

Svoju sklonost za nauku Marija je naslijedila od oca, koga je obožavala, a ljubav prema muzici i društvenom životu od svoje majke. Socijalni život u Getingenu se dešavao na prijemima koje su organizovale žene profesora sa svojom djecom. Prijemi Marijine majke su uspostavili standard gostoprimljivosti u Getingenu, a to je značilo da je svaka soba u kući bila dostupna gostima pa ako je i naručeni orkestar svirao do ponoći njena majka je sjedala za klavir i svirala i pjevala sve do četiri sata ujutro. Marija je pohađala Višu tehničku školu u Getingenu, školu za djevojke iz srednjeg sloja koje su namjeravale da studiraju. 1921. se upisala na Frauenstudium (privatna škola za djevojke) koju su vodile sufražetkinje koje su željele da pripreme djevojke za univerzitetski studij. 

 
 
 
Marija je polagala abitur, prijemni za univerzitet, kada je imala samo 17 godina, godinu manje od tri kolegice i trideset dječaka koji su se prijavili za polaganje. Zanimljivo, te godine sve su djevojčice položile prijemni, a svi dječaci su pali. 1924. godine primljena je na Univerzitet u Getingenu (Odsjek za matematiku) koji je tada kao i ostale univerzitete u svijetu pohađao mali broj ženskih studenata. U to vrijeme krize i velike nezaposlenosti u Njemačkoj je bio uočljiv nedostatak profesorica matematike u ženskim školama pa su se studentice masovno opredjeljivale za taj studij. Tada je u Getingenu profesorica matematike na univerzitetu bila Emmy Noether, ali je ipak većina djevojaka bila zainteresovana samo za diplomu profesorice u srednjoj školi, a ne i za karijeru u nauci.
 

U to vrijeme Getingen je bio jedan od vodećih univerziteta u oblasti fizike, pa je Marija oduševljena tadašnjim razvojem atomske fizike i nove oblasti kvantne mehanike 1927. godine prešla na studij fizike gdje je pod vodstvom velikog teoretičara kvantne mehanike Maxa Borna 1930. godine odbranila svoju doktorsku tezu u kojoj je proračunavala vjerovatnost da elektron koji se kreće oko atomskog jezgra pri prelazu na orbitu bližu jezgru simultano emituje dva fotona svjetlosti koja bi bila absorbovana od strane atoma. 


Taj za to vrijeme zaista smion proračun će biti eksperimentalno potvrđen tek 30 godina kasnije (1961.) kada su se koristili laseri i kada je na europium dopiranom kristalu uočena florescencija pobuđena sa dva fotona. Da bi taj događaj obilježili i odali priznanje Mariji danas se jedinica za dvofotonski absorpcioni presjek naziva GM (Gepert-Majer) jedinica čija je vrijednost 10−50 cm4 s photon−1.  Takođe je kasnije Eugene Wigner, još jedan nobelovac, opisao Marijinu tezu kao “majstorsko djelo jasnoće i konkretnosti”. Nije nezanimljivo napomenuti da su u komisiji pred kojom je branila svoju doktorsku tezu bila dva nobelovca, James Franck (1925.) i Adolf Otto Reinhold Windaus (1928.), a treći je bio njen mentor Max Born koji će 1954. takođe dobiti Nobelovu nagradu za fiziku. 

 
 
 

Nije nezanimljivo istaknuti da je 1924. godine u Njemačkoj (kada se Marija upisala na univerzitet) samo jedna od deset studenata bila ženskog roda, a da je tada u Americi taj omjer bio jedna studentica na tri studenta. Takođe je značajno da su tada profesori u Getingenu bili David Hilbert, James Franck, Max Born i Werner Heisenberg koji su sarađivali sa Paulom Dirakom iz Engleske i Wolfgangom Paulijem i Erwinom Schroedingerom iz Austrije i Niels Bohrom iz Danske gradeći osnove kvantne mehanike. 

