用烛光照亮宇宙的聋女

让我们从一个故事讲起。

1920 年，美国政府在马萨诸塞州的剑桥郡搞了一次人口普查。一个人口普查员走进了一个比较贫穷的社区，然后挨家挨户调查这里住了多少人，以及这些人都从事什么职业。

他敲开了社区中一户人家的房门，看到了一对相依为命的母女。那个女儿是一个聋女，费了好大劲才搞清楚这个人口普查员的来意。当被问到自己职业的时候，她的回答是 “科学家”。

这个普查员当时就笑场了。在 20 世纪初的美国，科学家是男性的专属领地，几乎没有女性可以拿到博士学位。所以他根本无法相信，一个住在贫穷社区的聋女竟然能当科学家。

亨丽爱塔・勒维特

她叫亨丽爱塔・勒维特，现代宇宙学之母。她是历史上唯一一个能被称为某个大学科之母的人。

1868 年，勒维特出生在美国马萨诸塞州的一个牧师家庭。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（著名的七姐妹学院之一，后来被哈佛大学合并）。1892 年，勒维特顺利毕业，拿到了自己的学士学位。随后按照当时的传统，她坐船到了欧洲，开始了自己的毕业旅行。

但天有不测风云。在这场旅行中，一场突如其来的大病损坏了她的视力和听力。虽然她的视力后来得到了好转，但是她的听力却每况愈下，直至最终失聪。在此后近 30 年的时间里，她一直都处于病魔缠身的状态。

旅行归来后，勒维特决定继续攻读天文学硕士学位。她于 1893 年加入了爱德华・皮克林掌管的哈佛大学天文台，成为一名 “哈佛计算员”。

勒维特成为一名 “哈佛计算员”

但不幸的是，勒维特的健康状况严重拖累了她的学业。由于体弱多病，勒维特隔三岔五就得请病假，这让她的科研工作变得支离破碎。当然，这也让她的导师皮克林相当不满。

1896 年，勒维特意识到自己已经不可能完成学业，无奈之下，她选择了放弃，离开了哈佛大学天文台，这一走就是 6 年。

6 年后，也就是 1902 年，勒维特给皮克林写了一封信。在信中，勒维特提到由于听力障碍，她已经无法再胜任其他工作，因此想申请重回哈佛天文台。皮克林同意了。但这回，皮克林学聪明了，没让勒维特参与天文台最重要的恒星分类工作，而派她一个人去研究造父变星。

在 20 世纪初，人类连最简单的天上恒星有哪些种类都搞不清楚，就更别提异常复杂的变星问题了。在这种情况下，派一个人单枪匹马地研究造父变星，无异于流放边疆。

让我们暂停一下这部关于勒维特的电影，用心去感受一下她重返哈佛大学天文台时的处境。病痛，失聪，迫于生计只好重返自己放弃硕士学位的伤心地，然后被不待见自己的老板发配到一片以前根本没人踏足的科学荒原。恐怕很少有人能走出这样的绝境。

但这是我们与平凡女子亨丽爱塔・勒维特的最后一面。此后发生的事，传奇程度堪比摩西用手杖分开红海。

从 1904 年开始，勒维特就以惊人的速度在麦哲伦云中不断找到新的造父变星。她找得实在太快，以至于有天文学家专门致信皮克林：“勒维特小姐是寻找变星的高手。我们甚至来不及记录她的新发现。”

1908 年，勒维特在《哈佛天文台年鉴》上发表了一篇论文，宣布自己在麦哲伦云中总共找到了 1777 颗造父变星（在此前的 100 多年的时间里，人们找到的造父变星的总数只有区区几十颗）。这个惊人的数字立刻在天文学界引起了轰动，甚至得到了著名的《华盛顿邮报》的报道。

麦哲伦云

但这个引起轰动的发现造父变星的数字，与这篇论文中最有价值的部分相比，根本不值一提。

在这篇论文的结尾，勒维特挑选了 16 颗位于小麦哲伦云中的造父变星，在一张表格里列出了它们的光变周期（完成一轮明暗交替的时间）和视星等。对于这张表格，她留下了一句这样的评论：“这值得关注，变星越亮则其光变周期就越长。”

4 年后，也就是 1912 年，勒维特对这个结论进行了完善。她挑选了 25 颗位于小麦哲伦云中的造父变星，把它们画在了一张以亮度为 X 轴，以光变周期为 Y 轴的图上。结果，这 25 颗造父变星恰好排成了一条直线。勒维特据此断言，“造父变星的亮度与其光变周期成正比”。

