Utforske kjernefysiske verden: livet og vitenskapen til Gertrude Scharff-Goldhaber

Noen vet fra de er små at de ønsker å bli vitenskapsmenn og at de – med nok evner og innsats – kan nå det målet. Gertrude Scharff (Scharff-Goldhaber etter at hun giftet seg) følte det tidlige kallet. Og selv om hun hadde evnen til å oppfylle den, hadde hennes vei til vitenskapelig suksess mer enn sin del av personlige vanskeligheter og faglige hindringer.

Hun ble født i en tysk-jødisk familie 14. juli 1911, og levde gjennom første verdenskrig, etterkrigstidens omveltninger i Tyskland og Hitlers fremvekst. Etter å ha oppnådd sin doktorgrad i fysikk fra Universitetet i München, søkte hun inn i et yrke dominert av menn. Da hun flyktet fra nazismen, møtte hun vanskeligheter som innvandrer til Storbritannia. Og da hun prøvde å bygge et nytt liv i USA sammen med fysikeren sin, slet hun fortsatt med å finne vitenskapelig arbeid, ettersom nepotismens rigide regler hindret hennes karriere.

Likevel holdt hun ut, og etablerte seg som en høyt respektert kjernefysiker, en av få banebrytende kvinner i det området. Forskningen hennes fremmet forståelsen av kjernefysisk fisjon og bidro til teorien om kjernefysisk struktur. Arbeidet hennes ble anerkjent i 1972 da hun bare ble den tredje kvinnelige fysikeren valgt inn i National Academy of Sciences. Hun er også godt husket som en talsmann for kvinner i vitenskap, for å oppmuntre unge forskere og for å forkjempe vitenskapelig utdanning.

Illevarslende tider, fremragende student

Kjent som Trude for sine venner og familie, var Scharffs første år i Tyskland turbulente, og omfattet første verdenskrig, politisk uro og økonomisk ødeleggende hyperinflasjon etter landets nederlag i 1918. I en alder av åtte så hun kommunistiske revolusjonære bli slaktet av militær i gatene i München, der familien hennes bodde. Senere husket hun at hun måtte spise brød fylt ut med sagflis. Uroen fortsatte, med illevarslende forvarsel for tyske jøder, da Hitler kom til makten i 1933.

Midt i alt dette oppnådde Scharff en verdig utdannelse. I følge et memoar av sønnen Michael, gikk hun på en elitegymnas for jenter. Hun var en fremragende student og utviklet en interesse for fysikk. Faren hennes hadde håpet at hun skulle studere jus for å forberede seg til å lede familiebedriften, men hun var mer opptatt av å "forstå hva verden er laget av", som hun senere sa det.

På vei mot målet hennes, begynte Scharff på universitetet i München i 1930. Utdannelsen hennes kulminerte med å jobbe mot en doktorgrad i fysikk under Walther Gerlach, av den berømte Stern-Gerlach-eksperiment som i 1922 etablerte eksistensen av kvantisert spinn i et magnetfelt. Forskningen hennes i fysikk av kondensert materie handlet om ferromagnetisme.

Men eksterne hendelser endret hennes planer og livet fullstendig. Da nazismen spredte seg, fant Scharff seg utstøtt av kolleger og tyske jøder begynte å flykte fra landet. Hun var imidlertid godt med i forskningen. Som hun sa til en intervjuer i 1990: «Jeg burde ha dratt tidligere. Men siden jeg hadde startet oppgaven min, følte jeg at jeg burde fullføre.»

Hun ble ferdig med det, i 1935, men hun klippet det veldig tett. Det var året Nürnberg-lovene ble vedtatt, og definerte først jøder og senere romani og svarte tyskere som "underordnede raser" og "fiender av staten". De ble effektivt utestengt fra det tyske samfunnet, og møtte harde straffer for brudd på lovene. Antisemittisk vold vokste og Scharffs foreldre omkom senere i Holocaust.

Scharff var klar over at det absolutt var på tide å rømme fra Tyskland, og skrev til 35 flyktningforskere som søkte en stilling andre steder. Nesten alle ba henne ikke komme fordi det allerede var en overflod av flyktningforskere – bortsett fra Maurice Goldhaber, en ung østerriksk-jødisk fysiker hun hadde møtt i Tyskland. Han jobbet med en doktorgrad ved University of Cambridge under Ernest Rutherford, og trodde det kunne være muligheter i England. Da Scharff flyttet til London, tjente Scharff til livets opphold i seks måneder ved å selge en verdifull eiendel som var en del av bryllupsbuksen hennes – et Leica-kamera, kjent for sin fine optikk – og oversette artikler fra tysk til engelsk. Deretter jobbet hun ved Imperial College London under George Thomson, og studerte elektrondiffraksjon (i 1937 delte han Nobelprisen med Clinton Davisson for å oppdage effekten i krystaller), men fant aldri en uavhengig forskerstilling.

