分享本文至 E-mail 信箱

學術引用格式

MLA (點一下全選)

APA (點一下全選)

EndNote(.enw)

莉澤.邁特納──散發人性光輝的核子物理學家

二十世紀初期,原子核物理獲得飛躍性進展,從確立原子結構、發現同位素、 到核分裂的研究等等,再再改變人類對世界的理解。雖然接受高等教育的女性當時極為罕見,她們的身影依然在近代物理史留下不可抹滅的痕跡;其中,有個名字常跟瑪麗.斯克沃多夫斯卡.居禮[1]相提並論。

原本無法就讀大學而打算當法語老師的她,幾經掙扎,獲得物理大師波茲曼[2]和普朗克[3]指導,逐漸成為獨當一面的科學家,卻連續多年沒有工作和薪水,連出入研究室都因性別身分備受限制;當事業如日中天,又因猶太人血統必須捨棄一切。她在陌生國度做出畢生最大貢獻,卻因緣際會與諾貝爾獎失之交臂;同時,她好相處、與人為善、愛好和平,也是第二次世界大戰期間唯一拒絕參與原子彈研發的核物理專家──這就是核子物理學先驅莉澤.邁特納(Lise Meitner)。

莉澤.邁特納(圖片來源)

莉澤.邁特納(圖片來源

開明家庭和貧乏的教育

在1878年11月7日[4]的維也納,莉澤.邁特納出生於關係親密、作風開明的小康家庭裡,在八個小孩中排行老三。她的父親雖是律師,但興趣廣泛,家裡也常常聚集各色各樣的訪客,好比議員、作家、棋士和律師等;莉澤和兄弟姊妹們,就在這樣多元豐富的家庭環境下長大。雖然莉澤的父母均為猶太裔,但他們從不強加猶太傳統信仰在子女身上,對子女的教育亦十分注重。

莉澤八歲就表現出對數理的愛好,然而在十九世紀末的奧地利,給女孩的學校教育只到國中為止,相當貧乏,不僅無法和大學課程銜接,當時大學也不讓女性入學。即使莉澤展現了科學天賦,也不可能有機會接受高等教育。因此,莉澤原本打算畢業後安分當個法文老師。

幸得名師

從1897年起,奧地利大學逐一敞開各學院的大門,女性只要通過高中同等學力測驗便可入學。莉澤為彌補遺漏的課業,接受了兩年密集家教;很幸運地,數學和物理老師正巧是維也納大學講師,有時會將大學裡的實驗器材拿來展示──這不但是難得的機會,也在莉澤心中留下深刻印象。1901年,23歲的莉澤從激烈競爭中脫穎而出,成為奧地利稀有的女大生。

莉澤大二的時候,曾一度擔任維也納大學教授的知名物理學家波茲曼回到維也納授課,聽眾擠爆會場,連報社都派了記者出席。莉澤事後回憶:「他的講座是我聽過最傑出、最激勵人心的。他對教給我們的一切,都抱持相當大的熱情,每次我們聽完離開都感覺到全新、驚奇的世界就展現在眼前。」

到1906年波茲曼悲劇的自縊[5]為止,莉澤足足有四年時間得以面對面感受這傑出物理學家對科學的熱愛。她深深受到波茲曼影響,終其一生都將科學事業視為追尋真理的艱苦奮鬥;甚至,因為波茲曼助理的啟發,讓莉澤選擇了原子核物理的道路。

波茲曼(圖片來源)

波茲曼(圖片來源

柏林的良師益友

1906年,莉澤得到博士學位。當時,她唯一的出路只有中小學老師一途,但那不是她想要的──她希望更深入地理解物理學。隔年,莉澤來到柏林進修,除了溝通方便、以及波茲曼長年旅居德國的因素之外,更為了大名鼎鼎的普朗克。

