曾被老師評價"無法成為學者"，後來，她揭開了太陽的秘密

1919年，英國天文學家阿瑟·愛丁頓（Arthur Eddington）帶領一支科考隊，在西非記錄了一次日全食。這也許是最著名一次的日全食科考，因為這次的觀測結果證實了廣義相對論的預言。

回到英國後，愛丁頓在劍橋大學三一學院進行了一次演講，介紹這次非洲之旅以及廣義相對論的內容。

正是這場演講，改變了塞西莉亞·佩恩-加波施金（Cecilia Payne-Gaposchkin）的一生。[1]

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

從小鎮到倫敦

1900年，塞西莉亞生於英國白金漢郡。

她6歲開始上學，有幸遇見了很好的老師。經過6年的教育，她在12歲時已經會說法語、德語和基本的拉丁語，還學習了幾何和代數。那時，她最大愛好就是解一元二次方程[2]。

小小年紀的她，甚至覺得已經學會了需要知道的一切。也是從這時開始，塞西莉亞想成為一名科學家。

12歲時，塞西莉亞一家搬到倫敦，情況也發生了轉變。在這裡的學校，第一年不開設科學課，塞西莉亞只能自學一些物理和數學知識。而且，當時社會偏見嚴重，認為女性不適合從事科研。學校裡的一位數學老師甚至直接說塞西莉亞「永遠成不了一位學者」。

誰說女性無法成為學者？| 圖蟲創意

為了更好地研究科學，塞西莉亞態度堅決，要求學習數學、德語。所等來的答覆是，學校勒令她轉學。不過，事後來看，這反而是因禍得福。

1918年，塞西莉亞進入聖保羅女子學校（St Paul's Girls' School）。在那裡，她不僅可以學習科學，還被鼓勵發展音樂特長。學校的音樂總監把她招進學校的交響樂團，教她作曲，還鼓勵她做一名音樂家。

不過，出於熱愛，塞西莉亞還是選擇「科學」作為了自己的求學方向。

從劍橋到劍橋

只用了短短一年時間備考，塞西莉亞就通過了劍橋大學的考試，進入紐納姆學院進行學習。她甚至還得到了一筆獎學金，足以支付她的學費。

在劍橋大學，塞西莉亞一開始嘗試研修植物學。在堅持一年後，她轉而開始學習物理。這很有可能受到了物理學家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）一次講座的影響。

作為諾貝爾物理學獎得主，波爾的洞見讓塞西莉亞對物理學產生了極大興趣。不過，她在回憶錄中還是抱怨了這位丹麥學者的嚴重口音：

玻爾反覆提到一個東西，我當時記錄的時候寫成「湯群」（soup groups），後來我才知道原來那是「子群」（subgroups）。

隨後，文章開頭提到的愛丁頓講座，再次震撼了塞西莉亞。她下定決心，投身天文物理學。此後，她聽了所有能參加的天文學課程，還向愛丁頓本人請教天文學方面的各種問題。

阿瑟·愛丁頓 | Wikimedia Commons, George Grantham Bain Collection, Library of Congress Prints and Photographs Division Washington, D.C. / Public Domain

獲得了學士學位之後，塞西莉亞幸運地結識了美國哈佛學院天文臺臺長哈羅·沙普利。在交談中，沙普利鼓勵她去哈佛學習一年。

1923年，塞西莉亞手握著愛丁頓充滿溢美之詞的推薦信，前往位於美國麻薩諸塞州劍橋的哈佛大學。

到了美國後，塞西莉亞跟隨沙普利進行研究。沙普利為人友善，願意幫助別人。但是，塞西莉亞為博士論文確定研究方向時，卻沒有聽從沙普利的建議。其實，在來美國之前，她就已經做好了打算，要研究恆星光譜。這在當時是一個比較前沿的領域，通過對恆星發出光的分析，可以推導出這顆恆星的溫度、成分等很多信息。

哈羅·沙普利 | 參考資料[3]

幾個月之後，研究初見成效，沙普利建議她可以用一些的結果發表論文。但是，塞西莉亞卻不願意這麼做，她不想用幾個淺嘗輒止的研究拼出來一篇博士論文，她想要做的是把一件事情徹底搞明白，要搞就搞大的。

揭開太陽的秘密

塞西莉亞的大目標是——通過光譜來弄清太陽的組成。

當時，天文學家會通過研究巴耳末系吸收光譜來了解恆星大氣中的成分。基於這種方法，學術界形成的主流結論是：太陽及其他恆星大氣中元素的相對豐度與地殼中的類似，也就是各種元素之間的比例類似。

著名的物理學家亨利·諾裡斯·羅素（Henry Norris Russell）就持有這種觀點。他認為：「如果地殼的溫度上升到太陽大氣的溫度，那麼它的吸收光譜會和太陽大氣很相似。」這一派的部分支持者還相信太陽的光譜與其他恆星類似，也就是說——宇宙各處元素的相對豐度都和地殼中元素的相對豐度類似[4]。

學術界的主流觀點是，太陽及其他恆星大氣中各種元素之間的比例與地殼類似 | Pixabay

塞西莉亞卻不同意這個觀點。

在了解了印度物理學家梅格納德·薩哈（Meghnad Saha）對原子在高溫狀態下發生電離的研究後，塞西莉亞意識到主流的光譜學方法可能存在缺陷——他們忽略了恆星溫度、壓力等對光譜造成的影響。當薩哈訪問哈佛大學的時候，他們二人還當面進行了交流。

