那個午後的天才妙想，讓《時代》週刊將他與伽利略相提並論_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2022-09-27 13:21
在50多年的學術生涯中，施密特憑藉過人的才智、敏鋭的直覺、超前的思維、浪漫的情懷與堅韌的意志，為人類探索宇宙做出了傑出的貢獻，也獲得了應有的榮譽。他是可以安息的。
撰文 | 王善欽
2022年9月17日，傑出的天文學大師、天文領域的傳奇人物馬丁·施密特（Maarten Schmidt，1929-2022）逝世，享年92歲。
師出名門，年青有為
1929年12月28日，施密特出生於荷蘭格羅寧根（Groningen）。他的父親威廉·施密特（Wilhelm Schmidt）是政府的一名會計，他的母親安妮·威廉敏娜·施密特（Annie Wilhelmina Schmidt）是一名家庭主婦。[2]
施密特的伯伯或叔叔是一名藥劑師與業餘天文學家。在他的指導下，施密特用兩塊透鏡與一個紙筒造出了一台望遠鏡。由於二戰期間的燈火管制，他得以在城市的中心觀測星空。他尋找並閲讀所有能夠找到的天文書籍。[2]
1949年，施密特在格羅寧根大學獲得學士學位，並在1年後獲得碩士學位。然後，施密特進入荷蘭的萊頓大學天文台（Leiden Observatory）跟隨天文學大師簡·奧爾特（Jan Hendrik Oort，1900-1992）攻讀博士研究生。
在博士研究生期間，施密特用了一年時間在肯尼亞（Kenya）觀測恆星並測量它們的位置。在完成這個任務後，施密特回到萊頓大學天文台，用射電望遠鏡系統觀測銀河系旋臂中的氫分子云發出的21釐米譜線，從而繪製銀河系形態圖。
1955年，施密特與科妮莉婭·託姆（Cornelia Tom）結婚。[2]二人婚後共生育了三個女兒：安妮·施密特（Anne Schmidt）、瑪麗·施密特（Marijke Schmidt）與伊麗莎白·施密特（Elizabeth Schmidt）。[3]
1956年，施密特在獲得博士學位，其學位論文的主題是用21釐米譜線的觀測確定銀河系的質量分佈。
此後2年，施密特以卡耐基學者（Carnegie Fellow）的身份在威爾遜與帕洛瑪天文台（Mt. Wilson and Palomar Observatories）工作，類似於現在的博士後工作。這個聽起來很奇怪的單位是由此前的威爾遜天文台（Mt. Wilson Observatory）與帕洛瑪天文台（Palomar Observatory）合併而成的。
1958年，施密特回到萊頓大學。一年之後，他被威爾遜與帕洛瑪天文台聘用，同時擔任加州理工學院副教授。[3]當時的帕洛瑪天文台擁有口徑為200英寸（5.08米）的海耳（Hale）望遠鏡，它是當時世界上口徑最大、性能最優越的光學望遠鏡。在天文學中，“光學”指可見光。
1959年，施密特發表了一篇論文，[5]將星際氣體的密度與其中的恆星的形成率聯繫起來，人們稱這個結果為“施密特律”（Schmidt law）。此時，施密特尚不足30歲。
施密特的這篇論文對恆星形成理論有深遠影響，至今為止獲得至少兩千次引用。
神秘的射電源，神秘的“恆星”
在同事、射電天文學家托馬斯·馬修斯（Thomas A. Matthews）的影響下，施密特開始進入射電源領域。所謂的射電，就是無線電。射電源指的是那些發射出射電輻射的天體。
從20世紀50年代開始，射電天文學蓬勃發展。射電天文學家發現了天空中很多射電源。劍橋小組的天文學家將它們編入一個表格，並不斷更新。
1959年，這個星表被更新為 “第3版劍橋射電源星表”（Third Cambridge Catalog of Radio Sources）並出版，這就是著名的“3C表”，3代表第3，C代表劍橋。3C表裏面所有的射電源的編號的開頭都是“3C”。
這些射電源引起了天文學家的強烈興趣，他們用光學望遠鏡拍攝它們，以確定它們的光學對應體。
1960年春，施密特的同事魯道夫·閔可夫斯基（Rudolph Minkowski，1895-1976）[注1]憑藉海耳望遠鏡的觀測，確認3C表中的3C 295是一個星系，其紅移是0.461[6]，這是此前測出的星系的紅移的記錄的2倍。這類發出強烈射電輻射的星系被稱為“射電星系”。