德國的大學雖然不收女學生,但普朗克慷慨答應了莉澤旁聽的請求,心中卻也不禁懷疑這個小女生的能耐。莉澤在回憶錄裡表示:「他很親切地接納了我,不久後還邀請我到他家。第一次前往拜訪時,他對我說:『但妳已經是博士了!妳還希冀什麼呢?』我回覆,希望能更真確理解物理,他只講了些場面話,沒有繼續深入話題。我自然認為他對女學生沒有太高評價,而在當時,人們大概也是這麼想。」[6]

普朗克對女性發展物理專業雖然有所保留,卻很歡迎莉澤拜訪。尤其,普朗克音樂造詣極佳,一群人往往在普朗克家辦起小型音樂會;普朗克彈鋼琴,訪客們拉小提琴──愛因斯坦也是這社交活動的常客兼合奏者。

普朗克是繼波茲曼之後,對莉澤產生重要影響的物理學家,後來亦成為她的良師益友。莉澤在柏林的艱困生活,幸得普朗克溫暖支持;此外,她也和普朗克兩個女兒發展出極佳的友誼。莉澤雖本性含蓄,對交友卻很有一套;她在柏林認識了一群年輕物理學家,都喜好音樂和戶外活動,並成為終生的朋友,例如日後的諾貝爾物理獎得主法蘭克[7]和馮.勞厄[8]。馮.勞厄曾經表示,因為莉澤的善良和體貼,才讓他從某些無法原諒自己的情緒裡釋放出來;他不但珍視和莉澤的友誼,在納粹統治德國期間,也常和莉澤互相支持、打氣。

普朗克(圖片來源)

普朗克(圖片來源

研究夥伴和性別限制

在普朗克的私人音樂會裡,還有另一位參加者──1906年才離開拉塞福[9]研究團隊回到德國的奧托.哈恩(Otto Hahn)[10]。他熱愛交際、不拘禮數,沒想太多就邀莉澤一起進行放射性研究。剛來到陌生國度的莉澤,在人際關係上顯得相當害羞,但她很快就發現哈恩會是未來寶貴的同事兼朋友,她說:「哈恩和我年紀相仿、非常不拘小節。我察覺,不管自己需要知道什麼都能夠盡情詢問他。更何況,他在放射性領域聲譽卓著;我相信他能教我很多。」

這一對化學家和物理學家的組合就這樣開始了;他們在同一研究所合作了31年。然而,他們之間從未有過愛情火花,不會一起吃飯、散步,整整有十六年都以「哈恩先生」和「邁特納小姐」尊稱對方。

合作關係中的兩人,地位相當不對等。哈恩在柏林大學化學研究所擔任助理,莉澤卻連建築物大門都進不去──研究所所長費歇爾[11]擔心長髮容易引發火災,嚴格禁止女性出入。在哈恩苦心勸說下,費歇爾才勉為其難讓莉澤在地下室、有獨立出入口的房間工作;莉澤不但無法踏足其他地方,連研究所的廁所都不得使用,只能到街上餐廳借廁所。對化學研究所而言,莉澤只是個不存在的人;一直要到1909年德國開放女性就讀大學,莉澤才得以自由出入,化學研究所也才終於有了女廁。

從谷底翻身

莉澤待在柏林的頭五年,發表將近20篇論文(大多是和哈恩合作撰寫),這段期間她不但沒有職位,也沒有薪水,僅靠父母的微薄資助過活。1912年,柏林近郊的威廉大帝化學研究所[12]成立,哈恩受聘為研究人員,並擔任放射性小組的組長。直到這時莉澤才終於得到第一份有薪水的工作──擔任普朗克的助手,給學生考卷打分數。此時的莉澤,仍處在學術巨塔的最底層。

隔年,莉澤獲聘為威廉大帝化學研究所正式員工後,又得到布拉格的工作(還有升遷的機會)。研究所主管費歇爾從普朗克那兒獲悉此事,以薪水加倍慰留莉澤;儘管如此,職稱和哈恩相同的莉澤,薪水卻還是比哈恩低了許多。無論如何,莉澤終於開始步上軌道,她在給朋友的信中寫到:「我全心全意喜愛著物理,我無法想像它不在我的生活中。」

