天文學(xué)革命發(fā)起者：薇拉·魯賓

鞠強(qiáng)

每當(dāng)夜晚降臨，仰望星空之時(shí)，你是否想過這樣一個(gè)問題——宇宙中有沒有我們永遠(yuǎn)也看不到的物質(zhì)呢？人們曾經(jīng)以為，眼睛和望遠(yuǎn)鏡看到的宇宙就是宇宙的全部，是恒星、行星這些天體的集合。直到20世紀(jì)70年代，這個(gè)想法被徹底顛覆。人類從此真正意識到，原來宇宙的大部分“內(nèi)容”都是不可見的。而這一場哥白尼式的天文學(xué)革命的發(fā)起者，正是今天故事的主人公：薇拉·魯賓（Vera Rubin）。

我能成為天文學(xué)家嗎

1928年7月23日，魯賓出生于美國賓夕法尼亞州的費(fèi)城。10歲的時(shí)候，全家搬到了華盛頓。在華盛頓的新家，她的床緊靠北邊的窗戶。就是從這個(gè)時(shí)候開始，她被夜空深深吸引，整晚躺在床上觀察星星的移動。當(dāng)有流星雨的時(shí)候，她還會把流星的軌跡都記錄下來。

魯賓的父親是一名電子工程師。雖然他對于天文學(xué)的就業(yè)前景不太看好，但仍然支持女兒的興趣，不僅幫助她制作望遠(yuǎn)鏡，還和她一起去參加業(yè)余天文學(xué)家的聚會。魯賓也會在寫英文作文的時(shí)候，選擇一個(gè)天文學(xué)話題。總之，她會抓住各種機(jī)會接觸和了解天文學(xué)。

高中畢業(yè)后，魯賓進(jìn)入瓦薩學(xué)院（Vassar College）學(xué)習(xí)。瓦薩學(xué)院是當(dāng)時(shí)為數(shù)不多的女性可以學(xué)習(xí)天文學(xué)的地方，更重要的是，這里有美國歷史上第一位女性職業(yè)天文學(xué)家，也是瓦薩學(xué)院第一位天文學(xué)教授——瑪莉亞·米歇爾。魯賓也正是得知米歇爾后，才確定天文學(xué)可以作為女性的職業(yè)。

1948年，魯賓從瓦薩學(xué)院天文學(xué)專業(yè)畢業(yè)，前往康奈爾大學(xué)攻讀碩士學(xué)位。但是，無論是在瓦薩學(xué)院還是在康奈爾大學(xué)，天文學(xué)都不是一個(gè)傳統(tǒng)優(yōu)勢學(xué)科，魯賓在學(xué)習(xí)過程中也感到自己并未真正融入天文學(xué)界。魯賓在后來回憶道，自己一生中都在試著回答這樣一個(gè)問題：我能真正成為一名天文學(xué)家嗎？

不過，魯賓在康奈爾大學(xué)還是找到了相伴她一生的研究。當(dāng)時(shí)，她與瑪莎·卡彭特一起工作?？ㄅ硖貙π窍导捌鋬?nèi)部運(yùn)動有很大的研究熱情，魯賓也受到了感染。正是在卡彭特的課上，魯賓對星系動力學(xué)產(chǎn)生了興趣，并從此作為整個(gè)職業(yè)生涯的研究方向。

1951年，魯賓在康奈爾大學(xué)獲得碩士學(xué)位時(shí)，她的丈夫羅伯特·魯賓已經(jīng)在華盛頓的應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室找到了一份工作，因此她也隨著一起去了華盛頓。在華盛頓，只有喬治城大學(xué)可以授予天文學(xué)博士學(xué)位，因此她就進(jìn)入喬治城大學(xué)攻讀博士學(xué)位。1954年，魯賓在伽莫夫的指導(dǎo)下獲得了博士學(xué)位。

暗物質(zhì)就是答案

1965年，魯賓加入了位于華盛頓的卡內(nèi)基研究所，在地磁學(xué)系獲得了一個(gè)研究職位，并與肯特·福特成為長期的合作伙伴。當(dāng)時(shí)，福特改進(jìn)出一種非常靈敏的光譜儀，由于使用了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的光電倍增管，這臺光譜儀可以幫助使用者以前所未有的精度研究星系的局部區(qū)域。有了這樣的設(shè)備，魯賓和福特要找到一個(gè)合適的研究方向。1963年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了類星體，這很快成為研究熱點(diǎn)，魯賓和福特也嘗試進(jìn)行相關(guān)研究。但是，魯賓發(fā)現(xiàn)，由于沒有望遠(yuǎn)鏡，無法獲得足夠的觀測時(shí)間，他們很難在競爭中有所突破。