1960年夏天，馬修斯找到阿蘭·桑德奇（Allan Sandage，1926-2010），希望後者能夠用海耳望遠鏡觀測他圈出的10個看上去很小的射電源，以確定它們是不是射電星系。[7]
1960年9月，桑德奇用海耳望遠鏡觀測了表中的第48號射電源——3C 48，探測到一顆大約為16等的類似於恆星的藍色天體，周圍有一小縷星雲狀的物質。馬修斯與桑德奇都認為這是一顆前所未見的“射電恆星”。[7]
儘管16等星比大多數人能夠看到的最暗的星（6等）還暗了1萬倍，但在海耳望遠鏡的“眼”中顯然算是亮星了。
桑德奇拍攝了它的光譜，並測量了光譜中的一些發射線，發現根本無法與實驗室中的光譜線對應上。桑德奇拿着3C 48的光譜與傑西·格林斯坦（Jesse Greenstein，1909-2002）等人交流。格林斯坦也無法得到明確結論。
此外，桑德奇的持續觀測還表明，3C 48的光學亮度每隔14天就會變化一半，據此可以推斷出它的發光區域大小僅是太陽系大小的幾倍。這個結果讓桑德奇更相信這是一顆恆星。
1962年，桑德奇拍攝了3C表中的3C 273的位置，發現了一顆大約為13等的淺藍色星體，它的亮度是16等的3C 48的亮度的16倍。桑德奇還發現3C 273的中部有一根發光的“細刺”，像星雲狀物質。我們現在知道，這根“細刺”實際上是3C 273拋出的噴流。[7]
但桑德奇並沒有（或未能）深入思考這顆“星”以及它的“細刺”的本質。他也無法確定作為射電源的3C 273的更精確的位置，因此無法證明3C 273與這顆13等的“星”的位置完全重合。
桑德奇沒有想到的是，他的同事施密特很快要彎道超車了。
一條刻度尺背後的奇思妙想
1962年秋，西里爾·哈扎德（Cyril Hazard）與合作者利用月亮遮掩3C 273的機會，用帕克斯（Parkes）射電望遠鏡確定了3C 273的更精確的位置。[10]然後他們將位置發送給馬修斯，後者又將位置轉發給施密特。
施密特發現3C 273的精確位置恰好與桑德奇發現那顆小而亮的藍色“星”的位置重合。這意味着，那顆小藍“星”就是3C 273的光學對應物。天文學的一場疾風驟雨馬上就來臨了。
1962年12月27日，施密特用海耳望遠鏡拍攝了3C 273的光譜。由於它實在太亮，常規的曝光時間竟然使底片被過度曝光。[12]第二次與第三次，施密特都成功獲得了它的光譜。
施密特發現，3C 273的光譜非常奇怪，出現了9條相當寬的發射線。其中，中心波長為323.9納米、503.2納米、563.2納米、579.2納米的4條發射線尤其顯著。被確定的還有459.5納米與475.3納米的兩條譜線。其餘3條譜線的中心波長誤差範圍較大。
施密特無法確認這些發射線對應哪種化學元素。此後，他多次想破解這個謎團，但卻毫無頭緒。他深感苦惱，一度想放棄。
差不多同時，施密特的同事貝弗利·奧克（Beverley Oke）用威爾遜天文台的100英寸（254釐米）口徑的胡克（Hooker）望遠鏡拍攝了3C 273的光譜，光譜中顯示出一條位於紅外波段的強烈的發射線，它的波長為759.0納米。
1963年2月5日，週一，下午，施密特來到辦公室，想繼續思考自己得到的結果。當他把那張光譜底片放入儀器時，他突然意識到，他確認的發射線中的3條與奧克確認那條發射線的分佈規律與氫的巴耳末（Balmer）線系[注2]中的幾條線很像。
然後，施密特腦中突然出現一個違背祖訓的想法：這些光譜線可能就是氫的發射線，只是它們往紅色一端移動（“紅移”）了。
這個看似瘋狂的想法讓施密特莫名興奮，他馬上在身邊找到一條簡陋的滑動刻度尺，[7]直接測量出移動的量，然後立即得到了3C 273的紅移是0.158。也就是説，這些光譜是氫的光譜線，只是它們的波長被拉長了0.158倍。
施密特乘勝追擊，確定出所有被確認出波長的發射線的本質：奧克拍攝的那條線是氫的巴耳末線系中的Hα線；他自己確認的6條線中的4條分別是Hβ、Hγ、Hδ與Hε線。[注3, 注4]另外2條發射線則分別是一次電離鎂（Mg II）與二次電離氧禁線（[O III]）。[注5]