發現鏷與建立聲望

1914年第一次世界大戰爆發,哈恩被軍隊的研發單位徵召,莉澤則志願擔任奧地利軍操作X光的護士,照料在前線嚴重受傷的士兵。1916年,莉澤回到柏林繼續研究工作,並在隔年得以組織自己的團隊;如果不計入哈恩的結婚加給,現在她和哈恩是同一薪水等級了。

戰爭期間,哈恩只能偶爾休假返回柏林,所以基本上,大多時候莉澤都是獨自工作。皇天不負苦心人,努力最終得到回報──他們成功分離並辨識出新元素「鏷」[13],並在1918年的論文中發表這項成就。

1920年代,莉澤另闢途徑,將研究重心轉向蓬勃發展的核子物理領域,跟哈恩專長的放射性化學區分開來。雖然這個選擇是基於科學考量,但對她的專業也有好處:少了哈恩的光芒,莉澤才得以樹立自己獨立科學家的身分。這段期間,莉澤靠著自己的研究工作,逐漸躋身世界一流科學家之列。因為她和哈恩的貢獻,使得威廉大帝化學研究所受到全世界的廣泛認可。

莉澤敲開了女性參與科學界的大門,先是獲聘研究所教授一職,又於1922年得到柏林大學特許任教資格,是最早的女性編外講師[14]之一;1926年,她擔任柏林大學兼任物理教授,成為全德國屈指可數的女教授。

1920年在柏林舉辦的「小人物論壇」(Das bonzenfreie Kolloquium )合影。相片中人包括哈恩和萬綠叢中一點紅的莉澤,未來幾乎都是赫赫有名的科學家 。(圖片來源)

1920年在柏林舉辦的「小人物論壇」(Das bonzenfreie Kolloquium[15])合影。相片中人包括哈恩和萬綠叢中一點紅的莉澤,未來幾乎都是赫赫有名的科學家[16]。(圖片來源

逃離德國

納粹在1933年掌權後,莉澤旋即被柏林大學免職,連柏林大學舉辦的學術會議都不得參加;雖然研究所的工作保住了,但全德國風聲鶴唳,許多猶太科學家都被迫去職,莉澤也不由得開始思考離開德國的可能。只不過,莉澤從德國白手起家至今二十餘年,好不容易有了一點成就,並建立自己的團隊;五十幾歲的她,想到要離開團隊和合作無間的夥伴,再次到陌生國度從頭來過,怎麼樣都下不了決心:「我的小組是從無到有、自己一磚一瓦成立的,可說是我畢生心血。對我來說,要拋棄它是格外地困難。」

莉澤是奧地利公民,加上普朗克、馮.勞厄和哈恩是反對納粹的,某種程度上還能保護她,但隨著1938年3月德奧合併,她被解僱是遲早的事了。哈恩因為莉澤,長期遭到納粹支持者攻擊,這下子他也無法再承擔那股壓力,不得不要求莉澤離開。「他可說是把我拋開了。」莉澤在日記寫著。

莉澤和哈恩,攝於1935年左右(圖片來源)

莉澤和哈恩,攝於1935年左右(圖片來源

莉澤被迫離開,卻連可用的護照都沒有;納粹也早已發布禁令,禁止任何技術/學術人員離開德國。她的國外朋友們想方設法運用各種管道,要將莉澤救援出來。為了莉澤的逃亡計畫,研究所所長德拜[17]用暗語寫了訊息給荷蘭物理學家科斯特(Dirk Coster),請他火速趕來柏林;七月,莉澤草草收拾細軟,只帶了兩個小行李箱和十馬克、以及哈恩在道別時塞給她作盤纏的鑽戒,與科斯特到達荷蘭與德國交界──科斯特早已將邊境守衛打點好,解決了出入境的難題。

諾貝爾物理研究所

雖然莉澤暫時安全了,事情卻未塵埃落定;一旦德軍攻占荷蘭,逃亡情節就要再度上演。在大名鼎鼎的丹麥物理學家波耳安排下,1938年8月1日,莉澤赴任由斯德哥爾摩諾貝爾物理研究所倉促安排的職位。

