現(xiàn)代宇宙學(xué)之母：出身貧苦的聾女，用燭火照亮宇宙

王爽

1920年，美國政府在馬薩諸塞州的劍橋郡搞了一次人口普查。一個人口普查員走進(jìn)了一個比較貧窮的社區(qū)，然后挨家挨戶調(diào)查這里住了多少人，以及這些人都從事什么職業(yè)。

他敲開了社區(qū)中一戶人家的房門，看到了一對相依為命的母女。那個女兒是一個聾女，費了好大勁才搞清楚這個人口普查員的來意。當(dāng)被問到自己職業(yè)的時候，她的回答是“科學(xué)家”。

這個普查員當(dāng)時就笑場了。在20世紀(jì)初的美國，科學(xué)家是男性的專屬領(lǐng)地，幾乎沒有女性可以拿到博士學(xué)位。所以他根本無法相信，一個住在貧窮社區(qū)的聾女竟然能當(dāng)科學(xué)家。

她叫亨麗愛塔·勒維特，現(xiàn)代宇宙學(xué)之母。她是歷史上唯一一個能被稱為某個大學(xué)科之母的人。

1868年，勒維特出生在美國馬薩諸塞州的一個牧師家庭。20歲那年，她通過了嚴(yán)苛的考試，考入了拉德克利夫女子學(xué)院（著名的七姐妹學(xué)院之一，后來被哈佛大學(xué)合并）。1892年，勒維特順利畢業(yè)，拿到了自己的學(xué)士學(xué)位。隨后按照當(dāng)時的傳統(tǒng)，她坐船到了歐洲，開始了自己的畢業(yè)旅行。

但天有不測風(fēng)云。在這場旅行中，一場突如其來的大病損壞了她的視力和聽力。雖然她的視力后來得到了好轉(zhuǎn)，但是她的聽力卻每況愈下，直至最終失聰。在此后近30年的時間里，她一直都處于病魔纏身的狀態(tài)。

旅行歸來后，勒維特決定繼續(xù)攻讀天文學(xué)碩士學(xué)位。她于1893年加入了愛德華·皮克林掌管的哈佛大學(xué)天文臺，成為一名“哈佛計算員”。

但不幸的是，勒維特的健康狀況嚴(yán)重拖累了她的學(xué)業(yè)。由于體弱多病，勒維特隔三岔五就得請病假，這讓她的科研工作變得支離破碎。當(dāng)然，這也讓她的導(dǎo)師皮克林相當(dāng)不滿。

1896年，勒維特意識到自己已經(jīng)不可能完成學(xué)業(yè)，無奈之下，她選擇了放棄，離開了哈佛大學(xué)天文臺，這一走就是6年。

6年后，也就是1902年，勒維特給皮克林寫了一封信。在信中，勒維特提到由于聽力障礙，她已經(jīng)無法再勝任其他工作，因此想申請重回哈佛天文臺。皮克林同意了。但這回，皮克林學(xué)聰明了，沒讓勒維特參與天文臺最重要的恒星分類工作，而派她一個人去研究造父變星。此后發(fā)生的事，傳奇程度堪比摩西用手杖分開紅海。

從1904年開始，勒維特就以驚人的速度在麥哲倫云中不斷找到新的造父變星。她找得實在太快，以至于有天文學(xué)家專門致信皮克林：“勒維特小姐是尋找變星的高手。我們甚至來不及記錄她的新發(fā)現(xiàn)?！?/p>

1908年，勒維特在《哈佛天文臺年鑒》上發(fā)表了一篇論文，宣布自己在麥哲倫云中總共找到了1777顆造父變星（在此前的100多年的時間里，人們找到的造父變星的總數(shù)只有區(qū)區(qū)幾十顆）。這個驚人的數(shù)字立刻在天文學(xué)界引起了轟動，甚至得到了著名的《華盛頓郵報》的報道。

但這個引起轟動的發(fā)現(xiàn)造父變星的數(shù)字，與這篇論文中最有價值的部分相比，根本不值一提。

在這篇論文的結(jié)尾，勒維特挑選了16顆位于小麥哲倫云中的造父變星，在一張表格里列出了它們的光變周期（完成一輪明暗交替的時間）和視星等。對于這張表格，她留下了一句這樣的評論：“這值得關(guān)注，變星越亮則其光變周期就越長?！?/p>

4年后，也就是1912年，勒維特對這個結(jié)論進(jìn)行了完善。她挑選了25顆位于小麥哲倫云中的造父變星，把它們畫在了一張以亮度為X軸，以光變周期為Y軸的圖上。結(jié)果，這25顆造父變星恰好排成了一條直線。勒維特?fù)?jù)此斷言，“造父變星的亮度與其光變周期成正比”。

為了理解這句看似平淡無奇的話在天文史上的分量，你可以想象一片被冰封了不知多少歲月的荒原，由于這句蘊含著巨大魔力的咒語，在眨眼之間就綻放出數(shù)以億計的美麗花朵。

這句話后來被稱為勒維特定律。正是這個石破天驚的勒維特定律，開啟了現(xiàn)代宇宙學(xué)的大門。

你可能會覺得有些不知所云了：“為什么如此簡單的定律能開創(chuàng)一個全新的學(xué)科呢？”答案是，它提供了一種全新的距離測量的方法，那就是著名的標(biāo)準(zhǔn)燭光。