大約過了一兩年，魯賓意識到，這種競爭不是她想要的研究方式。她希望選擇一個(gè)感興趣的領(lǐng)域，但又不是那么熱門，不會有很多人關(guān)注，這樣她就可以在取得成果之前安心于自己的研究而不被打擾。于是，20世紀(jì)60年代末和70年代初，她嘗試去觀測仙女座星系（Andromeda Galaxy，代號M31），重新回到星系動力學(xué)研究中。

魯賓和福特使用光譜儀去研究位于螺旋星系不同部分的恒星的光譜。星系盤上的恒星大概在繞中心的圓形軌道上運(yùn)行。在觀測開始的時(shí)候，他們預(yù)計(jì)會觀察到星系的運(yùn)動和太陽系類似：由于星系的質(zhì)量大部分都集中在星系中心，而這些質(zhì)量產(chǎn)生的引力決定了旋轉(zhuǎn)的速度，因此靠近星系中心的恒星運(yùn)動得快，遠(yuǎn)離星系中心的恒星運(yùn)動得慢。然而，根據(jù)觀測繪制的旋轉(zhuǎn)曲線大大出乎他們的意料。他們發(fā)現(xiàn)，星系中從里到外的恒星的旋轉(zhuǎn)速度幾乎相同。他們又觀測了其他的星系，發(fā)現(xiàn)它們的旋轉(zhuǎn)曲線沒有什么區(qū)別。他們?yōu)榇烁械秸痼@，但并不明白平坦的曲線究竟意味著什么。

魯賓花了很長時(shí)間去理解這些旋轉(zhuǎn)曲線的含義。直到有一天，她在紙上畫了一些草圖，然后突然間就明白了：如果星系外圍存在大量不可見的物質(zhì)，即有一個(gè)暗物質(zhì)暈的話，那么星系的質(zhì)量就會在星系中各處分布，而不是集中在星系的中央，因此引力所決定的旋轉(zhuǎn)速度也會各處大致相同。

暗物質(zhì)這個(gè)概念并非最早由魯賓提出。1933年，瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基在分析后發(fā)座星系團(tuán)的星系的多普勒速度時(shí)就發(fā)現(xiàn)，星系團(tuán)內(nèi)的星系移動速度太快，可見物質(zhì)產(chǎn)生的引力不足以把這些星系束縛在一起。既然星系團(tuán)沒有表現(xiàn)出分崩離析的跡象，那么一定存在不可見的物質(zhì)——暗物質(zhì)，把星系團(tuán)束縛在一起。但是，當(dāng)時(shí)根本沒人在意茲威基的結(jié)論，他的發(fā)現(xiàn)被束之高閣。

1975年，魯賓在美國天文學(xué)會的一次會議上宣布螺旋星系中的大部分恒星以大致相同的速度繞星系中心旋轉(zhuǎn)。這個(gè)結(jié)果暗示，要么牛頓引力定律在宇宙各處中并非普遍適用，要么就是存在她推測的暗物質(zhì)暈，提供支持外圍恒星高速運(yùn)動所需的引力。既然找不到修正牛頓引力定律的理由，那就只有暗物質(zhì)這一個(gè)選項(xiàng)。

雖然目前天文學(xué)家仍然沒有直接捕捉到暗物質(zhì)，因此也不清楚暗物質(zhì)究竟是什么，是一種粒子還是多種粒子，抑或是其他未知的作用機(jī)制，但是除了星系動力學(xué)外，包括宇宙微波背景輻射和引力透鏡在內(nèi)的其他天文觀測也都支持暗物質(zhì)的存在。在接下來的數(shù)十年里，大量的觀測證據(jù)都支持魯賓的結(jié)論。