負責接待莉澤的是物理學家西格巴恩[18]。因為研究領域相近,莉澤原本以為西格巴恩會歡迎她的到來;怎知,比莉澤年輕八歲的西格巴恩,研究風格與莉澤迥異,既沒有邀請莉澤加入研究團隊,也沒有任何資源給她──對西格巴恩而言,莉澤可能不是很有價值的合作者。莉澤雖然擁有自己的實驗室,但沒有人手、沒有設備、沒有技術支援、甚至連鑰匙都不齊全──情況跟她當初在德國地下室的時期像極了。

瑞典學院(Svenska Akademien)支付給莉澤的薪水相當微薄,她在德國的帳戶也被凍結,無法提領。莉澤只能借錢度日,並和哈恩密集通信,一方面討論研究,另一方面互吐苦水。

核分裂的誕生

同年稍晚,哈恩和才加入化學研究所沒幾年的史特勞斯曼(Fritz Strassmann)以中子撞擊鈾,得到了鋇(Barium)──這下子讓哈恩傷透了腦筋。根據當時理論,若以中子撞擊鈾原子核,頂多使鈾原子核釋出少數質子,並變成較輕一點的元素(例如鐳),沒想到卻出現比鈾要輕太多的鋇!似乎鈾原子核被中子撞得分裂了,這怎麼可能?哈恩就像丈二金剛摸不著頭腦,轉而詢問莉澤是否有辦法解開謎團。

1938年12月,莉澤和同為物理學家的外甥傅里胥(Otto Frisch)來到瑞典西海岸渡假。在雪地裡,莉澤緊跟著滑雪的傅里胥,邊走邊思考哈恩的實驗結果,想法也逐漸成形。理出頭緒後,他們就地坐在樹下,利用手邊的小紙條做計算,檢驗他們的想法。

沒幾年前,年輕物理學家伽莫夫(George Gamow)提出液滴模型(Liquid Drop Model)[19],將原子核形容成水滴;如同水滴靠表面張力凝聚,原子核內部也存在某種內聚力,能夠將質子和中子結合在一起。莉澤和傅里胥發現,鈾原子核內部的電磁斥力相當強大,幾乎足以將凝聚原子核的力全數抵銷──鈾原子核就像極度不穩定的水滴,只要稍微受到一點刺激就可能分裂。

事情還沒結束。莉澤計算了原子核分裂前後的質量差異,發現生成物的質量總和將比原來的鈾原子核稍輕一些;這少掉的質量用愛因斯坦著名的質能互換公式E=mc2換算,正好跟新生成原子核的運動能量相符!一切都天衣無縫地接上了!當傅里胥回到哥本哈根,將熱騰騰的研究成果告知波耳,只見波耳敲著自己的額頭:「喔!我們是有多蠢呀!喔!這太美妙了!」

莉澤和傅里胥合著了這篇革命性論文,並借用生物學裡細胞分裂的概念,將此過程取名fission。從此,核分裂(nuclear fission)的概念誕生了。

史特勞斯曼日後回憶,當初多虧莉澤的強烈要求,他跟哈恩才完成驚天動地的核分裂實驗。可惜的是,莉澤身為研究合作者,卻被逼得逃離德國,無法親身參與實驗;不僅如此,因為德國政治的肅殺氣氛,哈恩可能擔心莉澤的猶太人身分太過敏感,在論文中不但沒有將莉澤列為共同作者,也沒有感謝莉澤的貢獻。為此,莉澤雖然參與了實驗前、中期工作,卻沒有得到回饋;哈恩則在1944年因為發現核分裂獨得諾貝爾化學獎──況且,核分裂理論還是莉澤跟傅里胥提出來的!

