通識導賞:諾獎遺珠 發現宇宙組成的女人

文章日期:2018年11月4日

【明報專訊】一個世紀之前,諾貝爾物理學獎首次有女科學家得獎,她就是居禮夫人。

直至今年Donna Strickland獲頒這項殊榮,物理學獎百年來共二○九名得獎者,當中只有三人是女性,名單裏還有一九六三年得獎者Maria Goeppert-Mayer。

我們記得登月第一人是岩士唐,但遺忘貢獻科學界的女性名字何其多,Forbes一篇文章列舉五名值得獲諾獎但終成遺珠的女科學家,排首位的名字是Cecilia Payne。

有人稱她為「發現宇宙如何組成的女人」,她為人類踏出的一步不在月亮,而在太陽。

先後入讀劍橋、哈佛

一九○○年,Payne出生於倫敦西北方一個城鎮Wendover,一九一九年獲獎學金入讀劍橋大學女子學院Newnham College,修讀植物學、物理及化學。不過當時女性不會獲頒學位,事實上直到一九四八年,女學生才得以正名,Newnham College官方歷史更不忘補充一句:「是英國最遲這樣做的大學。」Payne不甘於留在家鄉只能走上教書一途,動身前往美國,進了哈佛後以二十四歲之齡發表博士論文。在此之前,她將初稿交給普林斯頓大學天文學權威Henry Norris Russell過目,Russell的評語卻令她不得不在文章最後自打嘴巴,退一步說研究結論「幾乎可肯定並非真實」,誰料她的發現後來卻推翻了當時科學界的一項「常識」,成為今天的常識。

太陽與地球的成分

有請中大物理系講師練立明博士帶我們回到上世紀二十年代,科學界當時到底在想什麼?「他們認為太陽表面的元素,與地球的成分類似,都是較複雜的原子,如氧、鈣,而氫與氦便較少。」先補補課,還記得中學化學課背過的元素周期表嗎?「這個世界有不同的原子,最簡單是氫原子,由兩粒基本的粒子組成。中間是質子,是它的原子核,另有一粒電子,組成像行星繞太陽公轉般的原子模型。愈複雜的原子,原子核就重些,不止一粒質子,亦有中子。」在周期表排第二就是氦,中子、質子、電子各二。

「太陽與地球成分不差很遠」,似乎是個順理成章的概念,亦非毫無根據。如何得知太陽表面有什麼成分?靠的是分析光譜。像香港人最着緊置業階梯,原子裏面的電子都很「上進」,吸收足夠的光能量就「升呢」,科學說法是進行transition。最低能量狀態稱為「基態」(ground state),給它代號n=1,上一級就變成「激發態」(excited state),可以稱n=2,再上去是n=3、n=4……但電子相當揀擇,要有一定能量才會跳級,多些少些都不行。比方說n=1到n=2需要的能量是20個能量單位,吸收19或21都跳不了級,但能量夠多的話,可由n=1一下子跳到n=4,不需要逐級上,但也像有人說「有錢買樓不如移民」,吸收得夠多能量,電子就會飛走,以氫原子為例,只剩下原子核,便稱為氫的離子(ion)。

因為不同元素的電子要跳到各個狀態所需的能量都不一樣,氫、鈣等元素各有似指模般獨特的吸收光譜(absorption spectrum),上面顯示太陽光各個頻率,由紅、橙、黃、綠、藍到紫,愈趨紫色,頻率愈高,亦即能量愈高。當太陽的光通過它表面的氫原子,電子會吸收某個頻率的光來跳級,在氫的吸收光譜上,該頻率的位置就會呈一條黑線,愈黑,也就代表太陽表面的氫原子愈多。當時科學家看看氫的吸收光譜,又看看鈣的光譜,黑線比氫明顯得多,「他們自然有種想法,就是太陽的氫很少,跟地球相似,也顯得很合理」。