I 1939 ble utsiktene hennes bedre. Scharff giftet seg med Goldhaber, og ble Scharff-Goldhaber, og paret flyttet til USA. Goldhaber hadde en fakultetsstilling ved University of Illinois-Urbana, men Scharff-Goldhaber kunne ikke bli en fullverdig akademisk vitenskapsmann, fordi anti-nepotismelover i Illinois ikke tillot universitetet å ansette henne. Hun kunne bare forske som ulønnet assistent i ektemannens laboratorium. Dette flyttet henne fra fysikk av kondensert materie til hans felt av kjernefysikk. Scharff-Goldhabers artikler på 1940-tallet produsert under disse omstendighetene viser at hun taklet overgangen strålende - men hun nådde aldri full fakultetsstatus ved Illinois.

Et nytt laboratorium på Long Island

Først i 1950 fant Scharff-Goldhaber og mannen hennes sammen et ekte forskningshjem, på det nye Brookhaven nasjonale laboratorium (BNL), som var stiftet tre år tidligere. I dag, et anlegg for energidepartementet i USA, var laboratoriets opprinnelige mandat å søke fredelig bruk av atomenergi. Dens vitenskapelige innsats har siden diversifisert seg, men kjernefysikk og høyenergifysikk er fortsatt en del av forskningsaktivitetene.

Utnevnelsen hennes gjorde Scharff-Goldhaber til den første kvinnelige fysikeren ved BNL, og 15 år etter å ha oppnådd graden ble hun endelig lønnet som profesjonell forsker. Likevel opererte hun i en atmosfære som sønnen Michael beskriver som bare "motvillig akseptert". Goldhaber ble ansatt som en "senior vitenskapsmann" og drev sin egen forskningsgruppe, men Scharff-Goldhaber ble rangert som en vitenskapsmann i sin gruppe. (Goldhaber ville til slutt bli direktør for laboratoriet 1961–1973, og Scharff-Goldhaber til seniorforsker.)

Som den eneste kvinnen med profesjonell vitenskapelig status ved BNL, hadde Scharff-Goldhaber ingen kvinnelige vitenskapelige jevnaldrende. De fleste kvinnene knyttet til laboratoriet var ikke-arbeidende koner til mannlige forskere, som på 1950-tallet fylte tradisjonelle roller. Med to barn, Michael og Alfred, hadde Scharff-Goldhaber lignende ansvar; men ved sosiale arrangementer var det mer sannsynlig at hun snakket fysikk med mennene enn å diskutere barnepass med kvinnene. Innenfor dette mannlige miljøet dannet hun gode relasjoner med sine kolleger, og med støttepersonellet som produserte isotopene hun trengte for forskningen sin ved BNL-reaktoren eller Van de Graaff-akseleratoren.

Fisjon, og et fundamentalt eksperiment

Bortsett fra perioden på 1930-tallet da hun fortsatt prøvde å bli en uavhengig vitenskapsmann, opprettholdt Scharff-Goldhaber et høyt tempo med forskning og publisering, mens hun møtte familieforpliktelser. I 1936 publiserte hun "The effect of stress on the magnetization above the Curie point" fra oppgaven hennes. Hennes neste sett med papirer begynte fire år senere, da hun byttet til kjernefysikk i 1940 i Illinois, og hun skrev over et dusin til til hun var helt bosatt ved BNL. I løpet av de neste 30 årene publiserte hun rundt 60 artikler til, for det meste i Fysisk gjennomgang, og bidrag til konferansehandlinger.

Leo Szilard: fysikeren som så for seg atomvåpen, men som senere motsatte seg bruken av dem

Flere av papirene som stammer fra hennes arbeid i Illinois på 1940-tallet er spesielt bemerkelsesverdige, inkludert en som gjaldt spontan kjernefysisk fisjon. I 1938 hadde Lise Meitner og Otto Frisch funnet ut at en urankjerne bombardert med nøytroner kunne dele seg i to og frigjøre mye energi. Hvis nøytronindusert fisjon kunne gjøres selvopprettholdende, kunne det produsere et enormt destruktivt våpen. Med krig forestående undersøkte europeiske og amerikanske fysikere selvopprettholdende fisjon i håp om at nazistene ikke ville finne svaret først.

