Μαρία Γκέπερτ-Μάγιερ

Παιδική ηλικία και σπουδές

Η Μαρία Γκέπερτ γεννήθηκε στο Κατόβιτσε, τότε Κάτοβιτς του Βασιλείου της Πρωσίας, ως το μόνο παιδί του Φρήντριχ Γκέπερτ και της συζύγου του Μαρία Βολφ. Το 1910 η οικογένεια μετακόμισε στο Γκέτινγκεν, καθώς ο πατέρας της, πανεπιστημιακός καθηγητής έκτης γενιάς, διορίσθηκε καθηγητής της παιδιατρικής στο Πανεπιστήμιο του Γκέτινγκεν. Η Γκέπερτ ήταν εγγύτερα στον πατέρα της από ό,τι στη μητέρα της: «Ο πατέρας μου ήταν πιο ενδιαφέρων», εξήγησε αργότερα, «στο κάτω-κάτω ήταν επιστήμονας».
Η Γκέπερτ πήγε σχολείο στο Höhere Technische του Γκέτινγκεν και το 1921 στο Frauenstudium, ένα ιδιωτικό λύκειο προετοιμασίας για μαθήτριες που ήθελαν να δώσουν εξετάσεις για πανεπιστήμιο. Σε ηλικία 17 ετών έδωσε εισαγωγικές εξετάσεις για το πανεπιστήμιο (abitur) μαζί με τρία ή τέσσερα άλλα κορίτσια από το σχολείο της και 30 αγόρια από άλλα σχολεία. Τα κορίτσια πέρασαν όλα, ενώ από τα αγόρια πέρασε μόνο ένα.
Την άνοιξη του 1924 η Γκέπερτ άρχισε να σπουδάζει μαθηματικά στο κορυφαίο στην επιστήμη αυτή Πανεπιστήμιο του Γκέτινγκεν. Μία υποτιθέμενη έλλειψη γυναικών καθηγητριών των μαθηματικών για γυμνάσια θηλέων οδήγησε σε ένα κύμα γυναικών που σπούδαζαν μαθηματικά σε μία εποχή μεγάλης ανεργίας, ενώ υπήρχε ακόμα και μία πρωτοπόρος γυναίκα καθηγήτρια μαθηματικών στο συγκεκριμένο πανεπιστήμιο, η Έμμυ Ναίτερ.
Αντί όμως να ενδιαφερθεί να διδάξει σε γυμνάσιο, η Γκέπερτ ενδιαφέρθηκε για τη φυσική και επέλεξε να συνεχίσει τις σπουδές της για διδακτορικό. Στη διδακτορική διατριβή της το 1930 επεξεργάσθηκε τη θεωρία της ταυτόχρονης απορροφήσεως δύο φωτονίων από άτομα. Αργότερα, ο Γιουτζίν Γουίγκνερ περιέγραψε τη διατριβή αυτή ως «ένα αριστούργημα καθαρότητας και συμπάγειας». Εκείνη την εποχή η πιθανότητα να επαληθευθούν πειραματικώς η θεωρία της ήταν απόμακρη, αλλά η ανάπτυξη του λέιζερ επέτρεψε την πρώτη πειραματική επαλήθευση το 1961, όταν ανιχνεύθηκε φθορισμός από απορρόφηση δύο φωτονίων μέσα σε κρύσταλλο με προσμίξεις ευρωπίου. Προς τιμή της θεμελιώδους συνεισφοράς της στη θεωρία για αυτό το φαινόμενο, η μονάδα για τη διατομή απορροφήσεως δύο φωτονίων ονομάσθηκε «μονάδα Goeppert Mayer (GM)». 1 GM = 10⁻⁵⁰ cm⁴ ανά φωτονιο Τα μέλη της επιτροπής του διδακτορικού της Γκέπερτ ήταν τρεις μελλοντικοί ή ήδη κάτοχοι Βραβείου Νόμπελ: ο Μαξ Μπορν, ο Τζέιμς Φρανκ and Άντολφ Βίντχαους.
Στις 19 Ιανουαρίου 1930 η Γκέπερτ παντρεύτηκε τον Αμερικανό χημικό Τζόζεφ `Εντουαρντ (Τζο) Μάγιερ, έναν από τους βοηθούς του Τζέιμς Φρανκ. Τον είχε γνωρίσει όταν ο Μάγιερ διέμενε με την οικογένειά της ως φιλοξενούμενος του πανεπιστημίου. Οι νεόνυμφοι εγκαταστάθηκαν στην πατρίδα του συζύγου, όπου του είχε προσφερθεί μία θέση αναπληρωτή καθηγητή της χημείας στο Πανεπιστήμιο Τζονς Χόπκινς. Απέκτησαν δύο παιδιά, τη Μαρία Ανν και τον Πήτερ Κόνραντ.

