哥白尼推翻了地心说，她推翻了哥白尼

引言

相信很多人都知道，16世纪40年代，哥白尼提出了著名的日心说，从而一举推翻了统治学术界长达1400年的地心说。但要是再追问一句：“那又是谁推翻了日心说呢？”恐怕就没有多少人能说出个所以然了。

事实上，日心说也屹立了200多年之久，直到1912年，才有人敲响它的丧钟。此人名叫亨丽爱塔·勒维特。下面，我就来讲讲这位一生多灾多难的女天文学家的故事。

亨丽爱塔·勒维特（1868-1921） | Wikipedia

 

灾难降临

 

1868年，勒维特出生在美国马萨诸塞州的兰开斯特市，是一个受人尊敬的牧师的女儿。20岁那年，她通过了严苛的考试，考入了拉德克利夫女子学院。这个女子学院后来被哈佛大学合并，所以勒维特就阴差阳错地成了哈佛大学的学生。

1892年，勒维特顺利毕业，并获得哈佛大学的学士学位。随后，她坐船到了欧洲，开始了自己的毕业旅行。但天有不测风云。就是在这场旅行中，灾难降临，一场突如其来的大病严重损坏了她的听力。后来，她的听力每况愈下，最终彻底失聪。在此后近30年的时间里，她也一直处于病魔缠身的状态。

 

发配边疆

 

1893年，为了获得一个天文学的硕士学位，勒维特加入了哈佛大学天文台，成了一名“哈佛计算员”（这是整个科学史上最传奇的一群女性，只用了短短几十年的时间，就把原本名不见经传的哈佛大学天文台直接推上了国际天文学界的巅峰。

哈佛计算员们工作的照片，这是整个科学史上最传奇的一群女性，只用了短短几十年的时间，就把原本名不见经传的哈佛大学天文台直接推上了国际天文学界的巅峰 | 公有领域

但由于体弱多病，勒维特隔三岔五就要请假回家修养，她的研究工作也因此变得支离破碎。1896年，意识到自己不可能完成学业的勒维特选择了放弃。她离开了哈佛大学天文台，一走就是6年。

6年后，勒维特写信给哈佛大学天文台台长爱德华·皮克林，对自己没能完成学业表示歉意。在信中，勒维特提到自己的听力障碍让她无法再胜任其他的工作，因此想重新申请哈佛计算员的职位。皮克林同意了，并为她开出了每小时30美分的薪水。

但这回，皮克林学聪明了，没让勒维特参与最重要的恒星分类的工作，而是派她一个人去研究造父变星。所谓的造父变星，是一种亮度会发生周期性变化的天体；最亮的时候，造父变星至少比太阳亮好几千倍。

哈勃太空望远镜拍摄的一颗变星，它强烈闪光照耀在周围星云上形成了光环 | spacetelescope.org。

要知道，在20世纪初，人类连天上恒星能分成哪些种类都搞不清楚。所以派一个人单枪匹马地研究比恒星更为复杂的变星，无异于是发配边疆。

让我们先暂停一下这部关于勒维特的电影，换位思考一下她重返哈佛大学天文台时的处境。失聪，病魔缠身，迫于生计不得不回到自己失去硕士学位的伤心地，然后被不待见自己的老板孤零零地发配到了一个以前根本没人踏足过的蛮荒之地。

这是我们与平凡的亨丽爱塔·勒维特的最后一面。因为此后的她，如同天神下凡。

 

石破天惊

 

从1904年春天开始，勒维特不断在麦哲伦星云中找到新的造父变星。1908年，她在《哈佛天文台年鉴》上发表了一篇论文，宣布自己在麦哲伦星云中总共找到了1777颗造父变星。这个惊人的成果得到了著名的《华盛顿邮报》的报道。但与她后来的发现相比，完全不值一提。