I 1942 viste Scharff-Goldhaber direkte, tilsynelatende for første gang, at uran som gjennomgikk spontan fisjon frigjorde nøytroner sammen med energi. Disse nøytronene kan aktivere flere kjerner og mer energi - en kaskadende kjedereaksjon som kan bli en atomeksplosjon. Data som disse var avgjørende for å oppnå verdens første selvopprettholdende kontrollerte atomreaksjon i 1942, da atombomben ble bygget av Manhattan-prosjektet. Scharff-Goldhaberne var ennå ikke amerikanske statsborgere og var derfor ikke en del av prosjektet, men resultatet hennes ble i all hemmelighet sirkulert til relevante forskere og ble publisert etter krigen (Phys. Rev. 70 229).

I et eget papir utgitt i 1948 (Phys. Rev. 73 1472), svarte Scharff-Goldhaberne sammen på et grunnleggende spørsmål: er betastråler nøyaktig det samme som elektroner? Elektroner ble oppdaget i 1897 i katodestråler av JJ Thomson, og var de første kjente elementærpartiklene. Noen år senere i 1899 studerte Rutherford det nye fenomenet radioaktivitet, og fant et ukjent utslipp han kalte beta-stråler. Disse viste seg å være ladede partikler med samme ladning/masseforhold e/m som elektroner og ble identifisert som sådan. Men spørsmålet gjensto: kan betastråler og elektroner være forskjellige i en annen egenskap som spinn?

Scharff-Goldhaberne testet denne hypotesen smart ved å bruke Pauli eksklusjonsprinsipp, som, skrev de, "ikke ville holde for et par partikler hvis de var forskjellige i noen egenskap overhodet". I eksperimentet deres bestrålte de en blyprøve med betastråler. Hvis disse ikke var identiske med elektroner, ville de ikke adlyde Pauli-prinsippet. Deretter ville de bli fanget opp av blyatomer, gå inn i bundne baner som allerede var fylt med elektroner, og gå over til den laveste banen, noe som førte til at røntgenstråler ble sendt ut. Hvis beta-stråler og elektroner var identiske, ville førstnevnte vært utestengt fra å gå inn i atombaner og produsere røntgenstråler. Eksperimentet oppdaget ingen røntgenstråler ved de forventede energiene, noe som bekrefter at beta-stråler er elektroner som sendes ut fra radioaktive kjerner.

Spente kjerner og "magiske" tall

Fra begynnelsen av 1950-tallet på BNL, begynte Scharff-Goldhaber det som skulle bli hennes karrierelange prosjekt: å danne et systematisk bilde av egenskapene til eksiterte kjerner over det periodiske systemet. Planen hennes om å jobbe med «lavenergi» kjernefysikk avvek fra ektemannens økende interesse for «høyenergi»-fysikk, der enorme nye partikkelakseleratorer undersøkte fundamentale partikler. Ifølge sønnen deres Michael, fratok Scharff-Goldhabers separate vei faren hennes store evner som eksperimentell. Men han legger til at "splittelsen ikke hindret familiens middagsbordsamtale fra å fokusere på kjernefysikk, akkurat som før, i stor grad til forvirring for barna". (Senere fikk han og Alfred en doktorgrad i teoretisk partikkelfysikk.)

På den tiden begynte oppførselen til den spente kjernen såvidt å bli fattet. Denne tette suppen av protoner og nøytroner kan sees på som en samling partikler bundet sammen av kjernekrefter, og danner et medium med en energi som uttrykkes i rotasjon eller vibrasjon av hele kroppen. I den såkalte "skallmodellen" ble imidlertid kjernen sett på som et kvantesystem der nukleoner okkuperer energinivåer, analogt med de diskrete nivåene eller "skallene" okkupert av elektroner i et atom. Hver tilnærming hadde suksess. Å behandle kjernen som en væske førte til en forståelse av hvordan den kunne deformeres og gjennomgå fisjon. Skallmodellen spådde at kjerner med spesifikke, eller "magi", antall protoner eller nøytroner (2, 8, 20, 28...) ville være eksepsjonelt stabile, igjen analogt med fylte elektroniske skall i atomer.