Max Born ju je pozivao čak i prije nego je pohađala njegova predavanja na izlete sa svojim studentima po okolnim brdima. Kako je postala Bornov najdraži student nije ostalo nezabilježeno da je bio trač da između oženjenog profesora i studentice ima nešto više od fizike. Pritom Born i Franck su držali seminare tako da je svako mogao da  prekine predavanje i traži dodatno objašnjenje ili iznese svoje mišljenje. Tada su Born i Heisenberg u Getingenu upravo razvijali osnove kvantne mehanike. 

 
Bornov seminar je privukao mlade, Diraka iz Engleske, Enrika Fermija iz Italije, Roberta Oppenheimera iz Amerike, Eugena Wignera i John von Neumanna iz Mađarske. Marijini najbliži prijatelji iz tih dana su bili Victor Weisskopf i Max Delbrünck koji će kasnije postati jedan od vodećih molekularnih biologa. U Getingenu je upoznala i Linusa Paulinga i Leo Szilarda i Arthura Holly Comptona kao i mnoštvo drugih kasnijih velikih imena u oblasti nauke.
 

Dok je još bila na postdiplomskom studiju (1927.) Mariji je umro otac pa je njena majka bila primorana da priprema hranu i izdaje sobe studentima među kojima je bio i Joseph Edward Mayer za koga će se Marija udati 19. januara 1930. godine. Joseph je bio američki student koji je koristio stipendiju Rockefeller fondacije za studij u Evropi i tada je u Getingenu bio asistent kod Jamesa Franck-a. Mladi par će se preseliti u Ameriku kada Joseph dobije docenturu na Odsjeku za hemiju Johns Hopkins Univerziteta u Baltimoru. Tada je u Americi bio na snazi Zakon protiv nepotizma koji je zabranjivao da muž i žena budu zaposleni na istom univerzitetu. Marijina jedina zarada u to vrijeme je bila vezana za pomoć američkim profesorima u njihovom održavanju korespondencije sa kolegama u Njemačkoj, a fizikom i fizikalnom hemijom se bavila tada samo zbog ljubavi prema nauci pa je 1935. objavila značajan rad o dvostrukom beta raspadu atomske jezgre. 

 
U to vrijeme na John Hopkins univerzitetu nisu puno polagali na kvantnu mehaniku pa je Marija surađivala sa Karlom Herzfeldom u toj oblasti i objavljivali su radove čak i sa Herzfeldovim studentom A. L. Sklarom vezano za objašnjenje spekta benzena. Marija je zadržala veze sa Max Bornom i Getingenom pa je ljeta 1931., 1932., i 1933. provodila u Getingenu i zajedno sa njim objavila rad u Handbuch der Physik. Dolaskom nacista na vlast 1933. u Njemačkoj ta saradnja prestaje u tom obliku, jer su i Born i Frank izgubili svoja radna mjesta na univerzitetu. Marija i Herzfeld su se tada uključili u pomaganje naučnicima iz Evrope da dobiju posao u SAD-u. 
 
 
 
Marija je 1933. godine kada je postala naturalizovana građanka SAD-a rodila i kćerku Maria Ann. Kada su kćerki bile 4 godine Marija je sa svojim suprugom počela da piše udžbenik iz oblasti statističke mehanike opisujući ponašanje molekula koji je objavljen 1940. 1938. godine, malo prije nego je njen suprug dobio posao na Columbia Univerzitetu u New York-u, rodio im se sin Peter. Ne treba zanemariti činjenicu da je Marijin suprug Joseph 1937. godine dobio otkaz na Johns Hopkins univerzitetu, jer je po njegovom svjedočenju dekan Fakulteta za fiziku našao razlog za to u činjenici da je vidio Mariju u laboratoriji fakulteta. Herzfeld se u svojim sjećanjima prisjetio da su neki američki profesori na Hopkinsu smatrali da je skupina Frank, Herzfeld i Marija Göppert Mayer previše njemačkih naučnika na njihovom univerzitetu. Takođe su se i neki studenti žalili da je previše moderne fizike u Mayerovim predavanjima iz hemije. Taj odlazak sa Hopkinsa na Kolumbiju se pokazao kao dobra stvar za Mariju. Šef Odsjeka za fiziku George B. Pegram je Mariji obezbijedio kabinet, ali ne i platu. 1939. godine na Kolumbiju je stigao i Enriko Fermi, a već je od ranije tu  bio Harold Urey, sa kojima je Marija uspostavila saradnju.
 
