望遠鏡的400年曆史回顧

東升西點

2008年10月13日，新浪科技發表了一篇文章，“太空之眼：八具最偉大空間望遠鏡”。它談到了世界上最先進的觀測太空的技術。今年是發明望遠鏡400周年。本文將從另一個角度談望遠鏡，著重於個階段的成就和對未來的展望。

盡管公元前3500年左右腓尼基人在沙漠上烹煮食物時就於無意中發現了玻璃的製造方法，但直到5000年後，人類才掌握了將玻璃磨成透鏡並進而製成望遠鏡的方法。在13世紀時，放大鏡已經非常普及。

利柏黑的專利申請的一頁

沒有人確切知道誰發明了望遠鏡。1608年9月25日，荷蘭製眼鏡匠漢斯·利伯希 (Hans Lippershey, 1570 - 1619) 在一封信中說他發明了一個能把物體的景象放大的儀器，10月2日，他遞交了他發明望遠鏡的專利申請。荷蘭政府沒有批準他的申請，但他因為這個申請而贏得了後人公認他為望遠鏡的發明人。雅可比·梅提斯 (Jacob Metius) 的申請比他晚了幾個星期。薩卡瑞斯·楊森(Sacharias Janssen)可能更早(1600年以前)，但沒有任何文件能夠證明。

最早的望遠鏡示意圖。

利伯希時代的望遠鏡都沒有保存下來，甚至沒有留下一張圖。1609年8月一位叫作吉奧凡帕啼斯塔·波爾塔(Giovanpattista della Porta)的女士在一封信中畫了世界上第一個望遠鏡的草圖。

伽利略 (Galileo Galilei) 組裝和使用的折射望遠鏡

1609年，伽利略在聽到利伯希有關望遠鏡的工作的消息後不久，就自行製造出了一架小的天文望遠鏡。這架望遠鏡隻能提供30倍的放大率，而且視野非常狹窄。事實上，如果不調整望遠鏡的位置的話，伽利略隻能看到1/4張月亮的臉。但是，伽利略還是利用它觀測到了月球隕石坑、太陽黑子、木星的4顆衛星、土星環，並指出銀河實際上是由許多恒星構成的。 在1609年8月25日，伽利略在梵諦岡示範了他製作的望遠鏡。在1610年1月7日，他用望遠鏡觀察到了木星的三個小衛星；他最早的天文觀測的論文則是在1610年3月（題目是：Sidereus Nuncius）。同年，開普勒(Johannes Kepler)知道了伽利略使用望遠鏡，也開始使用望遠鏡，他用望遠鏡觀察了木星(Jupiter)的四顆最大的衛星並在1611年發表了關於望遠鏡的理論。

牛頓 (Newton) 提出反射望遠鏡

1672年，牛頓 (Isaac Newton) 提出了一種新的望遠鏡設計概念。區別於伽利略的折射望遠鏡，牛頓的新望遠鏡使用一麵凹透鏡將光線聚集並反射到焦點上，因此被稱為反射望遠鏡。反射望遠鏡的反射鏡就像一個水桶一樣，水桶越大，裝的水越多，反射鏡越大，能夠收集到的光也越多。這種設計使望遠鏡的放大倍率達到了數百萬倍，遠遠超過了折射望遠鏡所能達到的極限。

19世紀最大的望遠鏡

雖然基本原理一直不變，但牛頓使用的6英寸直徑小銅鏡卻在隨後的歲月裏逐漸被更大口徑的折射鏡所取代。1845年，威廉·帕森思（William Parsons）在愛爾蘭建成了一架口徑為72英寸(183厘米) 的反射望遠鏡。直到1917年為止，它一直占據著世界最大的反射望遠鏡的寶座。

胡克望遠鏡(Hooker Telescope)

1917年，胡克望遠鏡在美國加利福尼亞的威爾遜山天文台 (Mount Wilson Observatory) 建成。它的主反射鏡口徑為100英寸。正是使用這座望遠鏡，埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）發現了宇宙正在膨脹的驚人事實。

施密特-卡塞格倫望遠鏡(Schmidt-Cassegrain Telescope)

1930年，德國天文學家伯哈德·施密特(Bernhard Schmidt)將折射望遠鏡和反射望遠鏡的優點(折射望遠鏡像差小但有色差而且尺寸越大越昂貴，反射望遠鏡沒有色差、造價低廉且反射鏡可以造得很大，但存在像差)結合起來，製成了第一台折反射望遠鏡。這種望遠鏡被稱為施密特-卡塞格倫望遠鏡，是目前最流行的天文望遠鏡。

