天文爱好者2008.10
期刊架位号[ 601 ]

光学望远镜400年

   世间最奇妙的东西，莫过于光。今天，我们能想起来的所有 科学家，柏拉图、开普勒、达芬奇、爱因斯坦等等都曾研究过光。 牛顿一生中花费时间最长的研究就是光学，他的《自然科学之数 学原理》花费了20年的时光，而与光线的嬉戏和对话，却贯穿着 他的一生。在人类所有神奇的发明中，能驯服光线的望远镜无疑 是最令人惊叹的之一。简简单单的两块玻璃，就能把2000米之 外的东西拉近到只有2米远的地方。直到现在，我们也还很难找 出一个象望远镜这样，能在自己家里完全重复其发明过程的重 大创新。望远镜的最基本原材料就是生活中无处不在的玻璃镜 子。贵妇人对着它施朱抹粉、魔术师用它来“大变活人”、巫师借 助它驱邪镇妖，对科学家们而言，它却是探视宇宙的最佳帮手， 他们所做的改变仅仅是把两片透镜叠起来或者把平面镜做成弯 曲的形状。
   世界上第一台望远镜发明于1608年10月。一家荷兰眼镜 店的学徒偶然拿了两块透镜，并把它们一近一远地放在视线方 向上，神奇的事情发生了，他发现远处教堂上的风标一下子被 “拉近”到了似乎伸手可及的地方，变得又大又清晰。获悉此事的 老板汉斯·利帕席(Hans Lippershey)立刻把镜片安装在了一个 金属筒上，这就是最早的望远镜。1609年伽利略获悉这一发明 后，自制了一台望远镜并第一次把它指向了夜空，从而使人类对 字宙和自身的看法开始发生根本性的变革。
   伽利略的望远镜很简单，仅仅是一个筒子安了两片镜片，凸 透镜安装在前面作为物镜，凹透镜安装在后面作为目镜。两片透 镜组合在一起能搜集到比人眼更多的光线，并将其聚焦成像。由 于像是通过光线的折射而形成的，这种望远镜被称为“折射望远 镜”。随后的半个多世纪里，折射镜成为天文学家的最爱，越磨越 大、镜筒越来越长。1673年，波兰富商兼议员约翰内斯·赫维留 制造的望远镜竟达到了150英尺(约46米)。人们很快就意识到 了长镜筒带来的不便。150英尺的望远镜不仅难于操控，而且在 微风中也会晃动不已。这段时间，做出了一系列重大发现的反而 是那些长度不过12．2米的折射镜。例如荷兰天文学家惠更斯用 以发现土星卫星、确认土星光环的望远镜分别只有3．6米和7 米。
    经历了一系列长镜筒望远镜的失败后，由牛顿发明的反射 望远镜开始流行起来。牛顿改变了望远镜中最核心的一部分：主 镜，他使用一块球面金属合金镜片作为主镜来反射、汇聚光线， 这种望远镜被称为“反射望远镜”。1668年,牛顿制成的第一架 反射望远镜只有12英寸长，放大率却高达40倍，与当时3到6 英尺长的折射望远镜相当。尽管存在彗差、球差等种种不足，不 过由于磨制玻璃透镜远比磨制金属反射镜片复杂，再加上后人 的一系列光学改进，金属镜面反射镜渐渐取代玻璃折射镜成为 18世纪的主流。将反射镜带入高峰的是英国天文大师威廉·赫 歇尔。1786年，赫歇尔磨制完成了当时的巅峰之作：一架长达 40英尺(12.2米)、口径48英寸(122厘米)的反射望远镜。他一 生磨制了大大小小400多块镜片，制作了多架性能优异的望远 镜，在它们的助力下，他发现了天王星，扩展了太阳系的疆域，而 且还第一次把人类的视野延伸到了太阳系之外，开创了恒星天 文学。
   18世纪末19世纪初，光学的发展和透镜方面的革新又为 解决折射镜大口径与镜筒过长的矛盾带来了新的曙光，人们制 造出缺陷很少的玻璃，而且透镜成像质量大大好于金属反射镜。 折射镜开始大行其道，到19世纪中期时，英国的48个天文台中 有40个都使用折射镜。世界最大的折射镜位于美国。1897年5 月21日，美国太阳天体物理学家乔治·埃乐里·海尔说服芝加哥 电车大亨查尔斯·泰森·叶凯士出资，建成直径1米、长183米 的折射镜，整个装置重达20吨，但平衡性能绝佳，甚至一个手指 就可以推动，至今它依然是折射望远镜中的王者。不过此后折射 镜盛极而衰，由于镜坯太大，浇注时容易混入汽泡，而且大尺寸 的透镜容易变形，再加上厚厚的镜片对光线吸收过多，使得更大 尺寸的透镜的使用效果大打折扣，因此在叶凯士望远镜之后天 文学家们再也没有制造大的折射镜了。