中子撞擊鈾的核分裂示意圖(圖片來源)

中子撞擊鈾的核分裂示意圖(圖片來源

抗拒研發原子彈

第二次世界大戰一觸即發,人們很快意識到可以利用核分裂製作炸彈。德國以海森堡[20]為首,召集一批科學家(包括哈恩)研發原子彈[21]。1943年,莉澤接到同盟國研發核武的邀請,卻斷然拒絕了──她也是唯一拒絕參與研發原子彈的核物理學家。雖然這是個離開瑞典,並跟其他物理學家朋友一起工作的機會,「我絕不會和炸彈扯上關係。」她這麼宣稱。

戰爭結束後,一些人將莉澤形容為原子彈的猶太母親,讓莉澤頗為苦惱;好萊塢甚至根據以訛傳訛的故事寫了電影劇本,將莉澤描繪成冒著風險將原子彈機密從德國偷渡到瑞典的核物理學家。「從頭到尾都在胡鬧。」她向傅里胥這麼表示;莉澤拒絕就拍攝電影一事幫忙,「我還寧願赤身裸體走百老匯大道。」

遺珠之憾

1944年,諾貝爾化學獎單獨頒給哈恩,許多物理學家,包括莉澤的朋友,都對此相當不解。何以莉澤和傅里胥的貢獻完全沒被考慮進去?雖然莉澤不是實驗論文的共同作者,但確實和哈恩以及史特勞斯曼一起參與了研究;更何況,她還和傅里胥完美地解釋了核分裂的理論機制。

即使抱著些許遺憾,當哈恩到斯德哥爾摩領取諾貝爾獎時,莉澤還是當起地陪接待老夥伴。在她寫給朋友的信件中,沮喪之情顯露無遺:「當發現哈恩在訪談中完全沒提起我,也沒講到我們合作三十年的事,讓我相當難受。」儘管如此,他們的友誼仍持續了一輩子。

雖然沒有得到諾貝爾獎,莉澤的貢獻卻毋庸置疑。戰後,她獲得數不清的獎項與邀請,人們歡迎她,就像歡迎瑪麗.斯克沃多夫斯卡.居禮那般。

柏林的莉澤.邁特納紀念雕像(圖片來源)

柏林的莉澤.邁特納紀念雕像(圖片來源

從未失去人性的物理學家

1947年,莉澤離開諾貝爾物理研究所,但仍持續在其他單位進行研究,包括協助瑞典研發第一座實驗性核子反應爐。她從未結婚、也沒有子女,在瑞典待了二十幾年後,1960年搬到英國劍橋,和傅里胥一家就近互相照應。1968 年10月27日,莉澤與世長辭,葬在英國鄉間的教堂庭院裡,享年八十九歲。

莉澤.邁特納一生幾乎都為物理而活。她受到波茲曼啟發,展現對物理的熱情,隻身前往德國打拼;在普朗克的照顧和哈恩幫忙下,她逐漸培養出獨當一面的能力。莉澤為人友善、受歡迎,是最佳的交友對象;納粹掌權期間,她更是靠許多朋友伸出援手,才能順利逃離德國;即使因為諾貝爾獎和多年夥伴哈恩產生矛盾,她也從不說對方的壞話。莉澤支持和平使用原子能,堅決反對利用其製作殺人武器;她在晚年曾說,因為自己的工作間接幫助了核武的誕生,使她對物理無條件的愛降低了。

在科學成就上,莉澤曾獲得46次諾貝爾獎提名(其中一次正是哈恩提名的),超過哈恩的39次;為了紀念她,元素䥑(Meitnerium)就是以她的名字命名。她生前曾說:「我常常感到自責,但作為物理學家,我沒有一丁點愧對良心的地方。」她的墓志銘如同呼應一般,寫著:「莉澤.邁特納:從未失去人性的物理學家。」

奧地利和德國都曾發行莉澤.邁特納紀念郵票。

奧地利和德國都曾發行莉澤.邁特納紀念郵票。

參考資料

  • Nina Byers and Gary Williams(2010), Out of the Shadows: Contributions of Twentieth-Century Women to Physics, Cambridge University Press.
  • William H. Cropper(2004), Great Physicists: The Life and Times of Leading Physicists from Galileo to Hawking, Oxford University Press.
  • Charles S. Chiu(2008), Women in the Shadows, Peter Lang Inc.
  • Ruth Lewin Sime(1997), Lise Meitner: A Life in Physics, University of California Press.
  • Lise Meitner(1964), Looking Back, Bulletin of the Atomic Scientists Volume 20, Issue 9.

