科学界的“二舅”：他两次因祸得福，最终成为伟大的科学家_风闻

一个描述“二舅”过去半生的视频引起全网刷屏与热议。视频的主人公“二舅”少年时因疾病而腿部残疾，但自强不息，直面苦难，活出了自己的人生。本文的主人公也很不幸——他的腿部先天残疾，终生无法正常行走。但在自己的努力与他人的帮助下，他成为了一名伟大的科学家。这位科学界“二舅”的故事为我们重复了一个道理：要摆脱苦难，自身的努力与别人的及时帮助同样重要。祝愿天下的“二舅”们与所有正在遭受其他苦难的人都能在自己的努力和别人的帮助下走出苦难，享受成功与幸福的甘甜。

撰文 | 王善钦

先天残疾的天才少年

1893年3月24日，德国西北部的威斯特伐西亚（Westphalia）施勒廷豪森（Schröttinghausen）的一位乡村学校校长康拉德·巴德（Konrad Baade）与他的妻子查洛特·巴德（Charlotte Baade）有了他们的第一个孩子。

欣喜中的夫妻俩给这个孩子取名为威廉·亨德利希·沃尔特·巴德（Wilhelm Heinrich Walter Baade‎）。不过这个孩子后来通常只以沃尔特·巴德为名。我们在下面就称他为“巴德”，称他父亲为“老巴德”。

图：巴德一家曾经的房子。图源：参考文献[1]

老巴德夫妇后来又生了三个孩子。在四个孩子中，夫妻俩最疼爱巴德，因为他先天性髋关节发育不良，这使得这个可怜的孩子走路困难。终其一生，他走起路来会明显地一跳一跳。[2]

老巴德虽然信教，但同时具有很好的科学素养。他给巴德大量书籍，培养他对学术的兴趣。在巴德14岁那年，老巴德给巴德带来一本天文书籍，这位少年被深深迷住，一口气读完了整本书。[1]

从那天开始，巴德就知道自己这辈子该干什么了。他对天文学的热爱已经植根于内心，任何人都无法动摇。此后，少年巴德攒下辅导别人而赚到的钱，买到一架3英寸（7.6厘米）口径的望远镜，用它观测星空。[1]

1910年1月，著名的“1910年1月大彗星”（Great January Comet of 1910）接近地球。这颗彗星极其壮观，甚至在白天也可以被看到，因此也被称为“白天彗星”（Daylight Comet）。巴德用自己的望远镜观测了这颗大彗星。

图：洛威尔（Percival Lawrence Lowell，1855-1916）拍摄的1910年1月出现的“白天彗星”。图源：参考文献[3]

那一年4月，著名的哈雷彗星回归。巴德用他的小望远镜观测了几个晚上。他看到了哈雷彗星的头部，发现它像微弱发光的云。[1]

图：巴纳德（Edward Emerson Barnard，1857-1923）拍摄的1910年4月出现的哈雷。图源：参考文献[4]

巴德的弟弟马丁·巴德（Martin Baade）回忆：“在我哥哥还是个小男孩时，他就会穿着冬装，在冬天的卧室拿着望远镜坐在窗前，为自己喜爱的科学而挨冻……”[1]

巴德沉迷于天文学的表现可把老巴德愁坏了，他只是希望巴德广泛涉猎，可没想到要让儿子去当科学家，特别是天文学家。巴德的弟弟回忆说：“我爸爸说这（天文学）是一种无饭可吃的艺术。”[1]老巴德与妻子都希望巴德将来成为一个神学家。这个职业肯定不愁生计。[2]

哥廷根大学、一战与威尔逊天文台之梦

1912年，巴德进入附近的明斯特（Münster）大学。一年后，他转学进入哥廷根（Göttingen）大学。这所世界名校的数学与天文学由享有“数学王子”美誉的伟大数学家高斯（Johann Carl Friedrich Gauss，1777-1855）创立。

在哥廷根大学，巴德跟随举世闻名的数学大师希尔伯特（David Hilbert 1862-1943）与克莱因（Felix Klein，1849-1925）学习数学，跟随安布朗（Leopold Ambronn，1854-1930）与哈特曼（Johannes Hartmann，1865-1936）学习天文学。在哥廷根大学打下的坚实的数学和物理学基础，[注1]使巴德在此后成为一个同时精通理论与观测的天文学家。

