現代宇宙學之母：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了一個比較貧窮的社區，然后挨家挨戶調查這里住了多少人，以及這些人都從事什么職業。

他敲開了社區中一戶人家的房門，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。當被問到自己職業的時候，她的回答是“科學家”。

這個普查員當時就笑場了。在20世紀初的美國，科學家是男性的專屬領地，幾乎沒有女性可以拿到博士學位。所以他根本無法相信，一個住在貧窮社區的聾女竟然能當科學家。

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

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，她通過了嚴苛的考試，考入了拉德克利夫女子學院（著名的七姐妹學院之一，后來被哈佛大學合并）。1892年，勒維特順利畢業，拿到了自己的學士學位。隨后按照當時的傳統，她坐船到了歐洲，開始了自己的畢業旅行。

但天有不測風云。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，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。

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

但不幸的是，勒維特的健康狀況嚴重拖累了她的學業。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。當然，這也讓她的導師皮克林相當不滿。

1896年，勒維特意識到自己已經不可能完成學業，無奈之下，她選擇了放棄，離開了哈佛大學天文臺，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現。”

1908年，勒維特在《哈佛天文臺年鑒》上發表了一篇論文，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只有區區幾十顆）。這個驚人的數字立刻在天文學界引起了轟動，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現造父變星的數字，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：“這值得關注，變星越亮則其光變周期就越長。”

4年后，也就是1912年，勒維特對這個結論進行了完善。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。結果，這25顆造父變星恰好排成了一條直線。勒維特據此斷言，“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，開啟了現代宇宙學的大門。

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一個全新的學科呢？”答案是，它提供了一種全新的距離測量的方法，那就是著名的標準燭光。

為了介紹用標準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象說起。一根蠟燭，放在近處看就亮，放在遠處看就暗。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，蠟燭看起來就越暗。

一根絕對亮度保持不變的蠟燭，它所發出的光子總數也保持不變。這些光子會呈球形向外擴散。所以在某個地方，單位面積上接收到的光子數，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系，就能算出那個特別遠的距離了。

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，即使相距甚遠也能看到；

②它的光學性質穩定，絕對亮度固定不變。如果能找到這樣的天體，我們就可以把它當成蠟燭，來測量宇宙學尺度的距離。這種能當蠟燭用的特殊天體，就是所謂的標準燭光。

知道了標準燭光的概念，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，可以近似認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，造父變星滿足標準燭光的兩大條件，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。

標準燭光的發現，提供了一種全新的測量遙遠宇宙學距離的方法。或許你依然有疑問：“為什么一種新距離測量方法的發現，就能開創現代宇宙學這門全新的學科？”事實上，正是這個發現，動搖了哥白尼日心說。

關于勒維特，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局。

發現造父變星是標準燭光后不久，勒維特就因為胃部手術而再次離職。等她回來的時候，皮克林已經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付自己覺得最艱巨的挑戰，是一件再合理不過的事情。但對勒維特這種級別的天文學家而言，這個安排可謂荒謬透頂，相當于強迫正值當打之年的邁克爾·喬丹放棄自己的籃球生涯，去參加一個不入流的棒球聯賽。更殘酷的是，身在屋檐下的勒維特根本沒有選擇的權力。從那以后，她就再也沒能回到標準燭光的研究。

而皮克林這個自私的決定，也讓全世界關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了一門后來養活了成千上萬名博士的全新學科，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都留給了自己的母親。這些遺產價值總計315美元，只夠買8條地毯。

這是標準燭光的發現者、哥白尼日心說的掘墓人、現代宇宙學之母、一位偉大的女科學家最后的結局。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）