根據(jù)目前的觀測，宇宙中可見的普通物質(zhì)只占大約5%，另外有26%的暗物質(zhì)和69%的暗能量。在宇宙演化的過程中，這一比例也在發(fā)生變化。暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)徹底改變了人類對宇宙的認(rèn)識。暗物質(zhì)被嵌入到宇宙演化的模型中，成為組成星系的重要成分。人們終于意識到，如果沒有暗物質(zhì)的束縛，也許銀河系早就分崩離析，也許人類根本沒有機(jī)會仰望星空。

與性別歧視抗?fàn)?/p>

和很多同時(shí)代的女性科學(xué)家一樣，魯賓從開始讀書的時(shí)候就不得不去面對不公和輕視，而她卻始終沒有因此屈服。在她高中畢業(yè)的時(shí)候，她告訴物理老師，自己拿到獎(jiǎng)學(xué)金可以去瓦薩學(xué)院讀書。物理老師只是說：“只要你遠(yuǎn)離科學(xué)，你就能做得很好。”幸運(yùn)的是，魯賓并沒有聽從他的建議。

魯賓在研究生生涯的初期，曾經(jīng)有一次前往位于加州的帕洛瑪天文臺訪問，她是最早被允許進(jìn)入這座天文臺的女性之一。但是她發(fā)現(xiàn)，那里并沒有女洗手間。于是，魯賓去自己的房間，用紙剪出一個(gè)裙子的圖案，然后把它貼到了洗手間的門上。她告訴同行的普林斯頓大學(xué)的天文學(xué)家妮塔·巴科爾：“這邊請，現(xiàn)在你有女洗手間了?！卑涂茽柣貞浾f：“魯賓就是這樣的人?！?/p>

雖然一直致力于為女性、特別是天文學(xué)界的女性爭取權(quán)利，但魯賓也有感到疲憊的時(shí)候。她的女兒也是一位天文學(xué)家，有一次去日本開會，回來告訴魯賓說，會上只有她一位女性。魯賓因此感到有些沮喪，因?yàn)閺乃剿畠海^了整整一代的時(shí)間，情形似乎并沒有什么大的變化。

數(shù)據(jù)比名望更重要

魯賓一生獲得了很多榮譽(yù)。1996年，她獲得皇家天文學(xué)會金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)?，是歷史上第二位獲得這一榮譽(yù)的女性天文學(xué)家，而此時(shí)距離上一位女性天文學(xué)家獲獎(jiǎng)已經(jīng)過去了168年。第5726號小行星以魯賓的名字命名，火星上也有以她的名字命名的地貌。但在眾多榮譽(yù)中，卻不包括諾貝爾獎(jiǎng)。盡管很多人認(rèn)為她對暗物質(zhì)的開創(chuàng)性研究足以獲獎(jiǎng)，并且生前也是獲得諾貝爾獎(jiǎng)最有力的女性候選者。但就像其他很多杰出的科學(xué)家一樣，魯賓的工作不必一定要用一個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)來衡量?；蛟S正如華盛頓大學(xué)的天文學(xué)家埃米莉·勒斯克所說，未曾獲得諾貝爾獎(jiǎng)不會有損魯賓的成就，卻是諾貝爾獎(jiǎng)的遺憾，因?yàn)樗鼤肋h(yuǎn)缺少對如此杰出的成就的認(rèn)可。

1990年，魯賓曾說道：“名望轉(zhuǎn)瞬即逝，對我來說，我的數(shù)據(jù)比我的名字更重要。如果天文學(xué)家在接下來的一些年里繼續(xù)使用我的數(shù)據(jù)，那就是對我最大的褒獎(jiǎng)?！濒斮e的4個(gè)孩子全部擁有博士學(xué)位，除了女兒成為天文學(xué)家外，還有2個(gè)成為地質(zhì)學(xué)家，1個(gè)成為數(shù)學(xué)家。他們認(rèn)為，是母親讓科學(xué)看起來充滿樂趣而令人向往，這也激勵(lì)了他們投身科學(xué)。

2016年12月25日，魯賓逝世于美國新澤西州普林斯頓，享年88歲。她曾經(jīng)說過：“在我的生命里，沒有什么事情能和每晚注視夜空一樣有趣?！奔词箾]有獲得諾貝爾獎(jiǎng)，魯賓仍然是一個(gè)非常幸運(yùn)的人，因?yàn)樗囊簧汲两谧约簱磹鄣呐d趣之中，正如她所希望的一樣。她化作永恒的星光，照亮了充滿暗物質(zhì)的宇宙。