图：希尔伯特（左）与克莱因（右）。图源：参考文献[5]（左）；参考文献[6]（右）

除了这些学科之外，巴德还在语言方面表现出很强的天赋，他的母语为德语，但却同时掌握了英语、法语、拉丁语、希腊语与希伯来语等多门外语。[2]这些外语技能很可能在其大学期间就已获得。

大学毕业之后，巴德在哈特曼的指导下，研究天琴座β星的光谱。这是一对双星。1919年，巴德在哥廷根大学获得博士学位。

图：安布朗（左）与哈特曼（右）。图源：参考文献[7]（左）；参考文献[8]（右）

在巴德在哥廷根大学求学期间，第一次世界大战于1914年爆发，然后于1918年结束。巴德因为残疾而免于被征召入伍，也因此免于一死。他的残疾很可能救了他的命，使他免于成为德军炮灰。这是一生中第一次因祸得福。

博士毕业后，巴德打算申请到当时世界上最强的天文台——威尔逊（Mount Wilson）天文台任助理。威尔逊天文台1904年建立，由钢铁大王卡耐基（Andrew Carnegie，1835-1919）名下的基金会建立的卡耐基科学协会（Carnegie Institution for Science）负责各项支出。[注2]（以下简称其为“卡耐基协会” ）。

图：卡耐基协会位于华盛顿特区的办公楼。图源：参考文献[9]

威尔逊天文台海拔1742米，可以避开大部分云的遮挡，具有良好的观测条件。当时这里拥有100英寸（254厘米）口径的胡克望远镜，且群英荟萃，整体实力世界第一。

图：威尔逊山顶的威尔逊天文台远景。图源：参考文献[10]

然而，哈特曼告诉巴德：第一次世界大战结束还不到一年，作为战败国德国的公民，要去曾经血战的敌对国与战胜国去申请这样一个职位，是不大可能成功的。巴德采纳了这个意见，并很快在位于贝格多夫（Bergedorf）的汉堡（Hamburg）天文台找到一个助理的职位，并于1919年10月入职。[注3]

两开花，两开花

尽管没去成威尔逊天文台，但巴德工作的汉堡天文台却也是一个相当好的选择。它拥有1台口径为40英寸（102厘米）的反射望远镜，这不仅是当时德国最大的望远镜，也是当时的世界上跻身前列的一台望远镜。

图：汉堡天文台的102厘米望远镜。图源：参考文献[11]

巴德的上司、台长肖尔（Richard Schorr，1867-1951）对彗星与小行星等天体非常感兴趣。而巴德对变星（亮度明显变化的恒星）、球状星团等天体系统非常感兴趣。作为台长招聘的助理，巴德当然首先要完成台长布置的任务。

图：肖尔。图源：参考文献[12]

所幸的是，由于肖尔忙于行政事务，他把这台原本归他使用的望远镜直接交给巴德支配。在完成任务的同时，巴德有足够的观测时间去观测自己想观测的东西。于是，巴德采用了“两开花”的模式来平衡台长的任务与自己的兴趣，同时研究两个大方向。

巴德非常迅速地在天体摄像与测光方面成为世界一流专家。不论是观测还是理论，他都能迅速解决困难。巴德为天文而生。他也因为出色的工作而深受肖尔器重。

1920年与1921年，巴德发现了6颗小行星，其中第一颗是Hidalgo 944，它离太阳最远时介于木星与海王星的轨道之间。这类小行星被统称为“半人马（Centaurs）小行星”，Hidalgo 944是第一颗被发现的半人马小行星。

几年后，巴德不顾当时的惯例的约束，把他1921年发现的 2颗小行星之一命名为“Muschi 966”，[注4]Muschi是汉堡天文台的女技术助理Johanna Bohlmann的昵称。她与巴德同年出生，生日是9月1日，比巴德小几个月。二人当时正处于热恋时期。这个时期的巴德也处于事业、爱情“两开花”的时期。

巴德一生共发现10颗小行星，除了以上6颗之外，其余4颗分别于1924年、1928年、1948年与1949年被他发现。其中，巴德于1924年发现的小行星1036 Ganymed是至今为止被发现的最大的“近地小行星”。幸好它的轨道没有与地球轨道交叉，只是“擦过”地球轨道外侧。