凱克望遠鏡(W. M. Keck Observatory)

1948年，當帕羅瑪海爾反射望遠鏡完工時，許多人都認為它是地麵天文望遠鏡的一個極限，因為更大的鏡麵會因為太重而變形。90年代，技術進步使建造更輕的更大的(8米)鏡麵成為可能，但它要依靠計算機不斷調整支撐點，以保證鏡麵不會被自身的重量扭曲。後來，在加州大學聖克魯茲分校粒子物理學家傑瑞·尼爾森的啟發下，凱克望遠鏡改變了思路。凱克天文台位於美國夏威夷州的毛納基山4145米的頂峰，它擁有的世界上口徑最大的光學/近紅外線望遠鏡，由兩台相同的望遠鏡組成，每台口徑都是10米，由36片口徑1.8米的六角形鏡片組合而成。就把鏡麵自重問題很好地解決了。

哈勃空間望遠鏡 (Hubble Space Telescope)

避免大氣層和人類活動的幹擾的最好辦法就是離開地球。哈勃空間望遠鏡 (Hubble Space Telescope) 就是基於這個思想建造的。1990年，NASA將哈勃太空望遠鏡送入軌道。它由NASA和ESO合作共同管理。由於鏡麵故障，直到1993年宇航員完成太空修複並更換了透鏡後，哈勃望遠鏡才開始全麵發揮作用。由於可以不受地球大氣的幹擾，哈勃望遠鏡的圖像清晰度是地球上同類望遠鏡拍下圖像的10倍，被視為全球最大和最精確的天文望遠鏡，10多年來解開很多宇宙的謎團。去年(2007年)12月，美國宇航局宣布將對“哈勃”太空望遠鏡進行升級。隨著哈勃的組件日漸老化，退役是遲早問題。美國太空總署的詹姆士·韋伯望遠鏡定於2011年發射升空，預計2013年麵世。

順便提一句，中國計劃在“十一五”期間發射自己的空間太陽望遠鏡。

韋伯太空望遠鏡 (James Webb Space Telescope)

詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（James Webb Space Telescope，縮寫JWST）是計劃中的紅外線太空望遠鏡。作為將於2010年結束觀測活動的哈勃太空望遠鏡的後續機，現計劃於2013年發射升空。它是歐洲空間局(ESA)和美國宇航局(NASA)的共享計劃，放置於太陽─地球的第二拉格朗日點。不像哈勃空間望遠鏡那樣是圍繞地球上空旋轉，而是飄蕩在從地球背向太陽的後麵150萬千米的空間。主要的任務是調查作為大爆炸理論的殘餘紅外線證據（宇宙微波背景輻射），即觀測今天可見宇宙的初期狀態。計劃中的詹姆斯韋伯太空望遠鏡的質量為6.2噸，約為哈勃空間望遠鏡（11噸）的一半。主反射鏡由鈹製成，口徑達到6.5米，麵積為哈勃太空望遠鏡的5倍以上。

斯必澤空間望遠鏡 (Spitzer Space Telescope)

斯必澤空間望遠鏡耗資8億美元，原名為空間紅外望遠鏡設備（SIRTF），2003年12月，經過公眾評選，該衛星以空間望遠鏡概念的提出者、美國天文學家萊曼·斯必澤（Lyman Spitzer, Jr.）的名字命名。望遠鏡工作在波長為3-180微米的紅外線波段，以取代先前的紅外線天文衛星（IRAS）。斯必澤空間望遠鏡雖然不比它口徑大很多，但得益於紅外探測設備的快速發展，性能上有了顯著的提高。2003年8月25日，斯必澤空間望遠鏡在美國佛羅裏達扛7b的卡納維爾角由德爾塔Ⅱ型火箭發射升空，運行在一條位於地球公轉軌道後方、環繞太陽的軌道上，並以每年0.1天文單位的速度逐漸遠離地球，這使得一旦出現故障，將無法使用航天飛機對其進行維修。最近(2008年7月)德國天文學家利用美國航空航天局的“斯必澤(Spitzer)”紅外線宇宙望遠鏡銀河係中心位置觀測到了一顆巨型星，它的體積是太陽的100萬倍，重量為太陽的150萬倍。