勒维特于1908年发表的论文的首页  | 公有领域

1912年，勒维特又发表了一篇论文。她挑选出了观测精度最高的25颗造父变星，并把它们画在同一张图上，来分析这些变星的最大亮度（即星等）和完成一轮循环所花时间（即光变周期）之间的关联。作为结论，勒维特写了一句话：“造父变星的绝对星等与它们的光变周期成正比。”

为了理解这句看似轻描淡写的话的分量，你不妨想象一个死气沉沉、被冰封了不知多少岁月的荒原。由于有人说出了这句充满魔力的咒语，原本毫无生机的荒原，突然在转瞬之间就绽放出数以千亿计的美丽花朵。

这句话后来被称为勒维特定律。一门全新的学科，观测宇宙学，就此诞生。

读到这里，相信很多读者都会感到不知所云：“不过是一个平平无奇的定律，怎么可能创造出一个全新的学科？”没关系。下面我就来为你科普一下，为什么勒维特定律会有如此之大的魔力。

 

标准烛光

 

让我们从引言提到的日心说谈起。不妨换个问法：“到底有什么办法能证明日心说的错误呢？”答案是距离测量。

道理非常简单。如果我们能精确测出宇宙中各个方向的所有天体与地球之间的距离（等效于与太阳之间的距离），就可以判断出太阳是否位于宇宙的中心了。

最早做这个尝试的人是英国大天文学家威廉·赫歇尔。1785年，威廉·赫歇尔测量了大量的恒星与太阳之间的距离，然后描绘了宇宙（其实是银河系）的结构。正如下图所示，他认为太阳大致处于宇宙的中心。

银河系结构 | wikimedia

1906年，荷兰天文学家雅各布斯·卡普坦主持了一个更为细致的大型联合观测。他在天空中均匀、随机地选出206个区域，然后让世界各地的多个天文台分工协作进行距离测量。最后的测量结果表明，宇宙（即银河系）是一个宛如透镜的圆盘，直径为40000光年，厚度为10000光年，而太阳大致位于正中心。这就是所谓的卡普坦宇宙。

以今天的眼光来看，这两个研究当然都大错特错。

为什么赫歇尔和卡普坦这样的大天文学家会犯下如此严重的错误呢？答案是，当时他们还只会利用三角视差法来测量遥远天体与地球之间的距离。但事实上，三角视差法的测量精度很有限，只能用来测量离我们比较近的天体。

所以最核心的问题是，有没有一种方法，能精确测量我们与遥远天体的距离？

然后，勒维特就闪亮登场了。她的研究为人类指明了一种测量距离的突破性的方法，那就是标准烛光。

下图就展现了标准烛光的基本原理。众所周知，一根蜡烛，放在近处看就亮，放在远处看就暗。这是由于，我们所看到蜡烛的亮度（即可视亮度）取决于由蜡烛发出并射入我们眼中的光子数目。射入的光子数越多，蜡烛看起来就越亮；反之，就看起来就越暗。而一根自身亮度（即绝对亮度）保持不变的蜡烛，它发出的光子总数也保持不变。这些光子会呈球形向外扩散。因此在某个地方，单位面积上接收到的光子数与此地离蜡烛距离的平方成反比。这意味着，我们在某个地方看到的蜡烛的可视亮度与相应的距离的平方成反比。举个例子，如果距离扩大4倍，蜡烛的可视亮度就会减小到只有原来的1/16。

标准烛光法测距的示意图 | hyperphysics.phy-astr.gsu.edu，汉化：婉珺

这样一来我们就可以利用蜡烛来进行距离测量了。首先，在一个距离已知的近处，测量一根蜡烛的可视亮度。然后，把与它绝对亮度相同的另一根蜡烛拿到远处，测量它在远处的可视亮度。最后，利用可视亮度与距离平方成反比的关系，算出远处的距离。