图：根据观测数据模拟出的1036 Ganymed的外形。图源：参考文献[13]

在恒星与星团方面，巴德观测了球状星团M53、M92、猎户座星云（M42）与NGC 5053中的众多变星，获得了很高的观测精度。当时，“天琴座RR型变星”特别受关注，因为它们可以被用来测量银河系内的星团的距离。巴德发现的此类变星的数量是此前哈佛（Harvard）天文台发现的数量的2倍多。

图：斯隆数字巡天（Sloan Digital Sky Survey）望远镜拍摄的球状星团M53（左上）、M92（右上）、NGC 5053（左下）与哈勃空间望远镜拍摄的猎户座大星云的局部区域（右下）。图源：参考文献[14]（上、左下）；参考文献[15]（右下）

巴德在这方面的出色工作受到拜利（Solon Irving Bailey，1854-1931）、沙普利（Harlow Shapley，1885-1972）等变星领域的世界级权威的高度赞赏。前者是哈佛天文台此前的执行台长，后者是哈佛天文台当时的台长。

图：拜利（左）与沙普利（右）。图源：参考文献[16]（左）；[17]（右）

1923年，威尔逊天文台的哈勃（Edwin Powell Hubble，1889-1953）利用胡克望远镜分辨出仙女星系中的造父变星，计算出它的距离约为90万光年，超过银河系的大小。这意味着仙女星系是银河系外星系。哈勃因此开创了星系天文学。

巴德自然很快知道了这个轰动天文界的重大消息。不过，他当时还无法预测到自己会在二十多年后会改进哈勃的结果。

1925年，在沙普利的建议与强烈推荐下，巴德获得“洛克菲勒国际教育理事会奖金”（Rockefeller International Education Board Fellowship），这笔奖金使他在一年时间内访问了哈佛天文台、叶凯士（Yerkes）天文台、加拿大自治领（Dominion）天文台、利克（Lick）天文台与威尔逊天文台。

图：1926年，巴德访问叶凯士天文台时的留影。图源：参考文献[18]

在访问期间，巴德充分利用各天文台的各种资源，并与那里的同行讨论交流，深受欢迎。特别是，在威尔逊天文台访问期间，他受到台长亚当斯（Walter Sydney Adams，1876-1956）的热情接待。他非常欣赏巴德，并将在此后成为改变巴德人生的最重要人物。

图：亚当斯（左）以及亚当斯与来访的爱因斯坦在威尔逊天文台的合影（右）。图源：参考文献[19]（左）；参考文献[20]（右）

喜从天降：来自威尔逊天文台的工作邀请

回到德国之后，巴德继续在汉堡天文台工作。此时的德国通货膨胀严重。虽然肖尔不断给巴德加薪，但加薪的速度跑不赢通货膨胀。

1929年，36岁的巴德与女朋友Muschi（Johanna Bohlmann）结婚。

就在这一年，哈勃利用胡克望远镜观测了一些星系的距离，结合斯里弗（Vesto Melvin Slipher，1875-1969）得到的这些星系的速度，他公布了一个极端重要的结论：星系的退行速度与距离成正比，其比例常数（“哈勃常数”）约为550。[21]

哈勃的发现意味着宇宙在膨胀。但哈勃的工作却留下了一个尴尬的漏洞：将哈勃常数取倒数，得到的宇宙年龄约为17亿年；然而，当时以及此后根据放射性元素测出的地球年龄是30-35亿年。宇宙年龄比地球年龄还小，这很荒谬。这就是“宇宙年龄难题”。

1930年，亚当斯通过第三人询问巴德是否愿意来威尔逊天文台工作。巴德欣喜若狂，立即直接写信给亚当斯，表达了自己的无限喜悦。亚当斯给巴德的年薪为3300美元。当时的1美元相当于现在的14.5美元。[22]

