Cecilia Payne-Gaposchkin：在星星中发现氢的女人

氢是最简单的原子，是宇宙的基本组成部分。我们知道它在宇宙诞生后不久就存在了，并且仍然作为恒星形成的星际介质的很大一部分出现。它也是核燃料，使恒星在亿万年的演化过程中不断辐射出大量能量以产生化学元素。

但我们如何得知氢是宇宙中广泛存在的基本组成部分呢？没有足够多的人知道氢在宇宙中的重要性是由一位年轻的博士生塞西莉亚·佩恩（结婚后的佩恩-加波施金）首先认识到的，她于 1925 年在恒星中发现了氢。事实上，她在女性获得博士学位仍然极其困难的时候获得了博士学位，并为她的论文做了突破性的研究。尽管她在科学上取得了巨大的成功，但她的故事也展示了阻碍女性实现科学愿望的障碍和性别歧视，并影响了她们的职业生涯。

年轻科学家

塞西莉亚·佩恩 (Cecilia Payne) 1900 年出生于英国温多弗。她四岁时父亲去世，但她的母亲艾玛 (Emma) 看到她有一个有天赋的孩子，想成为一名科学家。艾玛让她的女儿就读于伦敦的圣保罗女子学校，该校的科学教学设备齐全。这位 17 岁的女孩在那里茁壮成长，正如佩恩-加波什金后来在她的自传中所写的那样 染工之手 （以标题重新发布 塞西莉亚·佩恩-加波什金：自传和其他回忆)，她会偷偷溜进科学实验室，“做一次我自己的小型礼拜仪式，崇拜化学元素”。

她的高级科学教育始于 1919 年，当时她进入 纽纳姆学院 在 剑桥大学 靠奖学金。在那里，她学习了她的初恋植物学，以及物理和化学——尽管当时该大学不向女性提供学位。尽管如此，那是研究物理科学的一个激动人心的时刻，因为它吸收了量子力学和相对论的新兴领域。

在剑桥，欧内斯特·卢瑟福等人正在探索原子和亚原子世界，阿瑟·爱丁顿正在研究恒星的结构和发展。事实上，佩恩-加波什金的物理老师就是卢瑟福本人，但作为班上唯一的女性，她发现自己受到了羞辱。当时的大学规定要求她坐在前排。正如她在自传中所述，“每次演讲时，[卢瑟福]都会尖锐地注视着我……并以他洪亮的声音开始：”女士们 和先生们。所有的男孩都经常用雷鸣般的掌声和跺脚来迎接这个俏皮话……每次听课我都希望自己能沉入地下。直到今天，我本能地尽可能回到教室。”

相反，佩恩-加波施金在爱丁顿身上找到了灵感。几乎是偶然，她参加了他关于 1919 年西非探险的讲座，这次探险证实了爱因斯坦的广义相对论。这给她留下了深刻的印象，以至于她决定选择物理学和天文学而不是植物学。后来，当她碰巧遇到爱丁顿时，正如她在自传中所写的那样，“我脱口而出，我想成为一名天文学家……他的回答让我在多次拒绝中得以支撑：‘我看不出有什么不可克服的反对意见。’”他让她从事恒星结构方面的工作，但他也警告她，从剑桥毕业后，英国的女天文学家可能就没有机会了。

新海岸

幸运的是，当佩恩-加波什金遇到了该项目的主任哈洛·沙普利（Harlow Shapley）时，一种新的可能性出现了。 哈佛大学天文台 他访问英国期间在马萨诸塞州剑桥市。他鼓励她的努力，她得知他正在开设天文学研究生课程。在爱丁顿的热情推荐下，沙普利为她提供了适度的研究员津贴。 1923年，她乘船前往美国，在沙普利的指导下开始攻读博士学位。

长期以来，女性一直为哈佛天文台的研究做出了贡献。 1870 年代，沙普利的前任所长查尔斯·皮克林 (Charles Pickering) 开始雇用被称为“哈佛计算机”（原意为计算人员）的女性来分析天文台收集的数据存储。女性受到青睐，因为她们被认为比男性对涉及细节的工作更有耐心，而且她们接受的工资比男性低。有些计算机是在没有科学背景的情况下雇用的，但即使是那些拥有大学学位的计算机，也像非技术工人一样获得每小时 25-50 美分的报酬（参见“黑暗透过玻璃的宇宙“）。

哈佛计算机不是独立的研究人员，而是分配项目的助手。尽管如此，这些女性对早期观测天文学做出了一些最重要的贡献。其中包括因发现造父变星的周期-光度关系而闻名的亨利埃塔·斯万·莱维特 (Henrietta Swan Leavitt) 和因组织恒星光谱而获得国际认可的安妮·跳跃·坎农 (Annie Jump Cannon)。

自 19 世纪中叶以来，人们就知道每种元素都会产生独特的光谱线图案，并且不同恒星的光谱既有相似之处，也有不同之处。这表明恒星可以被分为不同的组，但对于如何最好地这样做却没有达成一致。