现在让我们来开一下脑洞。我们要在天上找一种特殊的天体，它要同时满足以下两个条件：（1）特别亮，即使相距非常遥远也能看到；（2）光学性质稳定，其绝对亮度固定不变。事实上，第二个条件很难满足。但只要能找到这样的天体，我们就可以把它当作蜡烛来测量宇宙学的距离。这种特殊的天体就是标准烛光。

知道了标准烛光的概念，现在我们可以来解读一下勒维特定律了。由于勒维特发现的造父变星全都位于麦哲伦星云，可以用近似地认为它们与地球的距离都相等。

勒维特定律说的是，造父变星的绝对星等与它们的光变周期成正比。这意味着，只要选择光变周期完全相同的造父变星，就能得到一批绝对亮度完全相同的天体。换言之，勒维特发现造父变星就是一种真正意义上的标准烛光。这也是人类历史上发现的第一种标准烛光。

后来，正是利用勒维特发现的造父变星标准烛光，哈罗·沙普利于20世纪10年代末发现太阳并非位于宇宙（其实是银河系）的中心，而爱德温·哈勃于20世纪20年代初发现银河系并不是宇宙的全部。人类就此迈入现代宇宙学的时代。

由于发现标准烛光进而开启现代宇宙学时代的丰功伟绩，勒维特得到了一个极为荣耀的名号：观测宇宙学之母。

 

默默无闻

 

悲哀的是，勒维特的故事并没有一个圆满的结局。

发现标准烛光后不久，勒维特因胃部手术而再次离职。等她回来的时候，皮克林已经为她安排了新的工作，那就是所谓的北极星序（即测量和分析北极星附近的96颗恒星的光谱）。对皮克林而言，这是他多年来最钟意、也最希望能完成的课题。

从管理者的角度出发，这么做很合理：派最有能力的员工去面对最艰巨的挑战，是一件再正常不过的事。但对勒维特而言，此安排的荒谬程度不亚于强迫一个正值当打之年的世界杯冠军队球星去某个不知名的业余联赛效力。更要命的是，勒维特根本就没有任何选择。从那以后，她就再没能回去做任何关于标准烛光的研究。

多年后，创造了无数历史的（哈佛大学历史上的第一个女博士、第一个女教授、第一个女系主任）著名天文学家塞西莉亚·佩恩曾为勒维特鸣不平，认为正是皮克林自私而无情的决定害死了勒维特，并让关于变星的研究倒退了好几十年。

尽管发现了标准烛光并开创了一门新的学科，勒维特却没能获得任何实质性的好处：没有学术界的嘉奖，没有教授的职位，甚至没有博士的文凭。很多年后，她依然是一个被当成是苦力、薪水只有男人一半的哈佛计算员。

1921年，勒维特再次病倒，这回是无药可救的癌症。同年12月12日，她在一个雨夜中离去。她把自己所有的财产都留给了母亲。这些财产总共值315美元，大概只够买七八条普通地毯。

去世后，勒维特被葬在了自己家族的墓地。事实上，她甚至没法拥有一个自己单独的墓碑，而被迫和十几个亲戚挤在一起。墓碑很小，没刻上她的著名公式，只是草草地记录了她的姓名、生日和忌日。

勒维特家族的墓碑，在这一面记录的三位已逝者中，最下面的一位是亨丽爱塔·勒维特 | ArnoldReinhold /Wikipedia

这就是标准烛光的发现者、日心说的掘墓人、观测宇宙学之母、有史以来最伟大的女科学家最后的结局。

作者：王爽 中山大学物理与天文学院研究员，科普作家

编辑：婉珺

后记

 

今天是亨丽爱塔·勒维特诞辰150周年的纪念日。在经历了异常喧嚣的100年的岁月，这个名字恐怕已经快被世人遗忘在风里。

但我还是为她写了这篇悼文，纪念她所经历过的种种苦难和荣耀。尽管多病、失聪、贫穷、孤独、被摆布、被轻视、被遗忘，她依然是照亮整个宇宙的永世不灭的烛火。