曾被董老师整体评价"不能更成学者",当时,她揭开了太阳的秘密

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来源:我是一名科学家

1919年,英国天文学家阿瑟爱丁顿带领一个科学研究小组,在西非记录了一次日全食。这也许是最著名的日全食探险,因为这次观测证实了广义相对论的预言。

回到英国后,爱丁顿在剑桥大学三一学院发表演讲,介绍了非洲之行和广义相对论的内容。

正是这篇演讲改变了塞西莉亚Payne-塞西莉亚佩恩-加波施金的一生。

塞西莉亚佩恩-加波施金 | WikimediaCommons, Smithsonian Institution from United States

从小镇到伦敦

塞西莉亚1900年出生于英国白金汉郡。

她6岁开始上学,有幸认识了一位非常优秀的老师。经过6年的教育,她12岁就能说法语、德语和基础拉丁语,还能学习几何和代数。当时她最大的爱好是一元解二次方程。

小小年纪,她甚至觉得自己学到了她需要知道的一切。也是从这个时候,塞西莉亚想成为一名科学家。

当塞西莉亚12岁搬到伦敦时,事情发生了变化。在这里的学校,第一年没有理科班,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,女性不适合做科研。学校的一位数学老师甚至说,塞西莉亚“永远不会成为学者”。

谁说女性无法成为学者?| 图虫创意

为了更好地学习科学,塞西莉亚决心学习数学和德语。答案是学校勒令她转学。然而,后知后觉,却是每朵云都有一线希望。

1918年,塞西莉亚进入圣保罗女子学校。在那里,她不仅可以学习科学,还可以被鼓励发展她的音乐专长。学校的音乐总监把她招进了学校的交响乐团,教她作曲,并鼓励她成为一名音乐家。

但是出于爱,塞西莉亚还是选择“科学”作为了自己的求学方向

从剑桥到剑桥

只花了一年时间准备考试,塞西莉亚通过了剑桥大学的考试,进入纽汉姆学院学习。她甚至获得了奖学金,这足以支付她的学费。

在剑桥大学,塞西莉亚第一次尝试学习植物学。经过一年的坚持,她转而学习物理。这可能是受到物理学家尼尔斯玻尔的一次演讲的影响。

作为诺贝尔物理学奖得主,玻尔的洞察力让塞西莉亚对物理学产生了兴趣。然而,在她的回忆录中,她抱怨丹麦学者的严重口音:

玻尔反复提到一件事,我当时记录的时候写成“汤群”,后来才知道是“子群”。

然后,文章开头提到的爱丁顿讲座再次让塞西莉亚震惊。从那以后,她下定决心,投身天文物理学。听了她能参加的所有天文学课程,并向爱丁顿本人询问了关于天文学的各种问题。

阿瑟爱丁顿 |WikimediaCommons, George Grantham Bain Collection, Library of Congress Prints and Photographs Division Washington, D.C。/ Public Domain

获得学士学位后,塞西莉亚有幸结识了哈佛大学天文台台长哈洛沙普利。交谈中,沙普利鼓励她去哈佛学习一年。

1923年,塞西莉亚手里拿着爱丁顿的推荐信,去了美国马萨诸塞州剑桥的哈佛大学。

到达美国后,塞西莉亚跟随沙普利进行研究。沙普利很友好,愿意帮助别人。然而,塞西莉亚在决定博士论文的研究方向时,并没有听从沙普利的建议。事实上,在来美国之前,她就已经做好了打算,要研究恒星光谱。这在当时是一个前沿领域。通过分析恒星发出的光,可以推断出恒星的温度和成分等许多信息。

哈罗沙普利

几个月后,这项研究取得了初步成功,沙普利建议她可以发表她的论文,并取得一些成果。但是,塞西莉亚不愿意这么做。她不想用一些肤浅的研究来阐述一篇博士论文。她想做的是彻底了解一件事,想做就做大。