1894 年，坎农开始了一个项目，检查天文台收集的恒星光谱，并将它们整理成有用的顺序。这项艰巨的任务困扰了她多年。来自不同恒星的光谱被记录在玻璃照相板上，每张图像的长度不超过一英寸。 Cannon 使用放大镜读取了数十万个光谱的详细信息，并将其中的大部分分为六组，分别标记为 B、A、F、G、K 和 M，少数置于 O 组。巴尔默吸收线的强度（描述氢原子的谱线发射）并反映特定元素的光谱特征，例如 K 星中的金属。

光谱研究

然而，坎农并没有探究产生光谱的物理机制，也没有从中提取定量信息。在她的博士论文中，佩恩-加波施金利用她在剑桥学到的物理学知识，用最新的理论来分析这种独特的数据缓存。光谱线的起源仅在十年前的 1913 年由尼尔斯·玻尔 (Niels Bohr) 的早期氢原子量子理论确立，后来被其他人扩展。这些理论适用于中性原子。佩恩-加波什金的伟大洞察力在于认识到激发或电离原子的光谱（例如在恒星的热外层大气中出现的光谱）与同一物种的中性原子的光谱不同。

温度、热原子的量子态及其谱线之间的关系是由印度物理学家 Meghnad Saha 于 1921 年导出的。如果不知道每种元素的量子能级，他就无法完全测试他的想法，但佩恩-加波什金开始研究时正在测量这些量子能级。经过巨大的努力，她将新数据与萨哈的理论结合起来，全面解释了坎农的恒星光谱，包括温度效应。一个重要的结果是恒星温度与 Cannon 类别的相关性，该结果至今仍在使用：例如，B 星的发光温度为 20,000 K，而 M 星的发光温度仅为 3000 K。这一结果是 Payne-Gaposchkin 1925 年出色论文的一部分 恒星大气，受到好评，但她论文中的另一个结果却没有。

构图难题

佩恩-加波什金计算了恒星光谱中每种元素的相对丰度。对于其中的 15 个，从锂到钡，不同恒星的结果相似，并且“与地球的成分显示出惊人的相似之处”。这与当时天文学家的信念一致，即恒星是由与地球相同的物质构成的。

但随后出现了一个巨大的惊喜：她的分析还表明，氢的含量是其他元素的一百万倍。与此同时，氦气的含量却丰富了一千倍。太阳几乎完全由氢构成的结论立即给她论文的一位受人尊敬的外部审查员带来了麻烦。他是普林斯顿天文台台长亨利·拉塞尔，也是地球和太阳具有相同成分这一观点的坚定支持者。拉塞尔对她的氢气结果印象深刻，直到他读到了她的氢气结果。然后他写信给佩恩-加波施金说，这个理论肯定有问题，因为“氢显然不可能比金属丰富一百万倍。”

如果没有拉塞尔的批准，论文将不会被接受，因此佩恩-加波什金做了她认为必须做的事情。在她论文的最终版本中，她否认了她的这部分工作，写道“从[氢和氦]中衍生出的巨大丰度几乎可以肯定不是真实的。”但在 1929 年，罗素使用不同的方法发表了他自己对包括氢在内的元素的恒星丰度的推导。他引用了 Payne-Gaposchkin 的工作，并指出他对所有元素（包括大量氢）的结果与她的结果非常吻合。拉塞尔的论文虽然没有直接说明，但证实了佩恩-加波施金的整个分析是正确的，并且她是第一个发现太阳主要由氢组成的人。尽管如此，他从未在她的论文中表示他最初拒绝了这个结果。

拉塞尔对氢的评论可能是为了警告一位年轻科学家，提出与公认观点相反的结果可能会损害她的职业生涯。可能只有像罗素这样的高级研究员才能让天文学界相信这一新发现。事实上，他后来的论文影响天文学家接受恒星是由氢组成的这一观点，以至于他被认为是这一发现的发现者。

塞西莉亚·佩恩-加波什金 (Cecilia Payne-Gaposchkin) 的论文的力量不言而喻。她清晰的写作风格、对主题的掌握和开拓性的科学光芒四射

即使没有适当的认可，佩恩-加波什金的论文的力量也是不言而喻的。她清晰的写作风格、对主题的掌握和开创性的科学都熠熠生辉。沙普利将这部作品印刷成专着，并售出 600 册——几乎成为论文的畅销书。近 40 年后，最高的赞誉出现了，当时杰出的天文学家奥托·斯特鲁维 (Otto Struve) 称 恒星大气 “天文学史上最精彩的博士论文”。