   折射镜主宰了19世纪的大部分时间，但真正使得望远镜步 入大型化时代并给近代天文学带来革命性变化的却是反射镜。 1908年海尔和制镜天才乔治·威利斯·里奇合作完成了威尔逊 山天文台口径1.5米的玻璃镜面反射望远镜，它的落成拉开了 现代大型望远镜的序幕。里奇制定了详细有效的镜面磨制操作 规范，并且创造性地使用了无尘环境来进行镜面加工，这些都成 了后来的制镜典范。不久，在洛杉矶商人约翰·胡克的资助下，口 径25米的“胡克望远镜”也在里奇手中打磨成功，它强大的聚 光力向人们展现了一个前所未见的神奇宇宙。著名美国天文学 家哈勃用它发现宇宙正在膨胀，开创了观测宇宙学与星系天文 学。人们的视野第一次超越银河系，投向了广袤无垠的宇宙更深 处。1947年，著名的帕洛玛山天文台5米口径“海尔”望远镜开 光，这台史诗般宏伟的巨镜整个可动部分总重相当于三辆重型 坦克！它称雄世界近半个世纪，直到今天仍在工作中。
    20世纪六七十年代，随着观测与理论取得越来越多的突 破，天文学家又发出了对更大、更好的望远镜的呼喊。如果说之 前对大型望远镜的追求还含有技术狂人偏执角逐的成份的话， 那么这一次的呼喊，则完全出于探索真理、完善理论的求知本 能：光学望远镜与刚刚起步的射电望远镜一起扩展了人们的视 野，同时也引发了更多的疑难，天文学家的任务再也不只是简单 地确定恒星方位、编制历表等，而是开始涉足宇宙的核心奥秘： 宇宙从何而来?又将如何而去？地球有否同伴？人类是否孤独?
   计算机和材料科学的飞速发展，给了本已没有信心磨制更 大镜片的工程师和天文学家们一个新的解决之道。1979年，多 镜面望远镜(MMT)诞生了。这台由6个口径1.8米镜片组合而 成的望远镜等效口径为4.5米，借助计算机来确保所有镜片协 同工作，它的第一次观测就证实了引力透镜现象。几乎与此同 时，美国亚利桑那大学的罗杰·安杰尔发展了里奇曾提出的减轻 单一镜面重量的“蜂窝式”镜面技术，使磨制更大镜面成为了可 能。望远镜进入了“后帕洛玛时代”。美、日、 欧洲诸强纷纷开始打造新一代观天巨眼，这 场竞争的结果是，在20世纪90年代末期 大型望远镜集中“爆发”了。首先落成的是美国加州理工学院和 加州技术学会联合打造的“凯克Ⅰ”和“凯克Ⅱ”望远镜，这两台巨 无霸分别在1993年、1998年率先完工，它们各由36块直径 1.8米的镜片拼接而成，有效口径均为10米。随后，日本于1999 年建成口径8.3米的单镜面望远镜，力拔单镜面之头筹。这段时 间建成的其他著名望远镜还有甚大望远镜(4台8.2米，欧洲南 方天文台，1999~2001年)、双子望远镜(2台8.1米，美国、英 国等，1999年)、HET望远镜(9.2米，美国，1999年)等等。时至 今天，这些如雷贯耳的名字均活跃在每月的天文发现通报中。迄 今为止，世界最大的拼接镜面望远镜是2007年7月投入使用 的10.4米“加那利大望远镜”(Gran Telescopio Canarias， 西班牙)，而最大的单镜面望远镜则是在2008年3月刚投入工 作的“大双筒望远镜”(美国、意大利、德国)，它的两个子镜均为 8.4米。
   2008年10月，望远镜迎来了第400个春秋。在400年的 漫漫征途中，人类经历了两次工业革命和(正在进行的)信息技 术革命，望远镜的历史也在不断改写。今天的望远镜家族早已不 再是只有光学望远镜独撑大局了，其他电磁波段的各类望远镜 (例如射电望远镜、红外望远镜、X射线望远镜等等)业已竞相登 场，而且航天技术的发展，也早已把望远镜送上了太空(如著名 的“哈勃”、“斯必泽”等)，不过地面光学望远镜的重要作用仍旧 不可替代。经过4个世纪的不断改进，现代的8米级光学望远镜 已经能分辨出月球上(距离我们38万公里)的一辆小轿车、看到 比人眼暗100万倍的恒星(相当于看到100公里外的一盏40 瓦白炽灯)。但对探索宇宙而言，这还远远不够。例如探测太阳系 外行星最有效的一种方法是测量行星引起的主恒星的速度摆 动，现有的望远镜已经能够探测到质量为地球10倍的行星引起 的摆动，因此要想直接找到系外“地球”，我们的观测精度就得提 高10倍，即望远镜的口径得达到25米左右。这正是下一代望 远镜的目标。我们相信，作为瞭望宇宙的利器，望远镜以及它的 传奇故事必将继续演义下去，谱写出新的篇章。

   （摘自《天文爱好者》2008/10 易轩）