揭开太阳的秘密

塞西莉亚的大目标是——通过光谱来弄清太阳的组成

那时,天文学家将通过研究巴尔末系统的吸收光谱来了解恒星大气的组成。基于这种方法,学术界的主流结论是太阳等恒星大气中元素的相对丰度与地壳中元素的相对丰度相似,即各种元素的比例相似。

著名物理学家亨利诺里斯亨利诺利斯罗素持这种观点。他认为:“如果地壳的温度上升到太阳大气的温度,那么它的吸收光谱将与太阳大气的吸收光谱非常相似。”这个学派的一些支持者也认为太阳的光谱与其他恒星的光谱相似,也就是说——宇宙中元素的相对丰度与地壳中的相似。

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

塞西莉亚不同意这种观点。

在了解了印度物理学家梅克纳德萨哈对高温下原子电离的研究后,萨哈访问了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。的哈佛大学,两人进行了面对面的交流。

结合萨哈的研究和她在哈佛天文台对大量恒星光谱文件的细致分析,塞西莉亚逐渐形成了一套自己的理论。

1925年1月1日,塞西莉亚提交了她的博士论文。在这篇题为《恒星大气:对恒星反变层中高温的观测研究的一项贡献》的论文中(对恒星反转层高温观测研究的贡献),她将萨哈的电离方程应用于第一激发态氢原子吸收光谱的研究。

她发现在太阳大气5500的温度下,大约2亿个氢原子中只有一个处于第一激发态。天文学家之前使用的是“巴尔末吸收”的方法,实际上低估了太阳大气中氢原子的数量。

塞西莉亚用这种方法进一步分析了太阳大气中的氦,得出了类似的结论。这些结果也适用于其他恒星。因此,她得出结论,与富含氧、硅和其他元素的地壳不同,氢和氦是构成太阳的主要元素,原子数量之和占总数的99%

太阳主要成分是氢和氦 | Pixabay

她把这个结果写在论文草稿里,寄给了拉塞尔。

当然,罗素强烈反对,直接回答:不可能。拉塞尔试图说服塞西莉亚删除这个结论。但1929年,拉塞尔用其他方式证明了塞西莉亚的结论,他不得不承认塞西莉亚是对的。

随着现代科学技术的发展,科学家有了更精确的分析方法。根据美国国家航空航天局(NASA)的一项数据,如果考虑原子总数,太阳的成分91%是氢,8.9%是氦;如果考虑原子的总质量,太阳70.6%的成分是氢,27.4%是氦,这和塞西莉亚的计算基本一致。

天文学家奥托斯特鲁维曾经评论说,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,美国物理学会将天体物理学博士论文奖命名为“塞西莉亚佩恩加波施金博士论文奖”,以纪念天体物理学的先驱。

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。

享受成为“第一人”的感觉

1925年,塞西莉亚获得博士学位,决定留在哈佛大学。但当时女性在大学的晋升空间有限。长期以来,她只能担任一个低水平的研究职位,工资很低。

但塞西莉亚对天文学的热情一点也没有减少,继续研究恒星,发表了《高光度恒星》、《变星》、《天文学导论》等几部专著。1934年,她获得了美国天文学会的安妮约姆普坎农奖。这个奖项是以另一位杰出的女天文学家安妮坎农命名的。

塞西莉亚佩恩-加波施金

直到1956年,塞西莉亚才因为一系列与明星相关的研究成果最终成为正教授,她也是哈佛大学历史上第一位女性正教授。与此同时,她成为天文系主任,这也是该系的第一位女性系主任。

1976年,当塞西莉亚接受美国天文学会授予她的亨利诺利斯罗素奖时,她曾分享过自己从事科学研究的感受。

“科学研究的回报,是成为历史上第一个看到或了解某件事的人所带来的兴奋。没有什么比得上那种感觉。”

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在她的自传《塞西莉亚佩恩-加波施金:自传及其他回忆》里。

塞西莉亚的自传

塞西莉亚是研究太阳历史的里程碑。她的理论深刻地改变了我们对太阳的认识,为研究太阳和其他恒星奠定了重要基础。

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。