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幫助作者：王爽 中山大學物理與天文學院研究員，科普作家
編輯：婉珺
引言相信很多人都知道，16世紀40年代，哥白尼提出了著名的日心說，從而一舉推翻了統治學術界長達1400年的地心說。但要是再追問一句：“那又是誰推翻了日心說呢？”恐怕就沒有多少人能說出個所以然了。
事實上，日心說也屹立了200多年之久，直到1912年，才有人敲響它的喪鐘。此人名叫 亨麗愛塔·勒維特 。下面，我就來講講這位一生多災多難的女天文學家的故事。
（亨麗愛塔•勒維特（1868-1921）。圖片來源：Wikipedia）
災難降臨
1868年，勒維特出生在美國馬薩諸塞州的蘭開斯特市，是一個受人尊敬的牧師的女兒。20歲那年，她通過了嚴苛的考試，考入了拉德克利夫女子學院。這個女子學院后來被哈佛大學合并，所以勒維特就陰差陽錯地成了哈佛大學的學生。
1892年，勒維特順利畢業，并獲得哈佛大學的學士學位。隨后，她坐船到了歐洲，開始了自己的畢業旅行。但天有不測風云。就是在這場旅行中，災難降臨，一場突如其來的大病嚴重損壞了她的聽力。后來，她的聽力每況愈下，最終徹底失聰。在此后近30年的時間里，她也一直處于病魔纏身的狀態。
發配邊疆
1893年，為了獲得一個天文學的碩士學位，勒維特加入了哈佛大學天文臺，成了一名 “哈佛計算員” （這是整個科學史上最傳奇的一群女性，只用了短短幾十年的時間，就把原本名不見經傳的哈佛大學天文臺直接推上了國際天文學界的巔峰。她們的故事見https://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404253748363975775）。
（哈佛計算員們工作的照片。圖片來源：公有領域）
但由于體弱多病，勒維特隔三岔五就要請假回家修養，她的研究工作也因此變得支離破碎。1896年，意識到自己不可能完成學業的勒維特選擇了放棄。她離開了哈佛大學天文臺，一走就是6年。
6年后，勒維特寫信給哈佛大學天文臺臺長愛德華·皮克林，對自己沒能完成學業表示歉意。在信中，勒維特提到自己的聽力障礙讓她無法再勝任其他的工作，因此想重新申請哈佛計算員的職位。皮克林同意了，并為她開出了每小時30美分的薪水。
但這回，皮克林學聰明了，沒讓勒維特參與最重要的恒星分類的工作，而是派她一個人去研究 造父變星 。所謂的造父變星，是一種亮度會發生周期性變化的天體；最亮的時候，造父變星至少比太陽亮好幾千倍。
（哈勃太空望遠鏡拍攝的一顆變星，它強烈閃光照耀在周圍星云上形成了光環。圖片來源：spacetelescope.org。）
要知道，在20世紀初，人類連天上恒星能分成哪些種類都搞不清楚。所以派一個人單槍匹馬地研究比恒星更為復雜的變星，無異于是發配邊疆。
讓我們先暫停一下這部關于勒維特的電影，換位思考一下她重返哈佛大學天文臺時的處境。 失聰，病魔纏身，迫于生計不得不回到自己失去碩士學位的傷心地，然后被不待見自己的老板孤零零地發配到了一個以前根本沒人踏足過的蠻荒之地。
這是我們與平凡的亨麗愛塔·勒維特的最后一面。因為此后的她，如同天神下凡。
石破天驚從1904年春天開始，勒維特不斷在麥哲倫星云中找到新的造父變星。1908年，她在《哈佛天文臺年鑒》上發表了一篇論文，宣布自己在麥哲倫星云中總共找到了 1777顆造父變星 。這個驚人的成果得到了著名的《華盛頓郵報》的報道。但與她后來的發現相比，完全不值一提。
（勒維特于1908年發表的論文的首頁。圖片來源：公有領域）
