【物理史中的一月】1925 年 1 月 1 日:佩恩-加波施金(Cecilia Payne-Gaposchkin)改變宇宙的一天

1925 年 1 月 1 日:佩恩-加波施金(Cecilia Payne-Gaposchkin)改變宇宙的一天

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2015 年 1 月)

Photo: Smithsonian Institution
佩恩-加波施金(Cecilia Payne-Gaposchkin)在哈佛

佩恩(Cecilia Payne)從她在英格蘭的童年開始,及至吝於給女性身份的科學界中聲名大噪,走了好一段孤獨、漫長的旅程。佩恩獲得劍橋大學的獎學金,主修物理學,開啟了她的科學生涯。在遇見哈佛大學的夏普力(Harlow Shapley)後,她搬到麻州,繼續修天文博士學位。佩恩 1925 年標題為〈恆星大氣〉的論文,被天文學家史特魯維(Otto Struve)極度推崇是「在天文學方面曾寫過最優秀的博士論文」。經由恆星光譜計算化學元素的含量,她的研究開啟了天文物理學的革命。

夏普力常說,沒有人能獲得博士學位,除非他在過程中吃過苦。當佩恩的恆星光譜博士計劃接近尾聲時,她寫說:「接下來有好幾個月,我記得幾乎一整年,是極度混亂。我經常在疲憊和絕望的狀態,整天工作到深夜1。」也許詩人雪萊(Percy Bysshe Shelley)在 1819 年的詩句最能表現受苦研究生的苦境:“正如詩人,他們將苦難中所學,化為歌詠傳授。”

當佩恩開始研究恆星光譜時,科學家深信太陽和恆星大氣中的元素相對含量和地球地殼中類似。1889 年,地球化學家克拉克(Frank Wigglesworth Clark)的書《化學元素的相對含量》(The Relative Abundance of the Chemical Elements)是他從地球地殼不同地區的礦物做廣泛取樣的結果。太陽光譜的許多明亮線來自於地球最多的元素,當時卓越的美國物理學家羅素(Henry Norris Russell)和羅蘭(Henry Rowland)都相信地球和太陽的元素含量實質上是完全相同的。羅素寫道2:「太陽和地球的元素表這麼一致,高度確認了羅蘭的觀點──假如地殼被提升到太陽大氣的溫度,它的吸收光譜會很類似。」太陽和其他恆星的光譜很類似,因此宇宙中元素的相對含量似乎就像地殼的一樣。

佩恩比當時大多數的天文學家更了解原子光譜,她還知道物理學家薩哈(Meghnad Saha)1920 年有關原子熱電離的研究。薩哈說明如何利用物理化學中的平衡方程式去連結激發態與基態的比率,以及將各電離態的比例連結到溫度、電子濃度、游離電位、和其他恆星大氣的特性。當薩哈訪問哈佛時,那時他的研究正漸為天文學家所知道,佩恩和他見了面。

佩恩的論文3於 1925 年 1 月 1 日完成,證實了羅素和羅蘭有關恆星大氣中重元素含量的觀點。之後,她應用薩哈的方程式於氫原子的巴耳末吸收光譜系,那是源自處於第一個激發態中的原子。佩恩是第一個領會到,在絕對溫度 5,700 度的太陽大氣中,2 億個氫原子中大約只有 1 個是在這個激發態中,因此經由巴耳末吸收譜絕不足以代表氫的總數。相同的論點也適用於氦,她還發現其他的恆星也有類似的結果。佩恩下結論說,氫和氦是太陽和恆星主要的元素,這和地球不一樣。羅素強烈反對此結論,說服她將該論點從論文中刪除。然而,目前公認銀河系中的元素質量比值為:74 % 的氫,24 % 的氦,其餘元素總和 2 %,確證了佩恩的結果。她準確地發現宇宙元素的含量而深深地改變了我們對宇宙的認知。哥白尼、牛頓和愛因斯坦等巨人都在他的時代帶給我們宇宙的新觀點,佩恩對宇宙元素含量的發現也一樣。

1934 年,佩恩訪問列寧格勒的天文台,那時蘇聯-德國關係緊張,生活困苦,對外國人有敵意。她繼續前往德國,情況一樣緊張,在那裡她遇見一位年輕的俄國天文學家加波施金(Sergei Gaposchkin)。雖然加波施金因他的政治見解在蘇聯遭受迫害而且生活艱苦,但他仍成為成功的天文學家。加波施金因為是俄國人而面臨迫害,所以他請佩恩助他去美。佩恩被他的故事所感動,回國後努力為他申請無國籍人士的簽證。加波施金去美,後來兩人於1934年結婚,她成了佩恩-加波施金。

佩恩一完成她的博士學位,在考慮各方機會後,決定繼續留在哈佛。當時,哈佛不許女性晉升為教授,因此,她花了好幾年做著較低階,薪水低的職位。佩恩出版了幾本書,包括 1930 年的《高亮度的恆星》(The Stars of High Luminosity);1938 年的《變星》(Variable Stars);以及 1954 年的《變星和星系結構》(Variable Stars and Galactic Structure)。

終於在 1956 年,佩恩-加波施金贏得了兩個哈佛第一:她成了第一位女性教授,以及第一位成為系主任的女性。

她的訃聞有一部分這樣寫著:「佩恩-加波施金,一位有開創性的天文物理學家,也許是史上最卓越的女性天文學家,於 1979 年 12 月 7 日逝世於美國麻薩諸塞州劍橋。在 1920 年代,她從恆星光譜中得出宇宙元素含量,最先證明了宇宙的化學同質性。」4

 

參考資料:

  1. C. Payne-Gaposchkin, An Autobiography and Other Reflections, Katherine Haramundanis, ed. (Cambridge University Press, 1996).
  2. Science 39, 791(1914).
  3. C. H. Payne, Stellar Atmospheres (Harvard University Press, Cambridge, MA, 1925)
  4. Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society, 23, 450 (1982).

 

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