然而，由于长期的通货膨胀，巴德已没有存款购买船票出国，而卡耐基协会没有提供路费。他只好写信给亚当斯，告诉他实情，并请求亚当斯预付部分薪水来买船票。

亚当斯收到巴德的信之后，对巴德的境遇深感震惊。一个当时的世界顶尖天文学家、亚当斯心中的“威尔逊天文台的未来”居然穷困潦倒到这个地步，这让亚当斯唏嘘不已。

那时候，亚当斯脑海中浮现出的很可能是那个因为先天残疾而只能一跳一跳地走路的年轻人的单薄身影，他的“精神内耗”可能被这个年轻的德国“二舅”治愈了……

亚当斯一方面将情况汇报给卡耐基协会，请求特事特办，并保证下不为例。[注5]另一方面，亚当斯从其他基金中预付900美元给巴德。然后，巴德与妻子买了船票，抵达威尔逊天文台，开始了他辉煌的学术生涯的后半场。威尔逊天文台那架世界第一的望远镜以及稳定而充裕的收入，给巴德带来了额外的巨大愉悦，也使他的工作更加高效。

图：壮年时期的巴德。图源：参考文献[23]

1934年5月，巴德与兹威基（Fritz Zwicky，1898-1974）发表了3篇论文，[24-26]，研究了超新星爆发相关的课题。他们强调了新星可以分为“普通新星”与“超新星”，并提出3个核心想法：超新星由恒星的塌缩与爆发产生；塌缩过程会在核心压缩出一个致密的“中子星”；超新星的激波加速超新星内的粒子，使其成为高能量的宇宙线。

1938年，巴德研究了1885-1937年间被发现的18个超新星，发现它们最亮时的光度相差较小，因此可以用来作为“标准烛光”，测量遥远星系的距离。[27]这篇文章开了超新星宇宙学的先河。1998年，两个国际合作小组实现了巴德的构想，用Ia型超新星测出遥远星系的距离，确定宇宙在加速膨胀，[28-29]从而让人类意识到宇宙中还存在暗能量。其中一个小组的论文[29]中的第一篇参考文献就是巴德这篇论文。

图：Ia型超新星在宇宙中爆发的艺术想象图。在1938年时，超新星尚未被分为I型与II型，更没有Ia型这个分类。但巴德对超新星整体上的光度的均匀性的估计却是正确的。图源：参考文献[30]

被软禁后的惊喜

1941年12月7日，日军偷袭珍珠港，美国对日本宣战。四天后，日本的同盟德国向美国宣战。巴德来自德国，虽然不至于像当地的日本侨民那样被投入集中营，但出行也受到一定限制：除了去上班之外，不能离开住所周围5英里以外。

1942年4月，军方对德国侨民发布宵禁令，禁止他们在晚上8点到早上6点之间离开住处。这个禁令导致住在帕萨迪纳的巴德无法前往威尔逊天文台执行观测。

台长亚当斯等人立即出面，写信为巴德求情、担保，并于5月让赫马逊（Milton Humason，1891-1972）陪同巴德一起去见宪兵司令，让赫马逊为巴德担保。赫马逊向宪兵司令保证：巴德不会协助德国刺探军事机密。宪兵司令因此准许巴德夜间去天文台。这个事情只浪费了巴德一个月时间。

战争时期，威尔逊天文台的天文学家们因参与军方项目纷纷离开天文台。特别是，1942年6月，哈勃也离开了天文台。巴德没有资格接触任何军方项目与消息，更不可能参与军方项目，就继续在天文台工作。

经历短暂苦闷时期之后的巴德第二次因祸得福：由于多位同事尤其是哈勃离开天文台，巴德能够使用胡克望远镜的时间大大增加，而且几乎可以无限制使用。

另一个让巴德心花怒放的惊喜是：为避免西海岸附近的船只被日军轰炸，天文台附近的城市要服从灯光管制命令。因此，威尔逊山附近的光污染大大减轻，观测条件比刚建台时更好，巴德甚至可以用胡克望远镜分辨出仙女星系中心附近的大量恒星。作为对比，此前哈勃等人只能分辨出仙女星系边缘的明亮恒星。

此外，巴德还使用了对红光比较敏感的照相底版，这有利于他发现那些偏红色的恒星。

巴德仔细观测了仙女星系核心区域、M32（NGC 221）与M110（NGC 205）中的众多恒星。[31]经过对照相底版的分析之后，巴德发现：星系中的恒星可以分为两种类型，一类主要位于星系的旋臂中，颜色偏蓝色，是年轻恒星；另一类主要在星系中心区与球状星团中，颜色偏红，是年老恒星。

图：仙女星系M31、M32（在图中的M31核心左上方）与M110（在图中的M31核心下方）的图像。图源：[32]