對太空望遠鏡感興趣的網友可以繼續閱讀Zhang Bo的精彩博文“早期天文衛星回顧”。

介於地麵觀測和外層空間觀測，還有一個辦法就是航空觀測。NASA和德國聯合設計製造的SOFIA航空天文觀測飛機(SOFIA)就是一個例子。NASA希望它可以在明年(2009年)正式投入使用，以取代已經退役了的柯伊伯(Kuiper)。關於SOFIA，可以讀我以前的介紹。

SOFIA航空天文觀測飛機

自太空時代開始初期，天文學家們就一直夢想在月球遠離地球的一端安設望遠鏡以及其他探測設備。這個計劃一旦實現，不僅能夠避免地球大氣層對望遠鏡等科考設備無線電信號的幹擾，同時巨大的月球還能遮擋住從地球傳播出的各種無線電信號。而且，隻有在月球遠離地球的一端，無線電望遠鏡才能收集到來自外太空最微弱的信號，不至於被地球的傳播頻道淹沒。但是要這個任務的難度已經超出阿波羅登月計劃的能力，目前的登月機器人也沒有這個能力，因此這種望遠鏡的研發一度處於擱置狀態。然而，隨著NASA宣布計劃在2019年再次送宇航員上月球，關於在月球遠離地球一端安裝無線電望遠鏡的設想再次活躍起來。

目前，世界上最大的光學天文望遠鏡是1993年開始投入使用的夏威夷莫納克亞山上的凱克望遠鏡，它的主透鏡的口徑達到了10米。

大型雙管望遠鏡(LBT)

世界最大雙管望遠鏡如今正式在美國亞利桑那州東南部的格雷厄姆山上開始工作，拍攝令人叫絕的數百萬光年之外的天體圖片。盡管現有的巨大望遠鏡能看到部分不可見光譜，從低頻率的無線電波到高頻率的伽馬射線。但該望遠鏡的電子儀器可糾正圖像錯誤，清晰度是太空中任何傳統光學望遠鏡所無法媲美的，甚至哈勃太空望遠鏡也沒辦法同其抗衡。該望遠鏡耗資1.2億美元，耗時20年才建成，是美國亞利桑那州大學的格雷厄姆山國際天文台裏的掌上明珠。格雷厄姆山矗立於奇瓦瓦 (Chihuahuan)沙漠，海拔10500英尺，這是在此山頂上修建的第三架望遠鏡，另外二架是赫恩裏奇-赫茲（Heinrich-Hertz）亞毫米波望遠鏡和梵蒂岡高科技望遠鏡。

太空望遠鏡可以避免大氣造成的鏡像扭曲不利局麵，而且它能觀測到比同等口徑“山頂望遠鏡”更為細致的景象。不過，人類還不可能如同燒錢般地在太空領域內布置望遠鏡；火箭的載重量有限，難以攜帶大口徑太空望遠鏡。現實情況迫使人類選擇更為實際的“山頂望遠鏡”來探索宇宙的本質，來揭開暗物質和暗能量的秘密。各國天文學家們正在製訂計劃，製造有史以來體積和功率最大的天文儀器。超大型天文望遠鏡製造熱預計將在今後10年裏展開，將帶來空前的清晰度和放大倍數的科技進展。這些儀器將幫助人類深入探索宇宙。

20米口徑的大麥哲倫望遠鏡（Giant Magellan Telescope，簡稱GMT）

大麥哲倫望遠鏡將采用一個直徑80英尺（20米）的鏡麵，造價約為5億美元，竣工時間定在2015年，被安放在智利的拉斯坎帕納斯。大麥哲倫望遠鏡的思路與凱克望遠鏡是類似的。它的主鏡麵將由6塊大的圓形鏡麵圍繞一個中心鏡麵構成。“大麥哲倫”計劃被業內人士看成是一場不折不扣的“豪賭”。雖然其成功將為天文學界帶來一個裏程碑式的跨越，使人們能夠直接觀測遙遠星係的行星，尋找類似太陽係或地球的宇宙環境及潛在的智慧生命，但就項目組目前的資金及科技水平，沒有人能保證這個夢想最終能實現。

30米口徑的“加利福尼亞極大望遠鏡”（California Extremely Large Telescope，簡稱CELT）

美國加利福尼亞理工學院、加利福尼亞大學和加拿大大學天文學會計劃製造一台30米口徑望遠鏡，造價將為11．7億美元。加利福尼亞極大天文望遠鏡則與大麥哲倫望遠鏡的思路不同。在理查德·艾裏斯及其同事的設想中，30米口徑的鏡麵很可能會由數千塊六角形的小鏡麵所構成。 如果一切順利，加利福尼亞極大天文望遠鏡將在2012年投入使用。