為了介紹用標(biāo)準(zhǔn)燭光測量距離的基本原理，讓我們從一個在日常生活中頗為常見的現(xiàn)象說起。一根蠟燭，放在近處看就亮，放在遠(yuǎn)處看就暗。這是因為，我們所看到蠟燭的亮度取決于由蠟燭發(fā)出并射入我們眼中的光子數(shù)目。射入的光子數(shù)越多，蠟燭看起來就越亮；反之，蠟燭看起來就越暗。

一根絕對亮度保持不變的蠟燭，它所發(fā)出的光子總數(shù)也保持不變。這些光子會呈球形向外擴(kuò)散。所以在某個地方，單位面積上接收到的光子數(shù)，與此處離蠟燭的距離的平方成反比。這意味著，我們在某個地方看到的蠟燭的視亮度，與此處離蠟燭的距離的平方成反比。舉個例子，如果距離擴(kuò)大4倍，蠟燭的視亮度就會減小到原來的1/16。

這樣一來，我們就可以利用蠟燭測量距離了：首先，在一個距離比較近的地方放一根蠟燭，并測量它的距離和視亮度。然后，在一個距離特別遠(yuǎn)的地方放另一根絕對亮度相同的蠟燭，并測量其視亮度。最后，利用視亮度與距離平方成反比的關(guān)系，就能算出那個特別遠(yuǎn)的距離了。

用蠟燭丈量宇宙這個用蠟燭測量距離的原理，在天上同樣適用。為此，需要在天上找到一種特殊的天體，能同時滿足以下兩個條件：

①它特別明亮，即使相距甚遠(yuǎn)也能看到；

②它的光學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，絕對亮度固定不變。如果能找到這樣的天體，我們就可以把它當(dāng)成蠟燭，來測量宇宙學(xué)尺度的距離。這種能當(dāng)蠟燭用的特殊天體，就是所謂的標(biāo)準(zhǔn)燭光。

知道了標(biāo)準(zhǔn)燭光的概念，下面我們就可以來講講勒維特定律的意義所在了。由于勒維特挑選的那些造父變星全都位于小麥哲倫云內(nèi)，可以近似認(rèn)為它們與地球的距離都相等。因此，只要它們的視亮度相等，它們的絕對亮度就一定相等。

勒維特定律說的是，造父變星的絕對亮度與其光變周期成正比。這意味著，只要選擇光變周期完全相同的造父變星，就能得到一批絕對亮度完全相同的天體。

所以勒維特定律意味著，造父變星滿足標(biāo)準(zhǔn)燭光的兩大條件，是一種真正意義上的標(biāo)準(zhǔn)燭光。這也是人類歷史上發(fā)現(xiàn)的第一種標(biāo)準(zhǔn)燭光。

標(biāo)準(zhǔn)燭光的發(fā)現(xiàn)，提供了一種全新的測量遙遠(yuǎn)宇宙學(xué)距離的方法?；蛟S你依然有疑問：“為什么一種新距離測量方法的發(fā)現(xiàn)，就能開創(chuàng)現(xiàn)代宇宙學(xué)這門全新的學(xué)科？”事實上，正是這個發(fā)現(xiàn)，動搖了哥白尼日心說。

關(guān)于勒維特，讓我們再多說幾句。非常悲哀的是，勒維特的故事并沒有一個圓滿的結(jié)局。

發(fā)現(xiàn)造父變星是標(biāo)準(zhǔn)燭光后不久，勒維特就因為胃部手術(shù)而再次離職。等她回來的時候，皮克林已經(jīng)給她安排了一份新工作：測量北極星序，即分析北極星附近的96顆恒星的光譜。這是皮克林多年來最中意也最想完成的課題。

對一個管理者來說，派自己手下最有能力的員工去應(yīng)付自己覺得最艱巨的挑戰(zhàn)，是一件再合理不過的事情。但對勒維特這種級別的天文學(xué)家而言，這個安排可謂荒謬透頂，相當(dāng)于強迫正值當(dāng)打之年的邁克爾·喬丹放棄自己的籃球生涯，去參加一個不入流的棒球聯(lián)賽。更殘酷的是，身在屋檐下的勒維特根本沒有選擇的權(quán)力。從那以后，她就再也沒能回到標(biāo)準(zhǔn)燭光的研究。

而皮克林這個自私的決定，也讓全世界關(guān)于變星的研究倒退了好幾十年。

諷刺的是，盡管憑一己之力開創(chuàng)了一門后來養(yǎng)活了成千上萬名博士的全新學(xué)科，勒維特本人卻沒能拿到一張博士文憑。很多年后，她依然是一個薪水只有男人一半的哈佛計算員。

1921年，一直與母親相依為命的勒維特又病了。這回是無藥可救的癌癥。當(dāng)年12月12日，她在一個雨夜中離去。在遺囑中，她把自己所有的財產(chǎn)都留給了自己的母親。這些遺產(chǎn)價值總計315美元，只夠買8條地毯。

這是標(biāo)準(zhǔn)燭光的發(fā)現(xiàn)者、哥白尼日心說的掘墓人、現(xiàn)代宇宙學(xué)之母、一位偉大的女科學(xué)家最后的結(jié)局。盡管病痛、失聰、貧窮、孤獨、被擺布、被輕視、被遺忘，她依然是照亮整個宇宙的永世不滅的燭火。

（趙澤浦摘自“原點閱讀”微信公眾號）