施密特興奮地走出辦公室。在走廊走動時，他恰好遇到了格林斯坦。他立即把自己的發現告訴後者。格林斯坦恍然大悟，此前他也曾設想3C 48的光譜產生了顯著紅移，但卻因為認定它是一顆銀河系內的恆星而放棄了這個想法。有了施密特的工作的印證，格林斯坦堅定了信心。格林斯坦與施密特僅用了5到7分鐘，就確定了3C 48的紅移是0.37，比3C 273的紅移更大。
二人討論時的喧鬧聲驚動了奧克，他趕緊過來問發生了什麼事了。然後三人在接下來的幾個小時到辦公室討論：除了紅移這種解釋之外，還有沒有其他的解釋？一直討論到下午6點，三人都無法找出另外的解釋。[12]那麼，“紅移”這個解釋應該是最自然的解釋了。
6點過後，三人決定下班。施密特興奮至極，沒有立即回家，而是與奧克一起到格林斯坦家裏聚會慶祝。深夜，施密特回到家，對妻子説：“辦公室裏發生了駭人的事情。”（Something terrible happened at the office）。[12]
後來他回憶説，自己當時的英文表述也許並不精確[12]，但他當時確實説的是“駭人的”（terrible）。也許當時他想表達的意思是“驚人的”。
施密特的發現確實是駭人的：結合距離與觀測到的亮度，可以算出3C 273的光度達到太陽光度的2萬億倍左右（現代計算值是4萬億倍），是當時被確認的最亮的射電星系的亮度的光度的100倍左右。一個大小遠遠小於銀河系的天體，卻比星系亮得多，這在當時實在是駭人聽聞。
它到底是什麼？
“星系的核心”
施密特很快寫了一篇的論文，討論了3C 273的光譜，並將其中的發射線解釋為被紅移了0.158倍之後的氫、鎂與氧線。這篇論文發表於《自然》（Nature），標題是《3C 273：一個大紅移的類星物體》。[14]
事實上，那一期的《自然》連續刊登了4篇密切相關的論文，第一篇是哈扎德等人測量3C 273的精確位置的論文[10]，第二篇是施密特確定3C 273的紅移的論文[14]，第三篇是奧克發現3C 273的紅外發射線的論文[15]，第四篇是格林斯坦與馬修斯確定3C 48的紅移的論文[16]。
在這篇不到1頁的劃時代的論文中，施密特報告了自己的觀測，並指出，3C 273的紅移基本上不可能是恆星的引力造成的“引力紅移”，而是由宇宙膨脹導致的“宇宙學紅移”。
施密特認為，3C 273是一個星系的核心，該星系的紅移是0.158，它的速度是光速的0.158倍，即47400千米每秒。
施密特計算出3C 273與地球的距離約為5億秒差距，即約16億光年（根據現代的哈勃常數計算得到的數值是24.4億光年）。施密特還計算出3C 273的直徑小於1000秒差距（3262光年，1000秒差距只是粗略估計值，並非精確值）。
施密特不僅正確解釋了3C 273的紅移，而且正確地猜想它是一個星系的核心，顯示出他大膽而超前的思維。
1965年，施密特發表了另一篇重要的論文，公佈了5個主要由他發現的新的類星體[17]，其中有3個的紅移為1，最遠的那個的紅移更是高達2。正如他自己所説：“我們現在可以輕易獲得很高的紅移（的類星體），因為這些該死的東西實在太亮了。”[注6]
成功破圈
這麼小的天體的光度卻比極其龐大的星系的光度高得多，這聽起來非常不可思議，但可能性卻很大。因此施密特的這一發現讓整個天文學界與大量普通人大受震撼。
人們都已經意識到宇宙學與天文領域的一場巨大的變革已經猝然到來。施密特一戰成名。正如他自己後來回憶的那樣：“我發現（類星體）紅移的那個晚上，前景絕佳。”[注7]
1966年3月11日，施密特成為《時代》（Time）週刊的封面人物。《時代》將施密特與偉大的物理學家與天文學家伽利略（Galileo Galilei，1564-1642）相提並論：17世紀的這位意大利人（伽利略）震驚了同時代科學家與神學家，20世紀的這位荷蘭人（施密特）同樣震驚了同時代的其他人。
《時代》週刊的推波助瀾，使施密特的名聲成功破圈，成為媒體的寵兒與社會名流。
當時的天文學家將這些謎一樣的天體稱為“類星射電源”（quasi-stellar radio sources），或“類星體”（quasi-stellar objects，QSOs）。1964年，丘宏義（Hong-Yee Chiu，1932-）在一篇文章[20]中嫌“類星射電源”這個詞組太長，因此直接將其稱為“quasar”，直譯是“類星”；但國內的天文書籍也將其也翻譯為“類星體”。