Στις Ηνωμένες Πολιτείες

Οι αυστηρότατοι κανόνες κατά της οικογενειοκρατίας που ίσχυαν στο Πανεπιστήμιο Τζονς Χόπκινς το εμπόδισαν από το να προσλάβει την Γκέπερτ ως καθηγήτρια, αλλά της δόθηκε μία θέση βοηθού στο Τμήμα Φυσικής, όπου ήταν υπεύθυνη για τη γερμανική αλληλογραφία. Δίδαξε ωστόσο κάποια μαθήματα και δημοσίευσε μία σημαντική εργασία για τη διπλή διάσπαση βήτα το 1935.
Το ενδιαφέρον για την κβαντομηχανική στο Τζονς Χόπκινς ήταν πολύ μικρό, αλλά η Γκέπερτ-Μάγιερ συνεργάσθηκε με τον Καρλ Χέρτσφελντ. Επέστρεψε επίσης στο Γκέτινγκεν τα καλοκαίρια του 1931, 1932 και 1933 για να συνεργασθεί με τον πρώην καθηγητή της, τον Μπορν, συγγράφοντας μία συνεισφορά μαζί του για το Handbuch der Physik. Αυτά τελείωσαν όταν στην εξουσία βρέθηκε το ναζιστικό κόμμα το 1933, οπότε πολλοί πανεπιστημιακοί, όπως ο Μπορν και ο Φρανκ, απολύθηκαν. Η Γκέπερτ-Μάγιερ και ο Χέρτσφελντ συνέτρεχαν τους πρόσφυγες που κατέφευγαν στις ΗΠΑ.
Ο Τζόζεφ Μάγιερ απολύθηκε από το Πανεπιστήμιο Τζονς Χόπκινς το 1937 και το ζεύγος προσλήφθηκε από το Πανεπιστήμιο Κολούμπια στη Νέα Υόρκη, αλλά η θέση της Γκέπερτ ήταν άμισθη. Γνωρίστηκε πάντως εκεί με τον Χάρολντ Γιούρεϋ και τον Ενρίκο Φέρμι, που έφθασε εκεί το 1939. Ο Φέρμι της ζήτησε να ερευνήσει τον φλοιό σθένους των υπερουράνιων στοιχείων που δεν είχαν ανακαλυφθεί ακόμα, χρησιμοποιώντας το μοντέλο Τόμας-Φέρμι, και εκείνη προέβλεψε ότι θα σχημάτιζαν μία νέα σειρά στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων, παρόμοια με αυτή των  σπάνιων γαιών. Και σε αυτό η Μαρία Γκέπερτ αποδείχθηκε σωστή.