为了理解这句看似平淡无奇的话在天文史上的分量，你可以想象一片被冰封了不知多少岁月的荒原，由于这句蕴含着巨大魔力的咒语，在眨眼之间就绽放出数以亿计的美丽花朵。

这句话后来被称为勒维特定律。正是这个石破天惊的勒维特定律，开启了现代宇宙学的大门。

你可能会觉得有些不知所云了：“为什么如此简单的定律能开创一个全新的学科呢？” 答案是，它提供了一种全新的距离测量的方法，那就是著名的标准烛光。

为了介绍用标准烛光测量距离的基本原理，让我们从一个在日常生活中颇为常见的现象说起。一根蜡烛，放在近处看就亮，放在远处看就暗。这是因为，我们所看到蜡烛的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，蜡烛看起来就越暗。

用标准烛光测量距离的原理图

如图所示，一根绝对亮度保持不变的蜡烛，它所发出的光子总数也保持不变。这些光子会呈球形向外扩散。所以在某个地方，单位面积上接收到的光子数，与此处离蜡烛的距离的平方成反比。这意味着，我们在某个地方看到的蜡烛的视亮度，与此处离蜡烛的距离的平方成反比。举个例子，如果距离扩大 4 倍，蜡烛的视亮度就会减小到原来的 1/16。

这样一来，我们就可以利用蜡烛测量距离了：首先，在一个距离比较近的地方放一根蜡烛，并测量它的距离和视亮度。然后，在一个距离特别远的地方放另一根绝对亮度相同的蜡烛，并测量其视亮度。最后，利用视亮度与距离平方成反比的关系，就能算出那个特别远的距离了。

用蜡烛丈量宇宙

这个用蜡烛测量距离的原理，在天上同样适用。为此，需要在天上找到一种特殊的天体，能同时满足以下两个条件：

①它特别明亮，即使相距甚远也能看到；

②它的光学性质稳定，绝对亮度固定不变。如果能找到这样的天体，我们就可以把它当成蜡烛，来测量宇宙学尺度的距离。这种能当蜡烛用的特殊天体，就是所谓的标准烛光。

知道了标准烛光的概念，下面我们就可以来讲讲勒维特定律的意义所在了。由于勒维特挑选的那些造父变星全都位于小麦哲伦云内，可以近似认为它们与地球的距离都相等。因此，只要它们的视亮度相等，它们的绝对亮度就一定相等。

勒维特定律说的是，造父变星的绝对亮度与其光变周期成正比。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。

所以勒维特定律意味着，造父变星满足标准烛光的两大条件，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。

标准烛光的发现，提供了一种全新的测量遥远宇宙学距离的方法。或许你依然有疑问：“为什么一种新距离测量方法的发现，就能开创现代宇宙学这门全新的学科？” 事实上，正是这个发现，动摇了哥白尼日心说。

关于勒维特，让我们再多说几句。非常悲哀的是，勒维特的故事并没有一个圆满的结局。

发现造父变星是标准烛光后不久，勒维特就因为胃部手术而再次离职。等她回来的时候，皮克林已经给她安排了一份新工作：测量北极星序，即分析北极星附近的 96 颗恒星的光谱。这是皮克林多年来最中意也最想完成的课题。

对一个管理者来说，派自己手下最有能力的员工去应付自己觉得最艰巨的挑战，是一件再合理不过的事情。但对勒维特这种级别的天文学家而言，这个安排可谓荒谬透顶，相当于强迫正值当打之年的迈克尔・乔丹放弃自己的篮球生涯，去参加一个不入流的棒球联赛。更残酷的是，身在屋檐下的勒维特根本没有选择的权力。从那以后，她就再也没能回到标准烛光的研究。

而皮克林这个自私的决定，也让全世界关于变星的研究倒退了好几十年。

讽刺的是，尽管凭一己之力开创了一门后来养活了成千上万名博士的全新学科，勒维特本人却没能拿到一张博士文凭。很多年后，她依然是一个薪水只有男人一半的哈佛计算员。

1921 年，一直与母亲相依为命的勒维特又病了。这回是无药可救的癌症。当年 12 月 12 日，她在一个雨夜中离去。在遗嘱中，她把自己所有的财产都留给了自己的母亲。这些遗产价值总计 315 美元，只够买 8 条地毯。

去世后，勒维特被葬在了自己家族的墓地。她甚至无法拥有一个自己单独的墓碑，只能被迫和十几个亲戚挤在一起。这个墓碑很小，位置只够写下她的姓名、生日和忌日。

勒维特之墓

这是标准烛光的发现者、哥白尼日心说的掘墓人、现代宇宙学之母、一位伟大的女科学家最后的结局。100 多年过去了，现在亨丽爱塔・勒维特这个名字已经快被世人遗忘在历史的尘埃里。但我依然想写一篇文章，来纪念这位非凡女性经历的种种苦难和荣耀。尽管病痛、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。

文源：《宇宙奥德赛：穿越银河系》作者：王爽