Maria Goeppert-Mayer, ilustracija Jelena Kalinić

 

 

 


Otpočinjanjem rata u Evropi Marija i njen suprug su se pridružili prognanim evropskim naučnicima u zahtijevu da Amerika razvije atomsku bombu. Tada je Mariji ponuđen prvi plaćeni posao kao naučnici vezan za istraživanje izdvajanja potencijalnog “goriva” za bombu, tj. za odvajanje radioaktivne forme urana od one koja se ne bi mogla koristiti u bombi. Taj njen rad nije imao direktnog uticaja na sam projekat, ali je ona tada radila na Univerzitetu Kolumbija za projekat Manhattan na separaciji izotopa, a kasnije i sa Edvardom Tellerom u Los Alamos Laboratoriji na razvoju hidrogenske bombe ili kako su je tada zvali Super bombe.
 
1946. su ona i njen suprug pozvani da se pridruže novom Institutu za nuklearne studije (kasnije poznatiji kao Enriko Fermi Institut) na Univerzitetu Čikago (University Chicago) gdje su već bili Enrico Fermi I Edward Teller. I ponovo je Marija izabrana da radi kao neplaćeni vanredni profesor (Zakon protiv nepotizma), mada je dobila svoju kancelariju, a jedina njena zarada je bila od naučnog rada kao honorarnog starijeg istraživača na Argonne National Laboratory. Ta čikaška grupa je bila jedna od najboljih grupa naučnika fizičara dvadesetog stoljeća i često se na njihovim nedeljnim seminarima raspravljalo o mogućem rasporedu protona i neutrona u jezgru atoma. 
 
Tada je najprihvaćeniji bio model jezgra kao kapljice vode u kojoj se protoni i neutroni kreću nasumično. Fizičari su dobro znali kako se kreću elektroni oko jezgre po strogo razdvojenim putanjama i ljuskama i kako osobine atoma zavise od tih rasporeda. Mnogi su pokušavali da istu šemu primijene i na jezgro, ali osim što su koristili spoznaje iz dvadesetih i tridesetih godina da protoni i neutroni formiraju posebno stabilna jezgra kada je u jezgru broj bilo kojih nukleona jednak 2, 8, 20, 50, 82 i 126 (Eugene Wigner, nobelovac iz 1963. ih je nazvao magični brojevi), ali nisu mogli osim prva tri magična broja da teoretski objasne ostale, tj. nije bilo ni fizičke ni matematičke evidencije kako generalno model radi. 
 
1946. godine radeći sa Edwardom Tellerom na teoriji porijekla hemijskih elemenata Marija je zapazila da elementi čija jezgra sadrže odgovarajući broj protona ili neutrona (ponovo isti magični brojevi) su oni elementi koji su najzastupljeniji i najstabilniji u prirodi i da su pri tome toliko stabilni da nikada ne doživljavaju radioaktivni raspad. Tražeći razlog za to Marija je postavila hipotezu da je to zbog toga što imaju poseban raspored protona i neutrona u jezgru tj. u ljuskama. I kao što elektroni u vanjskom omotaću svojim posebnim rasporedom onemogućavaju neke elemente da hemijski reagiraju, tako protoni i neutroni koji zadovoljavaju magične brojeve predstavljaju ljuske u jezgru koje ne dozvoljavaju da se jezgro radioaktivno raspada. 
 
