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薇拉·鲁宾,暗物质女神与性别歧视的漫长抗争

高山大学

作者|李玉茜  来源|高山大学(ID:gasadaxue)

薇拉·鲁宾(Vera Rubin,1928年7月23日-2016年12月25日),研究星系自转速度的先驱,她发现了实际观察的星系转速与原先理论的预测有所出入。

同时,她因确认暗物质存在的革命性贡献而闻名于世,被誉为“暗物质女神”。

诺贝尔物理学奖迄今共有203位获奖者,但其中只有两名女性:1903年获奖的居里夫人和1963年的玛丽亚·格佩特-梅耶女士。

薇拉·鲁宾一直被视为第三位女性诺贝尔物理奖得主的有力冲击者,她发现了暗物质存在的重要证据,掀起了一场天文学革命,彻底改变了人类对宇宙的认识。

2016年12月25日圣诞节,薇拉·鲁宾与世长辞。诺贝尔奖冷落女性的问题,再次引发热议。

作为一名女性科学家,薇拉·鲁宾曾无数次因为性别被科学界拒绝,但她一直勇敢抗争。与此同时,鲁宾持续不断的在为女性参与科研发声。

“天文学系不招收女生”

1928年7月23日,鲁宾在美国宾夕法尼亚州费城出生。10岁时,全家搬到了华盛顿哥伦比亚特区。在这里,鲁宾有一间朝北的卧室,晚上能看到夜空中闪闪烁烁的星星,她对此着迷,常常持续几个小时凝视夜空,甚至绘制流星轨迹的详细地图。

鲁宾的父亲是电气工程师,鼓励她追求对星星的兴趣。在鲁宾14岁时,他为女儿制作了第一个望远镜,并经常带她去参加华盛顿业余天文学会议。

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薇拉·鲁宾在用望远镜观测,图片来源:academcity.org

但在外面的世界,尤其是学校和科学界,鲁宾受到了频繁的拒绝和打击。

高中毕业后,鲁宾向斯沃斯莫尔学院(Swarthmore College)提交了申请,招生面试官尝试把她从天文学引向更加“淑女”的画天文题材的专业。后来,这成了鲁宾家里的一个笑话。她说:“只要我工作中出了问题,一定会有人说,‘你是否考虑过画画的职业?’......”

最终,鲁宾被瓦萨学院(Vassar College)录取,瓦萨学院是当时为数不多的女性可以学习天文学的地方,这里有美国历史上第一位女性职业天文学家,也是瓦萨学院第一位天文学教授——玛莉亚·米切尔(Maria Mitchell)。

被瓦萨学院录取后,鲁宾开心地将消息告诉了自己的高中物理老师。老师则对她说,“远离科学,你会做得很好。”

1948年,鲁宾作为唯一一名天文学专业本科生从当时还是女校的瓦萨学院毕业。

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鲁宾在瓦萨学院进行天文学观测

图片来源:Vassar College

当时,鲁宾想进入在天文学上享有世界声誉的普林斯顿大学继续读研究生,却被告知天文学系不收女生。直到1975年,普林斯顿大学这项政策废除,天文学专业才开始招收女生。

据说,此后,鲁宾被哈佛录取,但她拒绝了。因为她刚和物理化学家罗伯特·鲁宾结婚,和他一起去了康奈尔大学(Cornell University)。(她拒绝后,得到了一封哈佛的正式回信,信的底部是手写的潦草字,“该死的女人!每次,我准备好了,她走了,结婚了!”)

事后再看,鲁宾选择康奈尔大学非常正确,因为她在这里幸运地参与了1997年两位诺贝尔奖获得者汉斯·贝特( Hans Bethe)和理查德·费曼( Richard Feynman)的物理学研究生课程。汉斯·贝特破译了复杂的激发恒星能量的聚变反应,理查德·费曼重整化了量子电动力学。也是在康奈尔大学,鲁宾与天文学家玛莎·斯塔尔·卡彭特(Martha Stahr Carpenter)合作。后来,鲁宾接受采访说:“卡彭特的星系动力学课程几乎促使我整个职业生涯都朝着这个方向前进。”

