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作者：王爽 中山大學(xué)物理與天文學(xué)院研究員，科普作家

編輯：婉珺

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(tǒng)治學(xué)術(shù)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(zāi)多難的女天文學(xué)家的故事。

亨麗愛塔•勒維特（1868-1921）。圖片來源：Wikipedia

災(zāi)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(xué)院。這個女子學(xué)院后來被哈佛大學(xué)合并，所以勒維特就陰差陽錯地成了哈佛大學(xué)的學(xué)生。

1892年，勒維特順利畢業(yè)，并獲得哈佛大學(xué)的學(xué)士學(xué)位。隨后，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。就是在這場旅行中，災(zāi)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(tài)。

發(fā)配邊疆

1893年，為了獲得一個天文學(xué)的碩士學(xué)位，勒維特加入了哈佛大學(xué)天文臺，成了一名 “哈佛計算員” （這是整個科學(xué)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(jīng)傳的哈佛大學(xué)天文臺直接推上了國際天文學(xué)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(lǐng)域

但由于體弱多病，勒維特隔三岔五就要請假回家修養(yǎng)，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(xué)業(yè)的勒維特選擇了放棄。她離開了哈佛大學(xué)天文臺，一走就是6年。

6年后，勒維特寫信給哈佛大學(xué)天文臺臺長愛德華·皮克林，對自己沒能完成學(xué)業(yè)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(xué)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(fā)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(huán)。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(fù)雜的變星，無異于是發(fā)配邊疆。

讓我們先暫停一下這部關(guān)于勒維特的電影，換位思考一下她重返哈佛大學(xué)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(xué)位的傷心地，然后被不待見自己的老板孤零零地發(fā)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。

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(fā)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(fā)現(xiàn)相比，完全不值一提。

勒維特于1908年發(fā)表的論文的首頁。圖片來源：公有領(lǐng)域

1912年，勒維特又發(fā)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(huán)所花時間（即光變周期）之間的關(guān)聯(lián)。作為結(jié)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(zhuǎn)瞬之間就綻放出數(shù)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(xué)科，觀測宇宙學(xué)，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(chuàng)造出一個全新的學(xué)科？”沒關(guān)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。

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(xué)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(jié)構(gòu)。正如下圖所示，他認為太陽大致處于宇宙的中心。

銀河系結(jié)構(gòu)。圖片來 源：wikimedia

1906年，荷蘭天文學(xué)家雅各布斯·卡普坦主持了一個更為細致的大型聯(lián)合觀測。他在天空中均勻、隨機地選出206個區(qū)域，然后讓世界各地的多個天文臺分工協(xié)作進行距離測量。最后的測量結(jié)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(dāng)然都大錯特錯。

為什么赫歇爾和卡普坦這樣的大天文學(xué)家會犯下如此嚴重的錯誤呢？答案是，當(dāng)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(xiàn)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(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，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(fā)出的光子總數(shù)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(shù)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(yīng)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(guān)系，算出遠處的距離。

現(xiàn)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(xué)性質(zhì)穩(wěn)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(dāng)作蠟燭來測量宇宙學(xué)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(xiàn)在我們可以來解讀一下勒維特定律了。由于勒維特發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)的第一種標準燭光。

后來，正是利用勒維特發(fā)現(xiàn)的造父變星標準燭光，哈羅·沙普利于20世紀10年代末發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)銀河系并不是宇宙的全部。人類就此邁入現(xiàn)代宇宙學(xué)的時代。

由于發(fā)現(xiàn)標準燭光進而開啟現(xiàn)代宇宙學(xué)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(xué)之母 。

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)標準燭光后不久，勒維特因胃部手術(shù)而再次離職。等她回來的時候，皮克林已經(jīng)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(fā)，這么做很合理： 派最有能力的員工去面對最艱巨的挑戰(zhàn)，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(dāng)打之年的世界杯冠軍隊球星去某個不知名的業(yè)余聯(lián)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(guān)于標準燭光的研究。

多年后，創(chuàng)造了無數(shù)歷史的（哈佛大學(xué)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(xué)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(guān)于變星的研究倒退了好幾十年。

盡管發(fā)現(xiàn)了標準燭光并開創(chuàng)了一門新的學(xué)科，勒維特卻沒能獲得任何實質(zhì)性的好處： 沒有學(xué)術(shù)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(dāng)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(chǎn)都留給了母親。這些財產(chǎn)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(fā)現(xiàn)者、日心說的掘墓人、觀測宇宙學(xué)之母、有史以來最偉大的女科學(xué)家最后的結(jié)局。

今天是亨麗愛塔·勒維特誕辰150周年的紀念日 。在經(jīng)歷了異常喧囂的100年的歲月，這個名字恐怕已經(jīng)快被世人遺忘在風(fēng)里。

但我還是為她寫了這篇悼文，紀念她所經(jīng)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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