 
U ovom modelu jezgro je poput luka i njegovih ljuski sa protonima i neutronima koji se kreću jedni oko drugih i u slojevima. Magični brojevi predstavljaju najzastupljenije elemente jer su u tim elementima čestice u jezgrima veoma jako međusobno povezane i kreću se sinhrono po putanjama u pravcu kazaljke na satu i suprotno od nje. Takva jako povezana jezgra neće promijeniti svoje osobine čak i onda kada se njihovi atomi vežu sa bilo kojim drugim elementima. Zato su elementi kao što su kalaj i olovo toliko široko rasprostranjeni. 
 
Marija je svoju ideju strukture nuklearne jezgre ovako objašnjavala: “Zamislite dvoranu punu plesača valcera. Pretpostavimo da se svi oni kreću kružno po dvorani tako da je svaki krug plesača zatvoren drugim širim krugom plesača. Takođe zamislite da se u svakom krugu možete smjestiti dvostruko više plesača tako da se jedan par tih plesača kreće u pravcu kazaljke na satu, a drugi suprotno od toga. Sada dodajte plesu još jednu varijaciju tj. svi plesači osim kretanja u krug po sali takođe se vrte i oko svoje ose što znači da se istovremeno i kruže i vrte. Pri tome samo neki od onih koji se kreću po sali suprotno od smjera kazaljke na satu se i vrte suprotno od  smjera kazaljke na satu. Drugi koji se kreću u smjeru kazaljke na satu se ujedno i vrte suprotno od kretanja kazaljke sata. Isto vrijedi za one plesače koji se kreću u pravcu kazaljke na satu: neki se vrte u jednom pravcu, a drugi suprotno od njih.”
 
 
Zanimljivo je istaknuti da je ideju za ključni dokaz svoje teorije Maria Göppert-Mayer dobila tokom razgovora sa Enricom Fermiem kada je on pitao da li postoji mogućnost sprege spina i orbite i da li je to i od kolike važnosti za njen model. Sprega spina i orbite je proces u kojem pravac u kojem se dešava spin čestice pomaže da se odredi koja orbita ili ljuska će biti popunjena. I dok je sprega spina i orbite za elektrone u atomskom omotaču veoma mala Maria je shvatila da je ta sprega veoma jaka u jezgru i da je za česticu (proton ili neutron) potrebno mnogo više energije da spinuje u jednom nego u drugom pravcu i da to objašnjava magične brojeve za jezgre i pokazuje kako su čestice u jezgru raspoređene u slojevima. Njena ideja je bila da će se energija jezgra razlikovati u slučajevima kada čestice iz jezgra spinuju u istom pravcu od slučaja kada spinuju u suprotnom pravcu. Deset minuta nakon Fermijeva pitanja Maria ga je stala bombardovati s proračunima koji su pokazivali matematske dokaze njene teorije. Dakle Fermijevo pitanje je bilo ključ koji je “otključao” tajnu rasporeda protona i neutrona u samom jezgru atoma. Njen članak iz 1948. godine je bio prekretnica u prihvatanju modela ljuski u jezgru posebno jer su nedugo zatim eksperimenti poduprli njene ideje o postojanju popunjenih nuklearnih ljuski i potvrdu o egzistenciji viših magičnih brojeva. 
 
Gotovo u isto vrijeme njemački fizičar Hans D. Jensen je došao do slične ideje pa su se njih dvoje sastali 1950. godine i iz te saradnje je nakon pet godina proizašla knjiga Elementarna teorija strukture atomskog jezgra. Marijina naučna dostignuća se više nisu mogla zaobilaziti pa je Univerzitet Kalifornija u La Jolli, San Diego, ponudio 1959. godine i Mariji i Josephu profesorske pozicije.  I premda je nekoliko mjeseci nakon prelaska u San Diego Marija pretrpila srčani udar ona je nastavila svoja istraživanja na stalnom poboljšavanju teorije atomskog jezgra.
 