鲁宾的硕士毕业论文选择了星系是否会像行星围绕恒星公转一样在宇宙中转动,论文表明遥远的星系偏离了宇宙大爆炸模型中的星系的简单的均匀膨胀模式。对那时候的科学界来说,这个结论难以令人信服,论文出版遭到拒绝。(几十年后,她的论文被认为是预言。)

从康奈尔大学硕士毕业后,鲁宾成为了一个家庭主妇,她并不快乐。她说:“每次收到《地球物理学研究杂志》我都会哭……在我受过的教育中,没有家务这项。在康奈尔大学,我的丈夫做科研,我却只能在家里换尿布。”

“暗物质藏在这里”

但鲁宾没有轻易放弃。

鲁宾的丈夫在华盛顿找到了新工作,也鼓励鲁宾追求自己的天文学梦想。

在华盛顿,只有乔治敦大学(Georgetown University)可以授予天文学博士学位,鲁宾通过夜校在乔治敦大学获得了博士学位。她师从俄罗斯著名核物理学家、宇宙学家乔治·伽莫夫(George Gamow)。伽莫夫曾经主动联系鲁宾,询问她有关星系自转的研究工作。但据说,伽莫夫不允许她参加他在乔治城应用物理实验室开设的讲座,称“那里不容许‘妻子们’”。

1954年,鲁宾发表了博士论文,那是一项里程碑式的研究。它表明,天空中星系的分布绝非以前人们的认为——它是不平滑和不均匀的,实际上是块状的。

不幸的是,鲁宾再一次超前了她的时代。她获得了“古怪”的名声,以及被认为“反对主流的天文学思想”。

博士毕业后,鲁宾成为了卡内基科学研究所地磁部的首位女研究员,并在那里结识了她此后的重要合作伙伴肯特·福特(Kent Ford)。

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鲁宾和福特(白帽子)于1965年在洛厄尔天文台(Lowell Observatory)一起进行首次观测时

图片来源:Carnegie Institution

因为自己此前的工作频繁引发争议,鲁宾感觉很苦恼。她决定休息一下,选择一个感兴趣又不是那么热门、没有很多人关注的领域,更安心的做研究。就这样,鲁宾开始研究天文学中一个最平凡的领域——星系的旋转。

鲁宾选择了距离我们最近的太空邻居——仙女座星系(Andromeda Galaxy,代号M31)。在观测开始的时候,鲁宾和福特期望发现仙女座星系外缘旋转的气体比中心附近的气体速度更慢,像太阳系那样,远离核心时气体的速度应该减慢。

太阳系行星运动:由于星系的质量大部分都集中在星系中心,而这些质量产生的引力决定了旋转的速度,因此靠近星系中心的恒星运动得快,远离星系中心的恒星运动得慢,与牛顿万有引力定律一致。

但实际的观察结果,让鲁宾和福特感到惊讶。他们发现,气体的速度为常数——无论是中心附近还是边缘附近,星系中从里到外的恒星的旋转速度几乎相同。起初,他们认为这种奇特的结果是仙女座星系独有的。紧接着,他们又系统地分析了几百个星系(自1978年以来,研究了200个星系)并发现了同样奇怪的结果。

1975年,鲁宾在美国天文学会的一次会议上宣布螺旋星系中的大部分恒星以大致相同的速度绕星系中心旋转,星系中的外恒星与内部恒星的速度没有太大的不同,与太阳系中的行星相反——太阳系中的行星速度存在较大的差异。

同时,这意味着,外部恒星应飞进太空,互相远离,导致星系被分裂成数10亿颗独立的恒星。

但可见物质产生的引力根本不足以把这些星系束缚在一起,想要维持星系的稳定状态,除非存在一种无形的暗物质,它们的引力实现聚集,供给额外的引力,否则星系早应该分崩离析。

这个结果也表明,牛顿的万有引力定律在宇宙各处中并不能普遍适用。第一次,万有引力定律在暗物质面前黯然失色,而“万有”两个字也变得不再那么恰当。

鲁宾和福特的观察结果重要性是无法估量的,一个又一个星系显示出了相同的平坦曲线,他们的实验提供了“暗物质”存在的重要论据。

现在,旋转星系旋转速度的恒定性成为了银河物理学的普遍事实,暗物质藏在这里。

“  与性别歧视的漫长抗争 ”