1965年，此前痛失一局的桑德奇首次發現不發出射電輻射（“射電寧靜”）的類星體。[21]研究表明，類星體中的90%是射電寧靜的。因此類星體包含了類星射電源。
此後，施密特繼續尋找、觀測類星體，從而對類星體的確認、計數、統計、空間分佈、演化、紅移-距離關係等問題也做出重要貢獻。例如，他發現，紅移大約為2.5的宇宙中的類星體的產生率是最大的。
紅移與能源之謎
在類星體被發現後的十年左右的時間內，對於其距離與能源一直存在爭論。施密特等人相信它們的紅移是“宇宙學紅移”，因此是非常遙遠而明亮的天體；另外一些天文學家則反對前者的觀點。
儘管如此，“宇宙學紅移”的觀點依然佔據主流。這樣就必然帶來另一個問題：如何解釋它們的高光度？
1964年，薩爾彼得（Edwin Salpeter，1924-2008）與澤爾多維奇（Yakov Zel’dovich，1914-1987）分別提出[22-23]，星系中心的超大質量黑洞吞噬周圍的物質，物質內部的粒子互相摩擦生熱，加熱物質，可以解釋類星體的高光度。
1969年，曾經在施密特那裏當過博士後的林登-貝爾（Donald Lynden-Bell，1935-2018）進一步發展了這個理論，並提出：超大質量黑洞在星系中心普遍存在，發出強烈輻射的近距離的星系是老/死的類星體。[24]林登-貝爾指出，普通星系、賽弗特（Seyfert）星系與類星體本質上並無差異，只是它們中心的超大質量黑洞與周圍的物質盤的活躍性不同而已。
然而，黑洞模型在那個時代沒有足夠的説服力，因為大多數天文學家與物理學家都不相信黑洞的存在性。因此，在整個60年代，類星體的紅移與能源問題依然無法獲得共識。
儘管如此，天文學家與物理學家卻已經明顯感覺到：類星體即使不是黑洞與周圍物質共同作用的結果，也很可能與星系中心的某種特殊的物理過程有關。
此外，為了能夠讓黑洞模型可以解釋類星體，理論物理學家開始更認真地對待黑洞理論，天文學家也熱情地去尋找黑洞存在的證據。
因此，即使在稍顯混亂的60年代，類星體的發現與研究也有力地促進了天文學與理論物理學的發展。
鐵證如山
要想最終確定類星體到底是不是星系的明亮核心，最簡單、最有力的方法就是尋找它所在的星系。如果能夠找到類星體嵌在某個星系的中心的觀測證據，施密特提出的這個想法自然就被證實了。
1973年，克里斯蒂安（Jerome Kristian）用海耳望遠鏡拍攝了26個類星體，發現其中一部分類星體明顯地嵌在一些星系的中心。這強烈支持了施密特提出的“類星體是星系的核心”的建議。不過，反對者依然可以説這些重合可能只是視線上恰好重合。
1982年，託德·波羅森（Todd A. Boroson）與奧克發現了類星體3C 48周圍的星系，並確認這個星系的紅移與3C 48的紅移相同。這直接證明類星體的紅移確實是真實的宇宙學紅移。
類星體就是星系的核心。施密特的天才想法是正確的。
後來的觀測也在不斷證實施密特的想法。例如，“哈勃”的ACS利用星冕儀屏蔽了3C 273的光之後，清晰地拍攝到它旁邊的物質，後者就是3C 273所在的星系；這強有力地證明了3C 273是一個星系的核心。再如，“哈勃”的WFPC2拍攝的“類星體0316-346”的圖像中，它周圍的星系清晰可見。
雖然此後依然有極個別著名的天文學家——如阿普（Halton Arp，1927-2013）——無視這些鐵的事實，繼續堅持類星體的紅移不是宇宙學紅移，但他們無法撼動觀測的鐵證。
除了紅移方面的鐵證之外。能源問題也獲得了突破。通過間接的方式，天文學家證明星系中心確實存在黑洞。最近幾年，射電望遠鏡陣更是直接拍攝到M87與銀河系中心的超大質量黑洞。
學術榮譽
1964年，施密特在加州理工學院升為教授。
1972-1975年，他擔任加州理工學院天文系主任。1976-1978年，他擔任加州理工學院的數學與天文組主席。