1963. godine Maria i Hans Jensen su dijelili Nobelovu nagradu sa Eugene Paul Wignerom za svoja istraživanja prirode strukture jezgre atoma koji su imali za posljedicu bolje razumijevanje procesa radioaktivne transformacije elemenata, kao i osobina sila koje drže strukturu jezgra u bliskim ljuskama.
 
20. februara 1972. godine prestalo je da kuca srce tada 65-to godišnje Marije Göppert Majer u La Jolli.
 
Meni je zanimljivo iz života Marije Göpert-Mayer to da se u Getingenu Enriko Fermi osjećao kao milioner, jer je imao vlastiti bicikl, a Joe Mayer koji je magistrirao na Kalifornijskom institutu za tehnologiju, a doktorirao na Univerzitetu Kalifornije u Berkliju, je kupio, u to vrijeme, automobil za novac. Mnogi će kasnije tumačiti njihov brak (tj. Marijin izbor) upravo time što je Joe imao kola dok većina ostalih nije uspjevala da posjeduje ni bicikl. Možda je to tačno, ali ne treba zaboraviti da je Joe bio sličan njenom ocu i da je cijeli svoj radni vijek nastojao da se Marija bavi fizikom i da dobije univerzitetsku poziciju. Interesantno je da je Joe Mariju odvezao u Holandiju u posjetu Einsteinovom veoma bliskom prijatelju profesoru Ehrenfestu sa kojim je mogla da razgovara o svojoj doktorskoj tezi. 
 
Ehrenfest ju je pažljivo slušao, a onda je iznenada prekinuo: „Govorila si dovoljno dugo: sada to zapiši.“ Potom je zaključao u gostinsku sobu rekavši joj da može izaći samo kada ispiše glavne dokaze. Kuća je bila ogromna, jer je Ehrenfest bio oženjen bogatom ruskinjom, ali je uređivanje kuće ostalo nedovršeno zbog Oktobarske revolucije i gubitka bogatstva profesorove supruge. Marija se kasnije sjećala te sobe jer je jedan zid bio ispunjen detektivskim romanima, a na drugom su bili potpisi naučnika koji su tu boravili kada su dolazili profesoru u posjetu. Ajnštajnov potpis je bio iznad njenog kreveta. Nakon sat vremena Marija je ispisala jednačine koje su bila osnova njenog doktorata, pokucala na vrata da ih otključaju i potpisala se na zidu.
 
I odgovor na pitanje zašto sam izabrao baš tu sliku Marie Göppert-Mayer na početku ovog teksta. Ako malo bolje pogledate vidjećete da ona u rukama drži nešto. E to nešto je šiber, a šiber je ustvari drveno/plastično ručno računalo prije elektronske revolucije kojim su se koristili naučnici i inžinjeri za brže računanje, a sastoji se od dvije letvice, jedne nepomične i druge pomične na kojima su unešene razne skale sa njihove obje strane (gornje i donje). Još sredinom šezdesetih godina XX vijeka studenti tehničkih usmjerenja u Jugoslaviji  (elektotehnika, mašinstvo, građevina, matematika, fizika, hemija, …) su polagali test korištenja šibera, jer je to bio preduslov za pohađanje kursa matematike i neophodno pomagalo za proračune koje će tokom studija izvoditi.
 
Ova druga fotografija kojom se završava biografija jedne izvanredne naučnice je sama po sebi razumljiva.
 
 

 

Maria Göppert Mayer dolazi na ceremoniju dodjele Nobelove nagrade
u pratnji švedskog kralja Gustafa VI 1963. godine

 

 
 
Ovaj tekst je nastao uz podršku Ambasade Sjedinjenih Američkih Država u BiH u okviru projekta “U.S. Scientists Who Changed the World” i zahvaljujemo se Ambasadi SAD.