讓我們從一個(gè)故事講起。
1920 年，美國(guó)政府在馬薩諸塞州的劍橋郡搞了一次人口普查。一個(gè)人口普查員走進(jìn)了一個(gè)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(kāi)了社區(qū)中一戶人家的房門，看到了一對(duì)相依為命的母女。那個(gè)女兒是一個(gè)聾女，費(fèi)了好大勁才搞清楚這個(gè)人口普查員的來(lái)意。當(dāng)被問(wèn)到自己職業(yè)的時(shí)候，她的回答是“科學(xué)家”。
這個(gè)普查員當(dāng)時(shí)就笑場(chǎng)了。在 20 世紀(jì)初的美國(guó)，科學(xué)家是男性的專屬領(lǐng)地，幾乎沒(méi)有女性可以拿到博士學(xué)位。所以他根本無(wú)法相信，一個(gè)住在貧窮社區(qū)的聾女竟然能當(dāng)科學(xué)家。
她叫亨麗愛(ài)塔?勒維特，現(xiàn)代宇宙學(xué)之母。她是歷史上唯一一個(gè)能被稱為某個(gè)大學(xué)科之母的人。
1868 年，勒維特出生在美國(guó)馬薩諸塞州的一個(gè)牧師家庭。20 歲那年，她通過(guò)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(lái)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(shí)的傳統(tǒng)，她坐船到了歐洲，開(kāi)始了自己的畢業(yè)旅行。
但天有不測(cè)風(fēng)云。在這場(chǎng)旅行中，一場(chǎng)突如其來(lái)的大病損壞了她的視力和聽(tīng)力。雖然她的視力后來(lái)得到了好轉(zhuǎn)，但是她的聽(tīng)力卻每況愈下，直至最終失聰。在此后近 30 年的時(shí)間里，她一直都處于病魔纏身的狀態(tài)。
旅行歸來(lái)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(ài)德華?皮克林掌管的哈佛大學(xué)天文臺(tái)，成為一名“哈佛計(jì)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(qǐng)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(shí)到自己已經(jīng)不可能完成學(xué)業(yè)，無(wú)奈之下，她選擇了放棄，離開(kāi)了哈佛大學(xué)天文臺(tái)，這一走就是 6 年。
6 年后，也就是 1902 年，勒維特給皮克林寫(xiě)了一封信。在信中，勒維特提到由于聽(tīng)力障礙，她已經(jīng)無(wú)法再勝任其他工作，因此想申請(qǐng)重回哈佛天文臺(tái)。皮克林同意了。但這回，皮克林學(xué)聰明了，沒(méi)讓勒維特參與天文臺(tái)最重要的恒星分類工作，而派她一個(gè)人去研究造父變星。
在 20 世紀(jì)初，人類連最簡(jiǎn)單的天上恒星有哪些種類都搞不清楚，就更別提異常復(fù)雜的變星問(wèn)題了。在這種情況下，派一個(gè)人單槍匹馬地研究造父變星，無(wú)異于流放邊疆。
讓我們暫停一下這部關(guān)于勒維特的電影，用心去感受一下她重返哈佛大學(xué)天文臺(tái)時(shí)的處境。病痛，失聰，迫于生計(jì)只好重返自己放棄碩士學(xué)位的傷心地，然后被不待見(jiàn)自己的老板發(fā)配到一片以前根本沒(méi)人踏足的科學(xué)荒原?？峙潞苌儆腥四茏叱鲞@樣的絕境。
但這是我們與平凡女子亨麗愛(ài)塔?勒維特的最后一面。此后發(fā)生的事，傳奇程度堪比摩西用手杖分開(kāi)紅海。
從 1904 年開(kāi)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(shí)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(lái)不及記錄她的新發(fā)現(xiàn)?！?/p>
1908 年，勒維特在《哈佛天文臺(tái)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(shí)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(gè)驚人的數(shù)字立刻在天文學(xué)界引起了轟動(dòng)，甚至得到了著名的《華盛頓郵報(bào)》的報(bào)道。
但這個(gè)引起轟動(dòng)的發(fā)現(xiàn)造父變星的數(shù)字，與這篇論文中最有價(jià)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(shí)間）和視星等。對(duì)于這張表格，她留下了一句這樣的評(píng)論：“這值得關(guān)注，變星越亮則其光變周期就越長(zhǎng)?！?/p>
4 年后，也就是 1912 年，勒維特對(duì)這個(gè)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(huà)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(wú)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(yùn)含著巨大魔力的咒語(yǔ)，在眨眼之間就綻放出數(shù)以億計(jì)的美麗花朵。
這句話后來(lái)被稱為勒維特定律。正是這個(gè)石破天驚的勒維特定律，開(kāi)啟了現(xiàn)代宇宙學(xué)的大門。