論文揭示前人分析「走漏眼」

那麼Payne的論文結論是什麼?她計算出,太陽絕大部分是氫氣,剛好與時人認知相反。權威Russell當然大反應了,直指「說氫比其他金屬多上百萬倍,顯然不可能」。不過,從前的人也說過地球是平的,哪可能是圓?Payne在一九二五年發表這篇名為Stellar Atmospheres(恆星大氣層)的論文,後來被天文學家Otto Struve譽為「最出色的天文學博士論文」。原來以上用吸收光譜分析太陽大氣層氣體的方法,對大部分的氫原子都走漏眼。

太陽氫原子「基層」被忽略

練博士解釋,當時科學家分析太陽的光譜,是針對巴耳末系(Balmer series),亦即只把焦點放在氫原子裏由激發態(n=2)開始跳級的電子身上,但太陽的氫原子卻絕大多數是「基層」,即在n=1的一層。打個比喻,若只向香港年收入百萬元的居民做調查,問他們贊不贊成填海造地,八成答贊成,能否就此得出結論:香港大多數人贊成填海?練博士說,「Payne應用了當時最新關於熱力學、統計力學、量子力學的知識,考慮了太陽溫度等因素」,計算出太陽表面的氫原子裏,已變成離子的,每1.3萬粒裏面只有1粒。其餘大部分沒變離子的氫原子,處於n=2狀態的又有多少?答案是,近2億粒裏面有1粒,絕對比香港年薪過百萬的富豪更少。如此,原本理所當然的推論,就完全站不住腳了。「太陽系之中,太陽佔最大質量,若它的成分主要是氫,這個系統裏最多的就是氫。如果我們相信這個系統不特殊,宇宙裏都由這些系統組成,那麼宇宙的主要成分也是氫。過去多年觀測與發展出的理論,讓我們知道這是對的,宇宙的正常物質中,氫佔約七成,氦佔兩成多,這個比例在宇宙誕生後幾分鐘已決定了。餘下的較複雜元素如氧、碳、鐵、金等就要在恆星演化或兩顆中子星碰撞過程中做出來。」

從哈佛女工到哈佛首位女系主任

不過比起Cecilia Payne,她當時加入的Harvard Computers似乎是個更為人知的科學界傳奇。在一八八五至一九二七年之間,哈佛大學天文台曾聘請約八十名女性充當「計算機」,薪水比男性低一半,一星期開工六日,每日工作七小時。練博士說她們做的都是一些dirty work,「像廉價勞工,做些較為枯燥的工作,觀測天空、做光譜分析、為星體分類,這些工作需要大量人手,只需按部就班去做,做慣了就如工廠工人」。不過Harvard Computers人才輩出,Annie Jump Cannon在一八九六年加入,她發展出的「哈佛分類法」,依恆星光譜分OBAFGKM七大類,今天是天文學入門知識,就是她當年與同事分析數以十萬計恆星所取得的成果。至於Cecilia Payne在一九二七至一九三八一直只擔任技術助理,至五十年代中才得到教授的地位,後來領導天文系,成為哈佛首位女系主任。

居禮夫人名字是什麼?

聽慣了「男生擅理科,女生應讀文科」,問問練博士,整個世紀才出那麼三位諾貝爾物理學獎女得獎者,女學生其實是否特別難教?他打個哈哈,「𠵱家可能個個同學都難教……所謂難教的,早已放棄上堂了,不會見到其蹤影,這是不分男女的。來得上堂都正常,教咗咁耐書,又唔覺男女有分別」。只是女學生太少,中大的「理論物理精研」課程一年新生二十多人,女同學最多不過三,特別出色或表現最差的,都難免讓他容易記得名字。台灣教育部早前審議課綱,有課審委員提出教科書中的居禮夫人應改稱全名「瑪麗亞‧斯克沃多夫斯卡-居禮」(Maria Sklodowska Curie),掀起一場論戰,先不說一改稱呼是否多餘,但居禮夫人名字是Maria,你又是否記得?

文//曾曉玲

圖 // 網上圖片

編輯 // 王翠麗

fb﹕http://www.facebook.com/SundayMingpao

明報影片