即使佩恩-加波什金对拉塞尔有任何恶意，她也没有表现出来，并与他保持着私人关系。她在 1977 年为纪念他（他于 1957 年去世）举行的一次研讨会上发表了对他的工作的评论，称他 1929 年的论文“具有划时代意义”，但没有提及她自己的工作。她非常后悔的是，她没有支持自己的结果。她的女儿凯瑟琳·哈拉姆达尼斯写道，“她一生都对这个决定感到遗憾”。佩恩-加波什金在她的自传中写道：“我应该为没有强调我的观点而受到指责。当我相信自己是对的时候，我就向权威屈服了……我在这里记下它，作为对年轻人的警告。如果你确信自己的事实，你就应该捍卫自己的立场。”

与偏见和成见作斗争

完成论文后，佩恩-加波什金继续留在沙普利领导下的天文台，但情况异常。她想继续天体物理学研究，但由于沙普利作为他的“技术助理”付给她一份（小额）薪水，他觉得他可以像哈佛计算机一样指导她，让她去测量恒星的亮度——例行项目对她来说并没有太大的吸引力。沙普利还让她教授研究生课程，但没有“讲师”的头衔，更不用说“教授”了，也没有将她的课程列入目录。为了解决这个问题，沙普利联系了院长兼哈佛大学校长阿博特·劳伦斯·洛厄尔，但他们坚决拒绝。洛厄尔告诉沙普利，佩恩小姐（当时对她的称呼）“只要他还活着，就永远不会在大学里拥有一个职位”。

像这样的性别偏见影响了佩恩-加波什金职业生涯的每个阶段。她的博士学位（哈佛大学第一个天文学博士学位）严格来说并不是来自哈佛大学。沙普利曾要求哈佛大学物理系主任签署论文，但当沙普利转达给佩恩-加波什金时，系主任拒绝接受女性候选人。相反，沙普利必须安排她的博士学位由 拉德克利夫，哈佛大学女子学院。后来，当沙普利开始在哈佛大学建立一个真正的天文学系时，他确信他最好的研究员佩恩-加波什金完全有资格担任该系的第一任系主任，但他意识到洛厄尔永远不会允许这样做，所以他带来了在一位男性天文学家身上。

在天文台工作了几十年，出版了书籍和数百篇研究论文，并成为一名广受欢迎的讲师后，佩恩-加波什金仍然处于职业生涯的暮色之中——薪水微薄，也没有真正的学术职位。直到 1954 年，沙普利退休，拉塞尔在普林斯顿大学的获奖学生唐纳德·门泽尔 (Donald Menzel) 成为天文台台长后，这种情况才发生了变化。他发现佩恩-加波什金的工资很低，于是将她的工资翻了一番，然后做了一些真正意义重大的事情。随着洛厄尔和他的反女性偏见早已消失（他于 1933 年退休），门泽尔得以任命佩恩-加波什金为天文学正教授。这是一个大新闻： “纽约时报” 21 年 1956 月 XNUMX 日报道称，“[Payne-Gaposchkin] 是第一位通过定期教师晋升获得哈佛正教授职位的女性。”几个月后，她成为天文学系主任，成为哈佛大学第一位女性系主任。

回想起来，佩恩-加波什金的职业生涯非常成功，拥有出色的论文、多产的研究、出色的教学以及她在哈佛的“第一”和其他荣誉。除了所有的学术工作外，她还为自己的个人生活找到了空间。 1934 年，她与俄罗斯流亡天文学家谢尔盖·加波什金 (Sergei Gaposchkin) 结婚，并在继续天文学研究的同时与他抚养了三个孩子。

卓越的驱动力

从某种意义上说，人们可能会说她“拥有一切”将科学与家庭和孩子结合起来，但由于对女性的偏见，实现这一目标不必要地困难和折磨。她在 56 岁时才成为正教授，比具有类似成就的人达到这一地位要晚得多，并且在晋升时被忽略，这肯定造成了心理上的损失。只有具有非凡动力和毅力以及科学能力的人才能坚持到最终被认可。

最终，于 1979 年去世的塞西莉亚·佩恩-加波什金 (Cecilia Payne-Gaposchkin) 是一位先驱科学家，她在整个职业生涯中做出了令人惊叹的工作，但大部分时间都没有得到专业对待。大多数哈佛计算机人员都是员工，而不是研究人员或研究生。虽然沙普利给了佩恩-加波什金重要的机会，并了解她是一位多么优秀的科学家，但他也确实将她视为又一台哈佛计算机，受雇来支持他自己的天文台计划。她将女性在天文学中的地位提升到了计算机之外，但她仍然遇到了阻碍她成为她想成为的完整科学家的障碍，而女性直到 20 世纪后期才开始实现这一目标。她的杰出工作经常被忽视，她的遗产经常被遗忘，因为她成为科学界众多“隐藏”的女性之一，她们实际上在各自的领域奠定了基础。直到最近，佩恩-加波什金等人的重大贡献才被写入科学史，她应该被铭记为科学界女性新旧可能性之间的关键过渡人物。

该职位 Cecilia Payne-Gaposchkin：在星星中发现氢的女人 最早出现 物理世界.

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• 资料来源：https://physicalsworld.com/a/cecilia-payne-gaposchkin-the-woman-who-found-Hydrogen-in-the-stars/