100米口徑的絕大望遠鏡（Overwhelming Large Telescope，簡稱OWL）

由歐洲南方天文台倡議、多個歐洲國家共同參與、建造在智利塞羅·帕拉納（Cerro Paranal）的100米口徑絕大望遠鏡顯得更有創意。歐洲南方天文台的天文學家羅伯特·吉爾默茲（Robert Gilmozzi）稱，100米是在一顆鄰近恒星的地球大小的行星上搜尋生命所需的最小望遠鏡鏡麵口徑。為了實現這個目標，天文學家們將采取一種創新的手段來建造這架望遠鏡。首先，絕大望遠鏡將會被設計為球形，這樣，它就有了不斷擴大的空間，並且也可以分階段的建造。望遠鏡主鏡麵的所有部分都是一致的，天文學家們會先建造一個60米口徑的望遠鏡，看它是否能夠正常工作，然後再將其他的部分逐漸拚接上去，組成一個100米口徑的望遠鏡。

聯合國教科文組織（UNESCO）將2009年訂為國際天文學年（International Year of Astronomy），期望能再次帶動年輕人對科學和天文學研究的熱情。這個國際天文學年可以從2009年一直慶祝到2010年的3月，以紀念伽利略的1610年3月的論文。

GLAST大型伽馬射線太空望遠鏡(Gamma-ray Large Area Space Telescope，GLAST)更名為費米(Fermi)伽瑪射線太空望遠鏡

6月11日，美國使用“德爾它”-2（Delta II ）火箭從佛羅裏達州卡納維拉爾角空軍基地發射了新一代伽馬射線太空望遠鏡(GLAST)。GLAST是一台功能強大的太空望遠鏡，這台望遠鏡長約2.8米，直徑約2.5米，能每隔90分鍾繞地球一周。它是第一個每天都能“巡天”觀測的伽馬射線觀測台。設計觀測壽命為5~10年。GLAST由美國航空航天局聯合美國能源部建造，法國、德國、意大利、日本和瑞典5國政府機構及科研組織給予了資金和技術支持。項目總耗資約為6.9億美元，美國出資6億美元。

LAMOST天文望遠鏡

在中國，值得一提的是，2008年10月16日，外形怪異的龐然大物LAMOST天文望遠鏡 (LAMOST)，即“大天區麵積多目標光纖光譜望遠鏡”，在國家天文台河北興隆觀測站宣告正式落成，成為望遠鏡發明400周年最美好的紀念。

除了地麵上、空間中建造望遠鏡以外，我們還可以在哪裏建造呢？答案是“月球”。一組國際著名的天文學家和光學專家聲稱可能發現了一種極其簡單的方法，在月球上製造“無限大”的望遠鏡。加拿大魁北克Laval大學光學實驗室教授Ermanno F. Borra說，“太簡單了。艾薩克牛頓知道任何液體，如果被放在淺容器內，讓它旋轉，會自然的呈現拋物麵──望遠鏡鏡片需要此種形狀去聚焦星光。這可能是製造巨型月球天文台的關鍵。”Borra從1992年起就開始研究液體透鏡望遠鏡，他和NASA Ames研究中心主管Simon P.“Pete”Worden，及其他成員正在實現這一設想。在地球上，如果能保證容器平穩，空氣軸承旋轉時震動和摩擦力都較低，液體望遠鏡可以做的極其光滑和完美。當然這要等人類重返地球之後了。

400百年前(1609年)，伽利略把自己製造的新型望遠鏡指向了太空，從夏天、秋天到冬天，他認真地研究了行星、月亮和恒星。他用新式的望遠鏡進行天文觀測，發現太陽上有黑子，月亮表麵的坑洞，並根據其邊緣影子的長度測算它們的高度。他還發現銀河是由許多的恒星組成。此外，伽利略還發現了金星的相，即金星也跟月球一樣有相位的變化，會從新月狀逐漸變為滿月；他也發現了木星的四顆衛星。這些發現都支持哥白尼的日心說，並嚴重地挑戰了當時羅馬教會所認可的托勒密古希臘天文觀與地心說。

為了紀念伽利略在400年前的偉大發現，聯合國宣布2009年為“國際天文年 (International Year of Astronomy, IYA)。聯合國科教文組織(UN ESCO)作為領導機構，國際天文聯合會 (International Astronomical Union, IAU) 負責執行，協調世界各天文組織共同參與。東升特編寫此博文以示祝賀！