巴德将这两类恒星分别称为“星族I恒星”与“星族II恒星”。巴德长年研究的天琴座RR型变星以及位于球状星团内的其他恒星就属于星族II恒星。

这个重大发现于1944年发表后，当时所有研究恒星的天文学家都意识到：这个天文学的核心领域已经被巴德彻底重塑了。[注6]从那时候开始到现在，巴德的这个伟大发现一直被写入不断更新的教科书中，成为天文学的基础之一。巴德也因此成为名垂天文学史的一代宗师。

1945年秋，巴德观测银河系中心附近的一片尘埃相对稀少的区域，以寻找其中的天琴座RR型变星。这片区域被后人称为“巴德窗”（Baade’s Window）。巴德很快就在那里确认出大量天琴座RR型变星，其中152颗由前10张照相底版的对比中得到。这批天琴座RR型变星的数量是此前总数的好几倍。

图：巴德窗在银河的位置（左，浅黄色的“Baade’s Window”所在的区域）以及32英寸（81厘米）的Schulman望远镜上的相机拍摄的巴德窗内的两个球状星团（NGC 6522，图中右上；GC 6528，图中左下）与周围的众多恒星（右）。图源：参考文献[33]（左）；参考文献[34]（右）

巴德使用这些变星确定出巴德窗内的球状星团NGC 6522（见上图）的距离，这个星团因此也被称为“巴德星团”（Baade’s Cluster）。

破解宇宙年龄难题

二战结束后，巴德一直在等着使用帕洛玛（Palomar）天文台上的200英寸（508厘米）望远镜。它1928年就开始被筹备，但因为工程浩大、二战影响，直到那时候尚未彻底完成。

巴德盼望这个望远镜的原因之一是：他与哈勃此前就已经意识到仙女星系中的“造父变星”很可能存在不同的类型，那些位于球状星团中的造父变星与其他造父变星可能很不相同；他已经用胡克望远镜在仙女星系中发现了几颗属于星族II的造父变星，但他需要更强的望远镜来观测仙女星系中更多得多的造父变星，来验证这个想法。

1948年，200英寸望远镜终于启动。它被命名为海耳（Hale）望远镜，或P200。它的口径是胡克望远镜的2倍。巴德凭借此前的出色工作，成为海耳望远镜的主要使用者之一。

图：海耳望远镜。图源：参考文献[35]

他先用这台望远镜寻找仙女星系的天琴座RR型变星。然而他一无所获。如果仙女星系的距离是正确的，在当时的技术下，用200英寸望远镜可以看到它们[注7]。巴德没有找到它们，就意味仙女星系的距离被低估。这也意味着它里面的造父变星的亮度被低估。

从1950年秋天开始，巴德用海耳望远镜确认出仙女星系分中的300多颗造父变星。经过仔细分析之后，巴德证实了此前的猜测：造父变星确实也有两类，它们分别属于星族I与星族II。[36][注8]第一类造父变星的亮度是第二类造父变星的亮度的4倍左右。

哈勃当年观测到的仙女星系中的造父变星属于第一类，但他将其当作第二类，从而将它的真实亮度低估到真实亮度的1/4，进而将仙女星系的距离低估了一半。

图：1950年，赫马逊、哈勃、巴德与闵可夫斯基（Rudolph Minkowski，1895-1976）（从左到右）在检查望远镜的照相底版。图源：参考文献[37]

巴德将哈勃的这个错误改正后，算出的仙女星系变为约190万光年[36]，是此前距离的2倍。哈勃常数也因此降了一半，宇宙年龄增加1倍，终于超过了地球年龄。宇宙年龄难题就这样被解决了。

由于他将宇宙年龄与“大小”扩大到原来的2倍，从而挽救了相信宇宙膨胀学说的天文学家的信心，他成为当时的宇宙“二救”。

巴德没有立即发表这个重要结果，而是在1952年的国际天文学会年会上宣布了它。当时沙普利也在场，但他对巴德的结果表示怀疑。令巴德无比震惊的是：沙普利于1953年突然对媒体宣布自己将宇宙的距离扩大了一倍，而且只字不提巴德的贡献。一向温和的巴德被大怒，严厉谴责沙普利，说他是无耻之徒。幸运的是，天文圈内都承认了巴德的优先权。[2]