結合薩哈的研究，再加上自己對哈佛天文臺已有的大量恆星光譜檔案進行的細緻分析，塞西莉亞漸漸形成了一套自己的理論。

1925年1月1日，塞西莉亞提交了她的博士論文。在這篇題目為《恆星大氣：對恆星反變層中高溫的觀測研究的一項貢獻》（A Contribution to the Observational Study of High Temperature in the Reversing Layers of Stars）的論文中，她把薩哈的電離方程應用在處於第一激發態的氫原子的巴耳末系吸收譜的研究中。

她發現，在太陽大氣5500℃的溫度下，大約在2億個氫原子中只有1個處於第一激發態。天文學家此前用「巴耳末系吸收」的方法，實際上是遠遠低估了太陽大氣中的氫原子數量。

塞西莉亞用這套方法進一步分析了太陽大氣中的氦，也得到了相似的結論。這些結果對於其他恆星同樣適用。因此，她得出結論，與地殼中富含氧、矽等元素不同，氫和氦是構成太陽的主要元素，原子數量之和佔總數的99%。

太陽主要成分是氫和氦 | Pixabay

她把這個結果寫在論文的草稿中，並寄給了羅素。

當然，羅素強烈反對，直接回覆說：這絕不可能。羅素試圖說服塞西莉亞把這個結論刪去。但是到了1929年，羅素用其他方法證明了塞西莉亞的結論，他不得不承認塞西莉亞是正確的。

隨著現代科技的進步，科學家們也有了更加精確的分析手段。根據一份來自美國國家航空航天局（NASA）的數據，如果考慮原子的總數量，太陽的組成成分中91%是氫，8.9%是氦；如果考慮原子的總質量，太陽的組成成分中70.6%是氫而27.4%是氦[5]，這與塞西莉亞當年的計算基本一致。

天文學家奧託·斯特魯維（Otto Struve）曾經評價說，塞西莉亞的博士論文是天文學領域內最傑出的博士論文。2018年，美國物理學會把天體物理博士論文獎命名為「塞西莉亞·佩恩-加波施金博士論文獎」，以紀念這位天體物理學先驅。

美國作家瑞秋·伊格諾託夫斯基（Rachel Ignotofsky）在《無所畏懼：影響世界歷史的50位女科學家》（Women in Science: 50 Fearless Pioneers Who Changed the World）中介紹了塞西莉亞。| 參考資料[6]）

享受成為「第一人」的感覺

1925年，塞西莉亞獲得博士學位，決定繼續留在哈佛大學工作。但是在那個時代，女性在大學中的晉升空間有限。在很長時間裡，她只能擔任低級研究職位並領取很低的薪水。

但是，塞西莉亞對天文學的熱情卻絲毫沒有降低，並繼續開展著有關恆星的研究，先後出版了《高光度恆星》、《變星》、《天文學導論》等多部專著。1934年，她獲得了美國天文學會的安妮·坎農獎（Annie Jump Cannon Prize）。這一獎項就是以另一位傑出的女性天文學家安妮·坎農命名的。

塞西莉亞·佩恩-加波施金 | 參考資料[7]

直到1956年，因為恆星相關的一系列研究成果，塞西莉亞終於成為了正教授，她也是哈佛大學歷史上第一位女性正教授。同時，她還成為了天文系系主任，這也是該校的第一位女性系主任。

1976年，塞西莉亞在接受美國天文學會為她頒發的亨利·諾裡斯·羅素獎章（Henry Norris Russell Prize）時，曾經這樣分享自己從事科學研究的感受。

「科學研究的回報就是成為歷史上第一個看到什麼或者理解什麼的人所帶來的那種激動之情，沒有什麼可以與那種感覺相比[8]。」

1979年，塞西莉亞在麻薩諸塞州的劍橋去世。這位天文學家一生的故事，都濃縮到了她的自傳《塞西莉亞·佩恩-加波施金：自傳及其他回憶》中。

塞西莉亞的自傳 | 參考資料[9]

在研究太陽的歷史中，塞西莉亞是一個裡程碑。她的理論深刻改變了我們對太陽的認識，奠定了研究太陽和其他恆星的重要基礎。

那個曾被老師認定「永遠無法成為學者」的小女孩，卻最終揭開了太陽組成的秘密。

作者名片

作者：鞠強

編輯：圓的方塊

排版：雷昱兒

參考資料：

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Cecilia_Payne-Gaposchkin

[2] http://www-history.mcs.st-and.ac.uk/Biographies/Payne-Gaposchkin.html

[3] https://supernova.eso.org/exhibition/images/1002_B-CCfinal_copy/

[4] https://www.aps.org/publications/apsnews/201501/physicshistory.cfm

[5] https://solarsystem.nasa.gov/solar-system/sun/in-depth/

[6] https://www.brainpickings.org/2016/07/28/women-in-science-rachel-ignotofsky/

[7]https://mujeresconciencia.com/2017/04/12/cecilia-payne-gaposchkin-la-astronoma-descubrio-la-composicion-las-estrellas/

[8] https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1977AJ.....82..665P/abstract

[9] https://explorethearchive.com/biographies-of-famous-women

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