1978-1980年，他成為海耳天文台（Hale Observatories）的台長，該天文台由“威爾遜與帕洛瑪天文台”改名而來。由於威爾遜天文台與帕洛瑪天文台一直貌合神離，施密特於1980年拍板解散海耳天文台，使其恢復為原來的兩個獨立單位。他也因此成為海耳天文台最後一任台長。
1996年，施密特光榮退休。但在此後大約十年，他繼續從事研究並發表論文。
由於對確認類星體併為人類認識類星體的各種重要性質做出重要貢獻，施密特從1964年開始就開始獲得了眾多重要獎項。這些獎項包括1964年的沃納獎（Warner Prize）、1978年的諾里斯·羅素講席、1980年的英國皇家天文學會金質獎章（Gold Medal of the Royal Astronomical Society）、1991年的沃森獎章（James Craig Watson Medal）、1992年的布魯斯獎章（Bruce medal）與2008年的首屆科維裏天體物理學獎（the Kavli Prize for Astrophysics，與林登-貝爾分享）。
浪漫的情懷與堅韌的意志
類星體被公認為20世紀60年代的“四大發現”之一。另外三項分別是：微波背景輻射、脈衝星與星際分子。
在頂尖高手如雲、競爭極端激烈的帕洛瑪山上，施密特憑藉自己的敏鋭直覺與專業素質，抓住了轉瞬即逝的機會，有幸成為第一個確認出類星體的人。
從此以後，人類不斷髮現更多類星體，它們的紅移的值也不斷刷新記錄。2021年，天文學家發現類星體J0313–1806，測出它的紅移高達7.64，那個時候的宇宙年齡才6.7億年（宇宙年齡在138-140億年之間）。這個記錄還會在未來被快速刷新。
在施密特的職業生涯的巔峯時期，他一次次在入夜後乘坐電梯進入位於海耳望遠鏡的主焦點的“籠子”裏；電梯移開後，他開始徹夜觀測。
在微冷的夜晚，他拒絕為了禦寒而穿上更多衣服，因為他認為在寒夜裏受點苦才會讓觀星的過程更浪漫。他讓自己的浪漫情懷與堅韌意志結合在一起。[注8]
在至今為止被發現的近100萬個類星體中，由施密特確認的3C 273具有特殊的地位：它不僅是第一顆被確認的類星體，也是唯一能夠用小望遠鏡看到的類星體，因為它相對近（雖然它不是最近的類星體），且極端亮。
在50多年的學術生涯中，施密特憑藉過人的才智、敏鋭的直覺、超前的思維、浪漫的情懷與堅韌的意志，為人類探索宇宙做出了傑出的貢獻，也獲得了應有的榮譽。
他是可以安息的。
註釋
[注1]他的叔叔就是為相對論做出巨大貢獻的著名數學家赫爾曼·閔可夫斯基（Hermann Minkowski，1864-1909）。
[注2] 氫的巴耳末線系是氫的電子從更高能級躍遷到第2能級時發射出來的光譜線。
[注3] Hα、Hβ、Hγ、Hδ與Hε線分別是氫原子中的電子從第3、第4、第5、第6與第7能級躍遷到第2能級時發出的光譜線，波長分別為656.3、486.1、434.1、410.2與397.0納米，顏色分別是紅色、藍綠色、藍色、紫色、紫外（無色），但因為紅移了0.158倍，而成為759.0納米、563.2納米、503.2納米、475.3納米與459.5納米。
[注4]有人認為這些光譜線中實際上摻雜了一次電離氦的電子的躍遷產生的發射線。因為一次電離氦中的電子從第6、8、10能級躍遷到第4能級時，發出的光譜線的波長就是656.0nm、485.9nm、433.9 nm，與Hα、Hβ及Hγ線的波長分別相等。不過，不管是氫、氦還是氫氦混合，它們被紅移的事實才是事情的本質，所以施密特的解釋不受影響。
[注5]禁線表示地球上的實驗室內無法產生的線，但在太空中稀薄的物質中，它們可以產生。人們用中括號表示禁線。
[注6]原文：We could now easily get to very large redshifts, because these darn things are so bright.
[注7]原文：The night I discovered the redshift, it was a fantastic prospect,……
[注8]當然，浪漫不等於傻，在很冷時，他還是會穿上電熱保温服。
參考文獻/圖源
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