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她揭开了太阳的秘密,曾被老师评价"无法成为学者",后来

新浪科技综合2020-10-13 15:55:400阅

享受成为“第一人”的感觉

1976年,塞西莉亚在接受美国天文学会为她颁发的亨利·诺里斯·罗素奖章(Henry Norris Russell Prize)时,曾经这样分享自己从事科学研究的感受。

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 塞西莉亚的自传
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哈罗·沙普利

1925年1月1日,塞西莉亚提交了她的博士论文。在这篇题目为《恒星大气:对恒星反变层中高温的观测研究的一项贡献》(A Contribution to the Observational Study of High Temperature in the Reversing Layers of Stars)的论文中,她把萨哈的电离方程应用在处于第一激发态的氢原子的巴耳末系吸收谱的研究中。

到了美国后,塞西莉亚跟随沙普利进行研究。沙普利为人友善,愿意帮助别人。但是,塞西莉亚为博士论文确定研究方向时,却没有听从沙普利的建议。其实,在来美国之前,她就已经做好了打算,要研究恒星光谱。这在当时是一个比较前沿的领域,通过对恒星发出光的分析,可以推导出这颗恒星的温度、成分等很多信息。

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学术界的主流观点是,太阳及其他恒星大气中各种元素之间的比例与地壳类似 | Pixabay

她6岁开始上学,有幸遇见了很好的老师。经过6年的教育,她在12岁时已经会说法语、德语和基本的拉丁语,还学习了几何和代数。那时,她最大爱好就是解一元二次方程。

但是,塞西莉亚对天文学的热情却丝毫没有降低,并继续开展着有关恒星的研究,先后出版了《高光度恒星》、《变星》、《天文学导论》等多部专著。1934年,她获得了美国天文学会的安妮·坎农奖(Annie Jump Cannon Prize)。这一奖项就是以另一位杰出的女性天文学家安妮·坎农命名的。

从小镇到伦敦

只用了短短一年时间备考,塞西莉亚就通过了剑桥大学的考试,进入纽纳姆学院进行学习。她甚至还得到了一笔奖学金,足以支付她的学费。

来源: 我是科学家iScientist

天文学家奥托·斯特鲁维(Otto Struve)曾经评价说,塞西莉亚的博士论文是天文学领域内最杰出的博士论文。2018年,美国物理学会把天体物理博士论文奖命名为“塞西莉亚·佩恩-加波施金博士论文奖”,以纪念这位天体物理学先驱。

塞西莉亚用这套方法进一步分析了太阳大气中的氦,也得到了相似的结论。这些结果对于其他恒星同样适用。因此,她得出结论,与地壳中富含氧、硅等元素不同,氢和氦是构成太阳的主要元素,原子数量之和占总数的99%。

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太阳主要成分是氢和氦 | Pixabay

在研究太阳的历史中,塞西莉亚是一个里程碑。她的理论深刻改变了我们对太阳的认识,奠定了研究太阳和其他恒星的重要基础。

1918年,塞西莉亚进入圣保罗女子学校(St Paul‘s Girls’ School)。在那里,她不仅可以学习科学,还被鼓励发展音乐特长。学校的音乐总监把她招进学校的交响乐团,教她作曲,还鼓励她做一名音乐家。

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塞西莉亚·佩恩-加波施金 | Wikimedia Commons, Smithsonian Institution from United States

当时,天文学家会通过研究巴耳末系吸收光谱来了解恒星大气中的成分。基于这种方法,学术界形成的主流结论是:太阳及其他恒星大气中元素的相对丰度与地壳中的类似,也就是各种元素之间的比例类似。

在了解了印度物理学家梅格纳德·萨哈(Meghnad Saha)对原子在高温状态下发生电离的研究后,塞西莉亚意识到主流的光谱学方法可能存在缺陷——他们忽略了恒星温度、压力等对光谱造成的影响。当萨哈访问哈佛大学的时候,他们二人还当面进行了交流。

回到英国后,爱丁顿在剑桥大学三一学院进行了一次演讲,介绍这次非洲之旅以及广义相对论的内容。

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阿瑟·爱丁顿 | Wikimedia Commons, George Grantham Bain Collection, Library of Congress Prints and Photographs Division Washington, D.C。 / Public Domain
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美国作家瑞秋·伊格诺托夫斯基(Rachel Ignotofsky)在《无所畏惧:影响世界历史的50位女科学家》(Women in Science: 50 Fearless Pioneers Who Changed the World)中介绍了塞西莉亚。

几个月之后,研究初见成效,沙普利建议她可以用一些的结果发表论文。但是,塞西莉亚却不愿意这么做,她不想用几个浅尝辄止的研究拼出来一篇博士论文,她想要做的是把一件事情彻底搞明白,要搞就搞大的。

