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13. 從牛頓的“禮品”說起
17 世紀時，( 折射) 望遠鏡越造越長， 使操作越來越困難。如何做才能縮短望遠鏡的鏡身， 同時又使獲得的圖像清晰呢？
英國科學家胡克在光學上有較高的造詣。他認為， 應把反射鏡引入望遠鏡， 就像折尺一樣， 可以縮小望遠鏡的鏡身長度。他估計， 這樣做可以使望遠鏡長度減至折射望遠鏡的五分之一。想法不錯， 但製作並不容易。
還有像差問題。如果消除了像差， 折射望遠鏡就可以采取焦距短的透鏡， 望遠鏡就可以縮短鏡身但放大倍數不減。消除球差， 磨製拋物麵的透鏡， 也就是說， 透鏡越靠近邊緣部分， 彎曲程度就越小。但是， 磨製這種鏡片並不容易， 據說， 牛頓就親自磨製過， 但失敗了。色差是望遠鏡成像時， 透鏡的周圍有一圈顏色， 人們不知道色差的原因是什麽。後來， 牛頓的色散實驗使人們知道白光是一種複合色光。所謂色差就是光線經過透鏡折射造成的。由此， 牛頓斷言， 光線透過玻璃透鏡總會產生色差， 所以色差是無法消除的。這個斷言是片麵的， 到18 世紀人們終於找到了消除色差的方法。不過這是後話了。
牛頓無法消除色差， 因此隻得另覓途徑。這就是借助反射鏡， 盡管反射尚未能修正球差， 但消除色差是可行的。像古代人一樣， 反射鏡最適宜的材料是青銅。牛頓選用的合金材料是白銅， 其成份比例是銅錫砷=6 ∶2 ∶1 。
1668 年， 牛頓製成了第一架反射式望遠鏡。它長約15厘米， 鏡麵直徑隻有2. 5 厘米， 放大倍數有40 倍， 相當於2 米長的折射望遠鏡。後來， 牛頓又製成了一架直徑為5 厘米的反射望遠鏡。1672 年， 他把這架望遠鏡送給了英國皇家學會， 並提交一份有關光學研究的報告。牛頓也因此加入了皇家學會。現在， 這架望遠鏡仍保存在皇家學會。
反射望遠鏡也有明顯的缺陷。如反射光量較小， 隻有相同直徑的優質透鏡透射光量的16 % 。當時的合金還容易失去光澤， 因些需要經常拋光。後來， 人們才從工藝上解決在玻璃上鍍反射膜的問題， 進而解決了光損失的問題。
與牛頓式反射望遠鏡不同， 還有卡塞格蘭式反射望遠鏡， 二者區別不大。前者是將入射光線反射90°， 從鏡筒側麵開窗接收之。後者則將入射光線反射180°， 像折射望遠鏡一樣， 從鏡底來接收。
1721 年， 英國的哈德利製造了一架反射望遠鏡， 直徑為15 厘米。由於磨製技術高超， 它的球差降到最低。它的性能也非常好， 同當時惠更斯製造的折射望遠鏡相比， 其性能不相上下， 但長度隻有1. 8 米， 而後者卻長達37. 5 米。
到18 世紀中葉， 反射望遠鏡的口徑可達45 厘米， 長度也超過3. 6 米。
這時， 一位名叫赫歇耳的音樂教師渴望有一架望遠鏡進行觀測。他認識到， 折射望遠鏡已發展到極限了， 應造出更好的反射望遠鏡。由於他沒有錢， 隻得自己磨鏡片。一磨就是幾個小時， 據說， 最長的時間是連續磨了16 個小時。赫歇耳還提高了青銅鏡的反射本領。他先後造起了幾架直徑15 厘米( 放大倍數40 倍、2. 1 米長)， 直徑為22. 5 厘米( 長3 米)， 直徑為45 厘米( 長6 米) 的反射望遠鏡。