1912年，勒維特又發表了一篇論文。她挑選出了觀測精度最高的25顆造父變星，并把它們畫在同一張圖上，來分析這些變星的最大亮度（即星等）和完成一輪循環所花時間（即光變周期）之間的關聯。作為結論，勒維特寫了一句話： “造父變星的絕對星等與它們的光變周期成正比。”
為了理解這句看似輕描淡寫的話的分量，你不妨想象一個死氣沉沉、被冰封了不知多少歲月的荒原。由于有人說出了這句充滿魔力的咒語，原本毫無生機的荒原，突然在轉瞬之間就綻放出數以千億計的美麗花朵。
這句話后來被稱為 勒維特定律 。一門全新的學科，觀測宇宙學，就此誕生。
讀到這里，相信很多讀者都會感到不知所云：“不過是一個平平無奇的定律，怎么可能創造出一個全新的學科？”沒關系。下面我就來為你科普一下，為什么勒維特定律會有如此之大的魔力。
標準燭光讓我們從引言提到的日心說談起。不妨換個問法：“到底有什么辦法能證明日心說的錯誤呢？”答案是 距離測量 。
道理非常簡單。如果我們能精確測出宇宙中各個方向的所有天體與地球之間的距離（等效于與太陽之間的距離），就可以判斷出太陽是否位于宇宙的中心了。
最早做這個嘗試的人是英國大天文學家威廉•赫歇爾。1785年，威廉•赫歇爾測量了大量的恒星與太陽之間的距離，然后描繪了宇宙（其實是銀河系）的結構。正如下圖所示，他認為太陽大致處于宇宙的中心。
（銀河系結構。圖片來 源：wikimedia）
1906年，荷蘭天文學家雅各布斯·卡普坦主持了一個更為細致的大型聯合觀測。他在天空中均勻、隨機地選出206個區域，然后讓世界各地的多個天文臺分工協作進行距離測量。最后的測量結果表明，宇宙（即銀河系）是一個宛如透鏡的圓盤，直徑為40000光年，厚度為10000光年，而太陽大致位于正中心。這就是所謂的 卡普坦宇宙 。
以今天的眼光來看，這兩個研究當然都大錯特錯。
為什么赫歇爾和卡普坦這樣的大天文學家會犯下如此嚴重的錯誤呢？答案是，當時他們還只會利用 三角視差法 來測量遙遠天體與地球之間的距離
（https://weibo.com/6327054758/FhtdnC2th）。但事實上，三角視差法的測量精度很有限，只能用來測量離我們比較近的天體。
所以最核心的問題是，有沒有一種方法，能精確測量我們與遙遠天體的距離？
然后，勒維特就閃亮登場了。她的研究為人類指明了一種測量距離的突破性的方法，那就是 標準燭光 。
下圖就展現了標準燭光的基本原理。眾所周知，一根蠟燭，放在近處看就亮，放在遠處看就暗。這是由于，我們所看到蠟燭的亮度（即可視亮度）取決于由蠟燭發出并射入我們眼中的光子數目。射入的光子數越多，蠟燭看起來就越亮；反之，就看起來就越暗。而一根自身亮度（即絕對亮度）保持不變的蠟燭，它發出的光子總數也保持不變。這些光子會呈球形向外擴散。因此在某個地方，單位面積上接收到的光子數與此地離蠟燭距離的平方成反比。這意味著，我們在某個地方看到的蠟燭的可視亮度與相應的距離的平方成反比。舉個例子，如果距離擴大4倍，蠟燭的可視亮度就會減小到只有原來的1/16。
（標準燭光法測距的示意圖。圖片來源：hyperphysics.phy-astr.gsu.edu，漢化：婉珺）
這樣一來我們就可以利用蠟燭來進行距離測量了。首先，在一個距離已知的近處，測量一根蠟燭的可視亮度。然后，把與它絕對亮度相同的另一根蠟燭拿到遠處，測量它在遠處的可視亮度。最后，利用可視亮度與距離平方成反比的關系，算出遠處的距離。
現在讓我們來開一下腦洞。我們要在天上找一種特殊的天體，它要同時滿足以下兩個條件：（1）特別亮，即使相距非常遙遠也能看到；（2）光學性質穩定，其絕對亮度固定不變。事實上，第二個條件很難滿足。但只要能找到這樣的天體，我們就可以把它當作蠟燭來測量宇宙學的距離。這種特殊的天體就是標準燭光。