揭开太阳的秘密

结合萨哈的研究,再加上自己对哈佛天文台已有的大量恒星光谱档案进行的细致分析,塞西莉亚渐渐形成了一套自己的理论。

塞西莉亚的大目标是——通过光谱来弄清太阳的组成。

随着现代科技的进步,科学家们也有了更加精确的分析手段。根据一份来自美国国家航空航天局(NASA)的数据,如果考虑原子的总数量,太阳的组成成分中91%是氢,8.9%是氦;如果考虑原子的总质量,太阳的组成成分中70.6%是氢而27.4%是氦,这与塞西莉亚当年的计算基本一致。

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塞西莉亚·佩恩-加波施金

1923年,塞西莉亚手握着爱丁顿充满溢美之词的推荐信,前往位于美国马萨诸塞州剑桥的哈佛大学。

1925年,塞西莉亚获得博士学位,决定继续留在哈佛大学工作。但是在那个时代,女性在大学中的晋升空间有限。在很长时间里,她只能担任低级研究职位并领取很低的薪水。

1900年,塞西莉亚生于英国白金汉郡。

在剑桥大学,塞西莉亚一开始尝试研修植物学。在坚持一年后,她转而开始学习物理。这很有可能受到了物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)一次讲座的影响。

著名的物理学家亨利·诺里斯·罗素(Henry Norris Russell)就持有这种观点。他认为:“如果地壳的温度上升到太阳大气的温度,那么它的吸收光谱会和太阳大气很相似。”这一派的部分支持者还相信太阳的光谱与其他恒星类似,也就是说——宇宙各处元素的相对丰度都和地壳中元素的相对丰度类似。

塞西莉亚却不同意这个观点。

玻尔反复提到一个东西,我当时记录的时候写成“汤群”(soup groups),后来我才知道原来那是“子群”(subgroups)。

正是这场演讲,改变了塞西莉亚·佩恩-加波施金(Cecilia Payne-Gaposchkin)的一生。

她把这个结果写在论文的草稿中,并寄给了罗素。

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谁说女性无法成为学者?| 图虫创意

获得了学士学位之后,塞西莉亚幸运地结识了美国哈佛学院天文台台长哈罗·沙普利。在交谈中,沙普利鼓励她去哈佛学习一年。

不过,出于热爱,塞西莉亚还是选择“科学”作为了自己的求学方向。

1979年,塞西莉亚在马萨诸塞州的剑桥去世。这位天文学家一生的故事,都浓缩到了她的自传《塞西莉亚·佩恩-加波施金:自传及其他回忆》中。

当然,罗素强烈反对,直接回复说:这绝不可能。罗素试图说服塞西莉亚把这个结论删去。但是到了1929年,罗素用其他方法证明了塞西莉亚的结论,他不得不承认塞西莉亚是正确的。

12岁时,塞西莉亚一家搬到伦敦,情况也发生了转变。在这里的学校,第一年不开设科学课,塞西莉亚只能自学一些物理和数学知识。而且,当时社会偏见严重,认为女性不适合从事科研。学校里的一位数学老师甚至直接说塞西莉亚“永远成不了一位学者”。

随后,文章开头提到的爱丁顿讲座,再次震撼了塞西莉亚。她下定决心,投身天文物理学。此后,她听了所有能参加的天文学课程,还向爱丁顿本人请教天文学方面的各种问题。

她发现,在太阳大气5500℃的温度下,大约在2亿个氢原子中只有1个处于第一激发态。天文学家此前用“巴耳末系吸收”的方法,实际上是远远低估了太阳大气中的氢原子数量。

那个曾被老师认定“永远无法成为学者”的小女孩,却最终揭开了太阳组成的秘密。

作为诺贝尔物理学奖得主,波尔的洞见让塞西莉亚对物理学产生了极大兴趣。不过,她在回忆录中还是抱怨了这位丹麦学者的严重口音:

“科学研究的回报就是成为历史上第一个看到什么或者理解什么的人所带来的那种激动之情,没有什么可以与那种感觉相比。”

为了更好地研究科学,塞西莉亚态度坚决,要求学习数学、德语。所等来的答复是,学校勒令她转学。不过,事后来看,这反而是因祸得福。

从剑桥到剑桥

1919年,英国天文学家阿瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)带领一支科考队,在西非记录了一次日全食。这也许是最著名一次的日全食科考,因为这次的观测结果证实了广义相对论的预言。

小小年纪的她,甚至觉得已经学会了需要知道的一切。也是从这时开始,塞西莉亚想成为一名科学家。

直到1956年,因为恒星相关的一系列研究成果,塞西莉亚终于成为了正教授,她也是哈佛大学历史上第一位女性正教授。同时,她还成为了天文系系主任,这也是该校的第一位女性系主任。

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