你可能會(huì)覺(jué)得有些不知所云了：“為什么如此簡(jiǎn)單的定律能開(kāi)創(chuàng)一個(gè)全新的學(xué)科呢？”答案是，它提供了一種全新的距離測(cè)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(cè)量距離的基本原理，讓我們從一個(gè)在日常生活中頗為常見(jiàn)的現(xiàn)象說(shuō)起。一根蠟燭，放在近處看就亮，放在遠(yuǎn)處看就暗。這是因?yàn)?，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(lái)就越亮；反之，蠟燭看起來(lái)就越暗。
如圖所示，一根絕對(duì)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(huì)呈球形向外擴(kuò)散。所以在某個(gè)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?cè)谀硞€(gè)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(gè)例子，如果距離擴(kuò)大 4 倍，蠟燭的視亮度就會(huì)減小到原來(lái)的 1/16。
這樣一來(lái)，我們就可以利用蠟燭測(cè)量距離了：首先，在一個(gè)距離比較近的地方放一根蠟燭，并測(cè)量它的距離和視亮度。然后，在一個(gè)距離特別遠(yuǎn)的地方放另一根絕對(duì)亮度相同的蠟燭，并測(cè)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(gè)特別遠(yuǎn)的距離了。
用蠟燭丈量宇宙這個(gè)用蠟燭測(cè)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(shí)滿足以下兩個(gè)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(duì)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(lái)測(cè)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(lái)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(duì)亮度就一定相等。
勒維特定律說(shuō)的是，造父變星的絕對(duì)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(duì)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(cè)量遙遠(yuǎn)宇宙學(xué)距離的方法?；蛟S你依然有疑問(wèn)：“為什么一種新距離測(cè)量方法的發(fā)現(xiàn)，就能開(kāi)創(chuàng)現(xiàn)代宇宙學(xué)這門全新的學(xué)科？”事實(shí)上，正是這個(gè)發(fā)現(xiàn)，動(dòng)搖了哥白尼日心說(shuō)。
關(guān)于勒維特，讓我們?cè)俣嗾f(shuō)幾句。非常悲哀的是，勒維特的故事并沒(méi)有一個(gè)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?yàn)槲覆渴中g(shù)而再次離職。等她回來(lái)的時(shí)候，皮克林已經(jīng)給她安排了一份新工作：測(cè)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(lái)最中意也最想完成的課題。
對(duì)一個(gè)管理者來(lái)說(shuō)，派自己手下最有能力的員工去應(yīng)付自己覺(jué)得最艱巨的挑戰(zhàn)，是一件再合理不過(guò)的事情。但對(duì)勒維特這種級(jí)別的天文學(xué)家而言，這個(gè)安排可謂荒謬透頂，相當(dāng)于強(qiáng)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(gè)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(méi)有選擇的權(quán)力。從那以后，她就再也沒(méi)能回到標(biāo)準(zhǔn)燭光的研究。
而皮克林這個(gè)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(kāi)創(chuàng)了一門后來(lái)養(yǎng)活了成千上萬(wàn)名博士的全新學(xué)科，勒維特本人卻沒(méi)能拿到一張博士文憑。很多年后，她依然是一個(gè)薪水只有男人一半的哈佛計(jì)算員。
1921 年，一直與母親相依為命的勒維特又病了。這回是無(wú)藥可救的癌癥。當(dāng)年 12 月 12 日，她在一個(gè)雨夜中離去。在遺囑中，她把自己所有的財(cái)產(chǎn)都留給了自己的母親。這些遺產(chǎn)價(jià)值總計(jì) 315 美元，只夠買 8 條地毯。
去世后，勒維特被葬在了自己家族的墓地。她甚至無(wú)法擁有一個(gè)自己?jiǎn)为?dú)的墓碑，只能被迫和十幾個(gè)親戚擠在一起。這個(gè)墓碑很小，位置只夠?qū)懴滤男彰?、生日和忌日?/p>
這是標(biāo)準(zhǔn)燭光的發(fā)現(xiàn)者、哥白尼日心說(shuō)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。
100 多年過(guò)去了，現(xiàn)在亨麗愛(ài)塔?勒維特這個(gè)名字已經(jīng)快被世人遺忘在歷史的塵埃里。但我依然想寫(xiě)一篇文章，來(lái)紀(jì)念這位非凡女性經(jīng)歷的種種苦難和榮耀。盡管病痛、失聰、貧窮、孤獨(dú)、被擺布、被輕視、被遺忘，她依然是照亮整個(gè)宇宙的永世不滅的燭火。
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