知道了標準燭光的概念，現在我們可以來解讀一下勒維特定律了。由于勒維特發現的造父變星全都位于麥哲倫星云，可以用近似地認為它們與地球的距離都相等。
勒維特定律說的是，造父變星的絕對星等與它們的光變周期成正比。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。換言之， 勒維特發現造父變星就是一種真正意義上的標準燭光。這也是人類歷史上發現的第一種標準燭光。
后來，正是利用勒維特發現的造父變星標準燭光，哈羅·沙普利于20世紀10年代末發現太陽并非位于宇宙（其實是銀河系）的中心，而愛德溫·哈勃于20世紀20年代初發現銀河系并不是宇宙的全部。人類就此邁入現代宇宙學的時代。
由于發現標準燭光進而開啟現代宇宙學時代的豐功偉績，勒維特得到了一個極為榮耀的名號： 觀測宇宙學之母 。
默默無聞
悲哀的是，勒維特的故事并沒有一個圓滿的結局。
發現標準燭光后不久，勒維特因胃部手術而再次離職。等她回來的時候，皮克林已經為她安排了新的工作，那就是所謂的北極星序（即測量和分析北極星附近的96顆恒星的光譜）。對皮克林而言，這是他多年來最鐘意、也最希望能完成的課題。
從管理者的角度出發，這么做很合理： 派最有能力的員工去面對最艱巨的挑戰，是一件再正常不過的事。 但對勒維特而言，此安排的荒謬程度不亞于強迫一個正值當打之年的世界杯冠軍隊球星去某個不知名的業余聯賽效力。更要命的是，勒維特根本就沒有任何選擇。從那以后，她就再沒能回去做任何關于標準燭光的研究。
多年后，創造了無數歷史的（哈佛大學歷史上的第一個女博士、第一個女教授、第一個女系主任）著名天文學家塞西莉亞·佩恩曾為勒維特鳴不平，認為正是皮克林自私而無情的決定害死了勒維特，并讓關于變星的研究倒退了好幾十年。
盡管發現了標準燭光并開創了一門新的學科，勒維特卻沒能獲得任何實質性的好處： 沒有學術界的嘉獎，沒有教授的職位，甚至沒有博士的文憑 。很多年后，她依然是一個被當成是苦力、薪水只有男人一半的哈佛計算員。
1921年，勒維特再次病倒，這回是無藥可救的癌癥。同年12月12日，她在一個雨夜中離去。她把自己所有的財產都留給了母親。這些財產總共值315美元，大概只夠買七八條普通地毯。
去世后，勒維特被葬在了自己家族的墓地。事實上，她甚至沒法擁有一個自己單獨的墓碑，而被迫和十幾個親戚擠在一起。墓碑很小，沒刻上她的著名公式，只是草草地記錄了她的姓名、生日和忌日。
（勒維特家族的墓碑，在這一面記錄的三位已逝者中，最下面的一位是亨麗愛塔·勒維特。圖片來源：ArnoldReinhold｜Wikipedia）
這就是標準燭光的發現者、日心說的掘墓人、觀測宇宙學之母、有史以來最偉大的女科學家最后的結局。
后記今天是亨麗愛塔·勒維特誕辰150周年的紀念日 。在經歷了異常喧囂的100年的歲月，這個名字恐怕已經快被世人遺忘在風里。
但我還是為她寫了這篇悼文，紀念她所經歷過的種種苦難和榮耀。盡管多病、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。
作者名片
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第二則： 天才少年，倒霉青年，彪悍中年，逗比終生——錢德拉塞卡
第三則： 由“三體問題”開啟的卡西尼之路。對，就是你知道的那個三體
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