Συμμετοχή στο Πρόγραμμα Μανχάταν

Τον Δεκέμβριο του 1941 η Γκέπερτ ανέλαβε την πρώτη της έμμισθη θέση πανεπιστημιακής διδασκαλίας, διδάσκοντας με μερική απασχόληση στο Κολέγιο Σάρα Λώρενς, στο προάστιο Γιόνκερς της Νέας Υόρκης. Την άνοιξη του 1942, με τις ΗΠΑ να έχουν εισέλθει στον Β΄ Παγκόσμιο πόλεμο, προσλήφθηκε μετά από παρέμβαση του Γιούρεϋ σε μία ερευνητική θέση μερικής απασχολήσεως στο Πρόγραμμα Μανχάταν. Αντικείμενο της έρευνας του εργαστηρίου της εκεί ήταν η ανακάλυψη μεθόδου για τον διαχωρισμό του σχάσιμου ισοτόπου ²³⁵U από το φυσικό ουράνιο. Ερεύνησε τις χημικές και θερμοδυναμικές ιδιότητες του εξαφθοριούχου ουρανίου και τη δυνατότητα διαχωρισμού των ισοτόπων με φωτοχημικές αντιδράσεις. Η μέθοδος αυτή δεν ήταν πρακτική με τα μέσα της εποχής, αλλά και πάλι η ανάπτυξη των λέιζερ θα άνοιγε αργότερα τον δρόμο για τον ισοτοπικό διαχωρισμό με διέγερση λέιζερ.
Χάρη στη γνωριμία της με τον Έντουαρντ Τέλερ, η Γκέπερτ-Μάγιερ πήρε μία θέση στο Opacity Project του Κολούμπια, που ερευνούσε τις ιδιότητες της ύλης και της ακτινοβολίας σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες, με ανομολόγητο σκοπό την ανάπτυξη της «υπερβόμβας» του Τέλερ (βλ. βόμβα υδρογόνου). Τον Φεβρουάριο του 1945, ο σύζυγός της στάλθηκε στο πολεμικό μέτωπο του Ειρηνικού Ωκεανού, οπότε η Γκέπερτ απεφάσισε να αφήσει τα παδιά της στη Νέα Υόρκη και να λάβει μέρος στην ομάδα του Τέλερ στο Εργαστήριο του Λος Άλαμος. Ο Τζόζεφ Μάγιερ επέστρεψε από τον πόλεμο ενωρίτερα από ό,τι αναμενόταν και γύρισαν μαζί στη Νέα Υόρκη τον Ιούλιο του 1945.
Τον Φεβρουάριο του 1946 ο Τζόζεφ έγινε καθηγητής στο Τμήμα Χημείας και στο νέο Ινστιτούτο Πυρηνικών Ερευνών στο Πανεπιστήμιο του Σικάγου και η Μαρία μπόρεσε να γίνει άμισθη αναπληρώτρια καθηγήτρια της φυσικής εκεί. Αργότερα ο Τέλερ δέχθηκε μία θέση στο Πανεπιστήμιο του Σικάγου, οπότε η Γκέπερτ μπόρεσε να συνεχίσει μαζί του τις έρευνες του Opacity Project εκεί. Η Γκέπερτ προγραμμάτισε τον πρωτοποριακό υπολογιστή ENIAC για την επίλυση (με τη μέθοδο Μόντε Κάρλο) προβλήματων κρισιμότητας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα ψυχόμενου με υγρό μέταλλο.