Det var imidlertid ikke klart om eksperimentet virkelig støttet skallmodellen, eller hvor hver tilnærming best kunne brukes. Scharff-Goldhabers omfattende forskning på forskjellige kjerner bidro til å løse disse problemene. Arbeidet hennes var viktig for å utvikle teorien som til slutt koblet de to tilnærmingene, noe som førte til Aage Niels Bohr, Ben Mottelson og Leo Rainwater delte 1975 Nobelprisen i fysikk.

På 1950-tallet målte Scharff-Goldhaber energien til eksiterte kjerner versus nøytrontall og viste at skallstrukturen påvirket energien, som nådde toppen ved de magiske tallene. Hun bemerket også en unormal endring i energinivået med en økning i antall nøytroner, noe hun relaterte til en endring i formen til kjernen. Senere utviklet hun sin egen "variabelt treghetsmoment” (VMI) modell, som brukte formen til kjerner for å gi ytterligere innsikt i energiene deres på tvers av det periodiske systemet.

Foruten hennes bidrag til kjernefysisk teori, hadde Scharff-Goldhabers forskning i denne epoken uvanlige trekk. Hun skrev to artikler om VMI-modellen sammen med sønnen Alfred – så vidt kjent, den eneste mor-sønn-forskningsoppgaven i fysikk (Phys. Pastor Lett. 24, 1349 ; Phys. Rev. C 17, 1171).

Hun forbedret også dataanalysen ved å utvide standard nukliddiagrammet, der hver kjerne er plassert i et todimensjonalt plott av antall protoner mot antall nøytroner. Scharff-Goldhaber limte vertikale stenger med lengde proporsjonal med den laveste eksitasjonsenergien for hver kjernefysisk art til riktig posisjon på kartet. Lenge før den rutinemessige bruken av 3D-datavisualiseringer, var dette en enorm hjelp til å oppdage viktige funksjoner som energiendringen mellom N = 88 og N = 90.

Sammen med forskningen hennes fant Scharff-Goldhaber måter å hjelpe kvinner i vitenskapen, og å bidra til vitenskapelig utdanning og det vitenskapelige samfunnet. Blant mange profesjonelle engasjementer, tjente hun i American Physical Society (APS) komiteer viet til statusen til kvinner i fysikk og til fysikkutdanning før høgskolen. Hun var også kjent for å nå ut til forskere i tidlig karriere – både menn og kvinner. En var Rosalyn Yalow, Goldhabers doktorgradsstudent ved Illinois, som delte 1977 Nobelprisen i fysiologi eller medisin for å finne opp radioimmunoanalyseteknikken. Yalow har kreditert både rådgiveren hennes og Scharff-Goldhaber "for støtte og oppmuntring". Scharff-Goldhaber utvidet også den intellektuelle atmosfæren ved BNL ved å grunnlegge Brookhaven forelesningsserie, med eminente foredragsholdere som Richard Feynman. 

Pensjonert, men forsker fortsatt

Scharff-Goldhaber hadde startet i BNL relativt sent og var klar til å fortsette forskningen i lang tid, men tidens strenge pensjoneringslover avsluttet offisielt ansettelsesforholdet hennes i 1977, 66 år gammel. I følge sønnen Michael ble pensjoneringen tvunget i en måte som han kaller "subtilt sexistisk". Ikke desto mindre jobbet hun uten lønn, samarbeidet hun med andre forskere og var medforfatter av forskningsartikler frem til 1988. Da sviktende helse begrenset aktivitetene hennes, satte hun imidlertid pris på og søkte tilfredshet med det hun fortsatt kunne gjøre, helt til hun døde i en alder av 86 år. 1998.

I 1990 bemerket en journalist som intervjuet Scharff-Goldhaber hennes "myke, men insisterende besluttsomhet" - sannsynligvis selve karaktertrekkene som gjorde henne i stand til å overvinne barrierer for en forskerkarriere. I 2016, når han ser tilbake på morens liv, beskrev Michael henne som "en person med unik egenrådighet og til og med sta, egenskaper som hun absolutt trengte ... for å forfølge en vellykket karriere i en verden som ofte ble satt mot henne".

Kanskje Scharff-Goldhaber ville være enig i disse vurderingene, men det er en annen som jeg tror gjelder. I 1972, under anmeldelse av en bok om atomenergi av Isaac Asimov, skrev Scharff-Goldhaber at fremskritt innen vitenskap, blant andre kvaliteter, er "basert på det brennende ønsket om å komme til bunns i ting". Når hun skrev disse ordene, reflekterte hun at hennes eget liv er et perfekt eksempel på den etosen?

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/exploring-the-nuclear-world-the-life-and-science-of-gertrude-scharff-goldhaber/