由于薇拉·鲁宾的开拓性努力,她在1981年被选入久负盛名的国家科学院。(自1863年成立以来,3508名科学家中只有75名女性被选入。)她是美国国家科学院历史上的第二位女院士(第一位是医学家Florence Sabin),但鲁宾曾长期与美国国家科学院“抗争”,她常常因每年只有屈指可数的女性入选院士而失望,她把这段时期描述为“一生中最难过的时光”。

1993年,鲁宾获得美国国家科学奖章。

1996年,鲁宾获得英国皇家天文学会颁发的金质奖章。这是继首位女性彗星发现者卡罗琳·赫歇尔获得该奖章后,第二位获得这一荣誉的女性天文学家,而此时距离卡罗琳·赫歇尔获奖已经过去了168年。

薇拉·鲁宾靠自己的科研成果和坚持不懈的努力,与科学界的性别歧视不断抗争,并一步步赢得尊重。

她与性别歧视抗争的故事还有很多。

比如,1965年,鲁宾前往加州理工学院的帕洛玛天文台,当时帕洛玛天文台只有男厕所。鲁宾的前同事妮塔·巴科尔(Neta Bahcall)在接受外媒采访时说道:“薇拉把一张纸剪成短裙形状贴在卫生间的门上,说,‘好了,现在你们有女厕所了。’她就是这样子的人。”

不仅自己勇敢抗争,薇拉·鲁宾还持续不断的为女性参与科研发声。

每当发现一个学术会议的议程里不包含女性演讲者时,鲁宾就会打电话给主办方说:“你们有一个问题需要解决”。

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薇拉·鲁宾,图源:Linda Davidson,@2010

直至老年,鲁宾还常常为女性科学家的地位痛心。她的女儿拥有宇宙射线物理学博士学位,女儿去日本参加一个国际会议时发现自己是参会的唯一女性。“很久以来,每当我讲自己的故事时,都禁不住流泪,”鲁宾回忆道,“在女儿和我这代人之间,几乎没有改变。”

2016年12月25日圣诞节,薇拉·鲁宾与世长辞。可以说,终其一生,鲁宾都在与性别歧视抗争(2002年《科学》杂志采访鲁宾时,她还说到:“我其实花了很长时间才确认自己成为了真正的天文学家”。)并致力于鼓励女性参与科研,呼吁科学界正视女性科学家的地位。

2020年1月6日,诺贝尔奖评选委员会投票通过将正在智利建设的大型综合巡天望远镜(LSST)更名为国家科学基金会薇拉·C.鲁宾天文台,简称鲁宾天文台,这也是美国首座以女性命名的国家级天文台。

鲁宾天文台主要有4个科学目标,排在首位的就是了解神秘的暗物质和暗能量,这是它冠以薇拉·鲁宾之名的最重要原因。

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薇拉·C·鲁宾探测器,图源:天文在线

美国国家科学基金会(NSF)主任弗兰西·科多瓦(France Córdova)说:“希望这种纪念方式,能激励有志于调查暗物质和暗能量的男性和女性。”鲁宾天文台临时业务副主任阿曼达•鲍尔(Amanda Bauer)则表示:“以她的名字命名天文台是一个恰当的致敬,是关于天文学中透明度和包容性的重要声明,这让我为自己参与到如此非凡的项目而感到自豪。”

不过,鲁宾个人从不在意名望。

1990年,她在接受《发现》(Discover)杂志的采访时曾说:“名望转瞬即逝。对我来说,我的数据比我的名字更重要。如果天文学家在接下来的一些年里继续使用我的数据,那就是对我最大的褒奖。

参考资料:

1.加来道雄:《宇宙三部曲》,2020年

2.https://www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/33963

3.http://www.astronomy.com/news/2016/10/vera-rubin

编者按:本文转载自微信公众号:高山大学(ID:gasadaxue),作者:李玉茜


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