Το πυρηνικό πρότυπο των φλοιών

Κατά την παραμονή της στο Σικάγο, τόσο στο Πανεπιστήμιο όσο και στο νεοϊδρυθέν τότε Εθνικό Εργαστήριο Αργκόν, η Γκέπερτ ανέπτυξε μέχρι το 1949 ένα μαθηματικό μοντέλο της δομής των πυρηνικών φλοιών, το οποίο δημοσίευσε το 1950. Το πρότυπο αυτό ερμήνευε γιατί ορισμένοι αριθμοί νουκλεονίων σε έναν ατομικό πυρήνα αντιστοιχούν σε ιδιαίτερα σταθερούς πυρήνες. Οι αριθμοί αυτοί πήραν το παρατσούκλι «μαγικοί αριθμοί» από τον Γουίγκνερ: 2, 8, 20, 28, 50, 82 και 126. Ο Φέρμι δημιούργησε το κίνητρο για την ανάπτυξη αυτού του προτύπου, όταν ρώτησε την Γκέπερτ: «Υπάρχει κάποια ένδειξη για σύζευξη σπιν-τροχιάς;» Η Γκέπερτ κατάλαβε ότι αυτό γινόταν στην πραγματικότητα και υπέθεσε ότι ο πυρήνας ως αποτέλεσμα είναι ουσιαστικά μία σειρά από πλήρεις φλοιούς και ότι ζεύγη νετρονίων και πρωτονίων τείνουν να συζεύγνυνται Η ίδια περιέγραψε την ιδέα ως εξής:
Σκεφθείτε μία αίθουσα γεμάτη από χορευτές του βαλς. Υποθέστε ότι γυρίζουν στην αίθουσα σε κύκλους, με τον κάθε κύκλο να περικλείεται από έναν άλλο. Υποθέστε τέλος ότι σε κάθε κύκλο μπορείτε να χωρέσετε τους διπλάσιους χορευτές όταν το ένα ζεύγος περιφέρεται δεξιόστροφα και το άλλο αριστερόστροφα. Τότε προσθέστε μία ακόμα ποικιλία: όλοι οι χορευτές περιστρέφονται γύρω από τον εαυτό τους σαν σβούρες καθώς περιφέρονται κάνοντας τον γύρο της αίθουσας, με το κάθε ζευγάρι να σβουρίζεται και να περιφέρεται ταυτόχρονα. Αλλά μόνο μερικοί από όσους περιφέρονται αριστερόστροφα περιστρέφονται επίσης αριστερόστροφα: οι υπόλοιποι περιστρέφονται δεξιόστροφα ενώ περιφέρονται αριστερόστροφα. Το ίδιο συμβαίνει και με όσους περιφέρονται στην αίθουσα δεξιόστροφα: κάποιοι σβουρίζονται δεξιόστροφα, ενώ άλλοι σβουρίζονται αριστερόστροφα.
Τρεις Γερμανοί επιστήμονες, οι `Οτο Χάξελ, Χανς Γιένσεν και Χανς Ζούες, εργάζονταν επίσης για την επίλυση του ίδιου προβλήματος, και έφθασαν ανεξάρτητα στο ίδιο συμπέρασμα. Τα αποτελέσματά τους ανακοινώθηκαν στο περιοδικό Physical Review τον Ιούνιο του 1949, πριν την ανακοίνωση της Γκέπερτ-Μάγιερ. Στη συνέχεια η Γκέπερτ συνεργάσθηκε μαζί τους. Ο Χανς Γιένσεν και η Γκέπερτ συνέγραψαν μαζί ένα βιβλίο που εκδόθηκε το 1950 με τον τίτλο Elementary Theory of Nuclear Shell Structure (Στοιχειώδης θεωρία της δομής των πυρηνικών φλοιών). Το 1963 η Γκέπερτ-Μάγιερ, ο Γένσεν και ο Γουίγκνερ μοιράσθηκαν το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής «για τις ανακαλύψεις τους σχετικά με τη δομή των πυρηνικών φλοιών». Η Μαρία Γκέπερτ-Μάγιερ έγινε έτσι η δεύτερη γυναίκα που τιμήθηκε με Βραβείο Νόμπελ Φυσικής μετά τη Μαρία Κιουρί.

Θάνατος και μνήμη

Το 1960 η Γκέπερτ-Μάγιερ διορίσθηκε καθηγήτρια πρώτης βαθμίδας στη φυσική στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο. Παρότι υπέστη ένα εγκεφαλικό επεισόδιο λίγο καιρό μετά την εγκατάστασή της εκεί, συνέχισε να διδάσκει και να διεξάγει έρευνα για μερικά χρόνια ακόμα. Πέθανε στο Σαν Ντιέγκο σε ηλικία 66 ετών, ενώ βρισκόταν σε κωματώδη κατάσταση μετά από ένα έμφραγμα που είχε πάθει το προηγούμενο έτος. Τάφηκε στο El Camino Memorial Park του Σαν Ντιέγκο.
Μετά τον θάνατό της θεσπίσθηκε το «Βραβείο Μαρία Γκέπερτ-Μάγιερ» από την Αμερικανική Φυσική Εταιρεία, το οποίο απονέμεται ετησίως από το 1986 σε νεαρές φυσικούς, κατόχους διδακτορικού που βρίσκονται στην αρχή της σταδιοδρομίας τους. Το Εθνικό Εργαστήριο Αργκόν απονέμει επίσης ένα βραβείο κάθε χρόνο σε εξέχουσα νέα επιστήμονα ή μηχανικό στη μνήμη της Γκέπερτ-Μάγιερ, ενώ το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο διοργανώνει ένα ετήσιο «Διεπιστημονικό Συμπόσιο Μαρία Γκέπερτ-Μάγιερ», που συγκεντρώνει ερευνήτριες για να συζητήσουν τρέχοντα επιστημονικά θέματα.
Ο κρατήρας Γκέπερτ-Μάγιερ στον πλανήτη Αφροδίτη ονομάσθηκε έτσι προς τιμή της Μαρία Γκέπερτ-Μάγιερ. Το 2011 η Γκέπερτ-Μάγιερ εμφανίσθηκε και σε αμερικανικό γραμματόσημο, και συγκεκριμένα στην τρίτη σειρά των «Αμερικανών επιστημόνων», μαζί με τους Μέλβιν Κάλβιν, Έιζα Γκρέι και Σεβέρο Οτσόα.