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找出太陽的主成分──佩恩誕辰│科學史上的今天:5/10

photo credit: wikipedia

太陽的龐大質量主要是由氫組成,因此才能提供源源不絕的燃料讓太陽數十億年來持續發出光和熱,孕育出生機盎然的地球。不過直到一九二○年代之前,天文學界從未想過太陽蘊含如此豐富的氫。力排眾議,指出此一事實的竟是一位初出茅蘆的年輕女性。

十九歲的西西莉亞·佩恩(Cecilia H. Payne, 1900-1979)進入劍橋大學就讀時,原本主修物理、化學與植物學,但在聽了愛丁頓爵士來校演講,講述他如何遠赴非洲觀測日蝕時的恆星位置,以驗證愛因斯坦的廣義相對論後,即轉而鍾情於天文學。當時劍橋大學雖然允許女性就讀,卻不授予學位,因此她修完四年的課程後,隨即於 1923 年轉往相對開放進步的美國攻讀博士。

當時透過分析太陽光譜的暗線(夫朗和斐線)已經知道太陽由那些元素組成,但是並不確定這些元素各佔多少比例。理論上,某一元素的比例越高,它的譜線強度也應該越強,只要分析比較譜線強度就能得知元素多寡。但是複雜的夫朗和斐線乍看並無異樣,加上當時普遍認為既然太陽系的天體形成時間都差不多,遵循的物理原理也一樣,也就直接認定太陽的元素比例與地球應無二致。

但聰穎的佩恩已經掌握波耳十年前提出的量子理論,得知光譜上的暗線是電子吸收特定波長的光而躍遷到較高的能階。再應用印度物理學家薩哈(Meghnad Saha)的電離理論,正確指出不同恆星的夫朗和斐線互有差異並非元素成分不同,而是恆星的不同溫度造成元素離子化的程度不一樣所致。

佩恩據此分析太陽與其它恆星的夫朗和斐線後,發現它們的組成元素幾乎全部一樣。更匪夷所思的是,氫與氦占了絕大部分(分別是 71% 與 27%),其它元素總共占不到 2%。這完全違背了當時的認知。她的指導教授特地徵詢當時的天體光譜學權威羅素(Henry Russell),得到的回覆是這結果「顯然不可能」;於是佩恩只好在博士論文最後備註自己的計算「幾乎可以肯定與實際不符」,以讓論文順利過關,而於 1925 年取得博士,成為哈佛大學史上第一位天文博士。

四年後,羅素從不同方向著手也計算出與佩恩同樣的結果,另有兩位天文物理學家也驗證了佩恩的理論,從此天文學家才相信恆星主要由氫與氦所組成;她那篇論文也被譽為天文學領域最重要的博士論文。那個年代,女性在天文學這個領域僅能擔任助理;佩恩的成就證明女性也能獨當一面,提升了女性的地位,也鼓舞更多女性投入天文學研究,她也在 1956 年成為哈佛有史以來第一位獲永久聘書的女教授,稍後又成為哈佛史上第一位女性系主任。

 

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。