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女性科學家專欄 #018

莉澤·邁特納

核裂變的發現者,拒絕將科學化為毀滅武器的物理學先驅

在二十世紀物理學史上,「核裂變」的發現徹底改變了人類理解物質與能量的方式。它開啟了核能時代,也讓世界第一次真正看見原子核內部所蘊藏的驚人力量。而在這項重大發現背後,有一位女性物理學家扮演了不可取代的關鍵角色,她就是奧地利裔瑞典物理學家——莉澤·邁特納(Lise Meitner,1878-1968)。

她被愛因斯坦稱為「我們的居禮夫人」,不僅因為她對放射性與核物理的深刻貢獻,更因為她在性別歧視、戰爭迫害與學術不公之中,依然堅持科學良知與人道信念。她的一生是一部科學突破史,也是一段關於勇氣、流亡、榮耀與遺憾的故事。

莉澤·邁特納
莉澤·邁特納(Lise Meitner)。她以敏銳的物理直覺與嚴謹計算,首次從理論上解釋了鈾原子核分裂所釋放的巨大能量。

突破女性求學限制的維也納女孩

莉澤出生於奧地利維也納的一個猶太家庭。在她成長的年代,女性接受高等教育並不是理所當然的事。當時奧地利的女性很難進入大學學習自然科學,更別說在物理學這個男性主導的領域取得正式地位。然而,莉澤對數學與物理有著強烈的熱情,她靠著自學準備考試,最終進入維也納大學,師從著名物理學家路德維希·波茲曼(Ludwig Boltzmann)。

波茲曼的教學深深影響了她。他不只教她公式與理論,更教她相信自然界背後存在可以被理解的秩序。1906 年,莉澤成為維也納大學第二位取得物理學博士學位的女性。對當時的歐洲科學界而言,這是一項極不尋常的成就。

柏林地下室裡的放射性研究

博士畢業後,莉澤前往柏林,想跟隨量子論先驅馬克斯·普朗克(Max Planck)學習。起初,普朗克並不贊成女性進入學術研究,但莉澤的才華與毅力最終讓他改變了看法。她也在柏林遇見了化學家奧托·哈恩(Otto Hahn),兩人展開了長達三十年的合作。

然而,當時的研究所並不允許女性進入正式實驗室。莉澤只能在地下室裡一間由木工房改建的小房間工作,甚至不能使用正門進出。即使如此,她仍與哈恩共同研究放射性元素,並發現了新元素「鏷」(Protactinium)的同位素。她擅長從物理理論解釋實驗現象,而哈恩則長於化學分離與實驗操作,兩人的合作成為早期核物理史上最重要的組合之一。

逃離納粹:被迫中斷的科學人生

1930 年代,納粹勢力迅速崛起。身為猶太裔的莉澤即使已改宗新教,仍無法逃過種族迫害。1938 年,德國併吞奧地利後,她的處境變得極度危險。多年建立的學術地位、研究工作與生活都在一夕之間崩塌。

在朋友的協助下,她只帶著少量行李,搭上火車逃離德國,輾轉抵達瑞典。這場逃亡使她失去了實驗室、職位與安全感,但她並沒有失去科學判斷力。即使身在異鄉,她仍與柏林的哈恩保持通信,繼續討論他們共同進行的鈾元素轟擊實驗。

雪地中的頓悟:核裂變的真正解釋

1938 年底,哈恩與弗里茲·施特拉斯曼(Fritz Strassmann)用中子轟擊鈾原子核,竟然在產物中發現了「鋇」這種質量遠比鈾小得多的元素。從化學角度來看,實驗結果相當明確;但從物理角度來看,這幾乎令人難以置信:一個龐大的鈾原子核,怎麼可能裂成兩個較小的原子核?