註釋

  • [1] 即大家孰知的居禮夫人。
  • [2] 路德維希.波茲曼(Ludwig Boltzmann),奧地利理論物理學家,在多數物理學家都還不相信原子、分子確實存在的時候,以微觀尺度的分子運動詮釋熱力學第二定律。
  • [3] 馬克斯.普朗克(Max Planck),德國理論物理學家,因黑體輻射研究而提出能量量子化的概念,為量子力學奠基者。
  • [4] 根據出生紀錄,莉澤.邁特納生於11月17日,但是不知為何,其後文件紀錄均記載生日為11月7日,而且本人亦這麼認知。
  • [5] 波茲曼晚年因為生活和專業(學說不被接受)上的挫折,精神狀況不佳,鬱鬱寡歡。
  • [6] 歷史文獻也證實莉澤對普朗克的觀察沒錯。
  • [7] 詹姆斯.法蘭克(James Franck,1882-1964),1925年諾貝爾物理獎得主。
  • [8] 馬克斯.馮.勞厄(Max von Laue,1879-1960),1914年諾貝爾物理獎得主。
  • [9] 歐內斯特.拉塞福(Ernest Rutherford,1871-1937),物理學家。最知名的事蹟乃根據散射實驗結果確立了拉塞福原子模型;也是質子(proton)的命名者。
  • [10] 德國放射化學家。
  • [11] 赫爾曼.埃米爾.費歇爾(Hermann Emil Fischer,1852-1919),1902年諾貝爾化學獎得主。
  • [12] 威廉大帝化學研究所(Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie)現為馬克斯.普朗克化學研究所(Max Planck Institut für Chemie),亦稱奧托.哈恩研究所(Otto Hahn Institute)。
  • [13] 1913年,鏷234(protactinium-234)由法揚斯(Kasimir Fajans)和格林(Oswald Helmuth Göhring)首次發現,並被命名為Brevium。哈恩和莉澤.邁特納於1918年的論文裡提出的,是比鏷234更穩定的同位素鏷231,命名為Protoactinium。最後,國際純化學和應用化學聯合會(IUPAC)在1949年正式命名其為「鏷(Protactinium)」,並確認奧托.哈恩和莉澤.邁特納為發現者。
  • [14] 編外講師(女性為Privatdozentin,男性為Privatdozent)指的是德語系國家裡,通過認證可以就特定領域在大學授課、指導學生者。
  • [15] 原文的bonzenfreie意指沒有大人物。
  • [16] 例如1943年諾貝爾物理學獎得主斯特恩(Otto Stern)、1925年諾貝爾物理學獎得主法蘭克(James Franck)、1922年諾貝爾物理學波耳(Niels Bohr),1943年諾貝爾化學獎得主德海韋西(Georg de Hevesy)、進行拉塞福散射實驗並發明蓋格計數器的蓋格(Hans Geiger)、1925年諾貝爾物理學獎得主赫茲(Gustav Hertz)。
  • [17] 彼得.德拜(Peter Debye,1884-1966),1936年諾貝爾化學獎得主。
  • [18] 曼內.西格巴恩(Manne Siegbahn,1886-1978),1924年諾貝爾物理獎得主。
  • [19] 波耳和惠勒(John Wheeler,1911-2008)也將此模型做了更進一步的發展。
  • [20] 維爾納‧海森堡(Werner Heisenberg,1901-1976),1932年諾貝爾物理獎得主,量子力學創立者之一。
  • [21] 相關故事可參考王道還老師的文章

關於作者

科學大抖宅

科學大抖宅

在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」