哈恩將結果寫信告訴流亡瑞典的莉澤。聖誕假期期間,莉澤與外甥奧托·羅伯特·弗里施(Otto Robert Frisch)在雪地中散步討論這個問題。她想起波耳提出的「液滴模型」:原子核可以被想像成一滴帶電液體。當中子撞擊鈾原子核時,這滴「核液滴」會被拉長、變形,最後分裂成兩個較小的原子核。

更關鍵的是,莉澤立刻用愛因斯坦的質能關係式 $$E=mc^2$$ 估算能量。她發現,分裂前後消失的極微小質量,會轉化為約 2 億電子伏特的巨大能量。這個數字完美解釋了核裂變為何如此驚人。她與弗里施因此提出「核裂變」(nuclear fission)這個名稱,借用了生物學中細胞分裂的概念,讓科學界第一次真正理解這項現象的物理本質。

被遺漏的諾貝爾獎

1944 年,諾貝爾化學獎頒給了奧托·哈恩,表彰他發現重原子核裂變。然而,提供關鍵理論解釋、長期共同設計研究方向,並將實驗結果轉化為物理意義的莉澤·邁特納,卻沒有被列入得獎名單。這成為科學史上最著名的諾貝爾獎遺珠之一。

造成這個結果的原因相當複雜:她當時因納粹迫害被迫流亡,遠離德國科學核心;諾貝爾委員會低估了理論物理解釋在核裂變發現中的重要性;再加上當時學術界普遍存在對女性科學家的偏見,使她的貢獻被嚴重淡化。即使她一生多次被提名諾貝爾獎,最終仍未獲獎。

拒絕原子彈:科學家的良知

核裂變的發現很快被軍事化,最終導向曼哈頓計畫與原子彈的誕生。美國曾邀請莉澤參與原子彈研發,但她堅決拒絕,並說出著名的一句話:「我絕不會與炸彈有任何關係!」

戰後,媒體曾稱她為「原子彈之母」,但這個稱號讓她非常反感。她從未參與武器研發,也不願意自己的科學發現被簡化為毀滅性的軍事技術。對她而言,科學應該拓展人類對自然的理解,而不是成為毀滅生命的工具。

雖然諾貝爾獎沒有給她應有的肯定,但後世逐漸重新評價她的地位。1997 年,第 109 號元素被正式命名為「䥑」(Meitnerium, Mt),以紀念她對核物理的卓越貢獻。她的名字因此被永遠刻在元素週期表中,成為科學史上不會熄滅的光。

「我絕不會與炸彈有任何關係。科學應該使人類更理解世界,而不是更擅長毀滅世界。」 —— 莉澤·邁特納
深入了解莉澤·邁特納
Q:什麼是核裂變?
A:核裂變是指重原子核,例如鈾原子核,在吸收中子後分裂成兩個較小的原子核,同時釋放中子與巨大能量的過程。核能發電與核武器都與這個現象有關,但兩者的目的與控制方式完全不同。
Q:莉澤·邁特納在核裂變發現中扮演什麼角色?
A:哈恩與施特拉斯曼完成了關鍵化學實驗,證明鈾被中子轟擊後產生鋇;但真正解釋「為什麼鈾原子核會裂開」以及「為什麼會釋放巨大能量」的人,是莉澤·邁特納與她的外甥弗里施。她的理論分析讓核裂變成為可理解的物理現象。
Q:為什麼她沒有獲得諾貝爾獎?
A:1944 年諾貝爾化學獎只頒給奧托·哈恩。莉澤被排除的原因包含:她因納粹迫害流亡瑞典、委員會低估理論物理的貢獻、學術界性別偏見,以及戰時資訊流通不完整。今日許多科學史家都認為這是諾貝爾獎史上的重大遺憾。
Q:她是否參與原子彈製造?
A:沒有。她明確拒絕參與曼哈頓計畫,也反對將核裂變發現用於製造大規模毀滅性武器。她常被誤稱為「原子彈之母」,但她本人非常不認同這個稱呼。
Q:第 109 號元素「䥑」為什麼以她命名?
A:第 109 號元素 Meitnerium,中文作「䥑」,是為了紀念莉澤·邁特納對核物理與核裂變研究的重大貢獻。能被用來命名元素,是科學界極高的榮譽,也象徵後世對她歷史地位的重新肯定。
Q:她與奧托·哈恩的關係如何?
A:兩人是長期合作夥伴,合作時間超過三十年。哈恩擅長化學分離,邁特納擅長物理分析,兩人的專長互補。然而在諾貝爾獎事件後,哈恩未充分公開承認她的核心貢獻,也使這段科學友誼留下複雜的歷史陰影。