利用這些望遠鏡， 赫歇耳獲得了許多重要的發現， 最有名的要算是發現天王星了， 這使他獲得了很高的榮譽。由於英國國王喬治三世的資助， 赫歇耳還造出了直徑122 厘米( 長12. 2 米) 的望遠鏡。
1856 年， 德國化學家李比希利用銀鏡反應在玻璃上鍍銀膜。法國光學家傅科把這種技術應用到反射望遠鏡上。這使得金屬反射鏡被廢止。當鍍銀工藝不斷改進後， 19 世紀下半葉， 人們先後製出直徑為31 厘米、71 厘米、120 厘米的銀麵玻璃反射鏡。
20 世紀， 製造家造出的反射望遠鏡更大。1908 年底，著名天文學家海耳在美國威爾遜山製造了一架1. 53 米的望遠鏡。由於磨製鏡體的技術高超、條件嚴格( 無塵且恒溫的房間)， 拍攝的光譜極為清晰。
當海耳建造1. 53 米望遠鏡時， 洛杉磯商人胡克為海耳提供一筆資金， 用以製造2. 12 米的反射望遠鏡。同時， 美國的布拉希爾製造了1. 83 米的反射望遠鏡。由於反射鏡鍍上鋁膜， 其反射率可達82 % ， 而通常的鍍銀膜反射率隻有65 % 。海耳的2. 54 米望遠鏡於1918 年底投入使用， 並以胡克的名字命名， 即“胡克望遠鏡”。借助胡克望遠鏡可以對銀河係進行觀測， 並確定太陽係在銀河係中的位置。
胡克望遠鏡拍攝天空的麵積隻有月麵大小， 如果用它繪製星圖就需要大量的照片。當搜索一些特殊天體要迅速掃視天空， 這時的胡克望遠鏡就顯得不夠用了。此外， 要製造更大的望遠鏡會出現一種“彗差”， 即當望遠鏡對準中心天體時， 遠離中心的天體出現了一個“小尾巴”， 就像是彗星。
為了消除彗差， 德籍俄國天文學家施密特設計了一種新型透鏡， 它稱做“改正鏡片”。它的中央最厚， 邊緣較薄， 最薄處介於邊緣與中心之間。這種透鏡構成的望遠鏡稱做“施密特望遠鏡”。目前， 最大的施密特望遠鏡的反射鏡直徑為2 米， 改正鏡片直徑為1. 34 米。
從20 世紀20 年代開始， 海耳設想建造更大的望遠鏡，並選好地址在威爾遜山東南145 公裏的帕洛瑪山。海耳計劃建造5 米( 實際是5. 08 米) 的反射鏡。
澆鑄和磨製鏡片可謂困難重重， 需要59 噸的熔融液體，要把它們一點點兒澆到模子裏邊， 其冷卻過程極為緩慢。盡管小心翼翼， 第一塊澆鑄的鏡體還是失敗了( 現存紐約康寧博物館) 。接著， 又澆鑄第二塊， 它冷卻的時間是10 個月。
玻璃圓盤要磨掉幾十噸料， 光消耗磨料就近30 噸， 最後成型的鏡體尚重14. 5 噸。
1948 年， 望遠鏡建成， 並命名為海耳望遠鏡， 不過，海耳已先此十年就去世了。70 年代， 前蘇聯在高加索的帕斯多克霍夫山建成直徑6米的望遠鏡。據說， 澆鑄鏡體的冷卻時間就花了兩年時間。望遠鏡的鏡體長25 米， 重77 噸， 由於設計合理、工藝高超， 運轉起來仍十分靈便。
望遠鏡能造得更大嗎？ 如果仍利用常規的製鏡加工工藝已很困難了。例如， 由於望遠鏡自重過大， 將物鏡簡單地按比例放大的設想已難以做到， 因為過重的身驅會把“骨骼”壓斷了。還有一個最大的矛盾是： 這個巨型的凹麵鏡鏡片厚一些， 抗變形的性能好， 但散熱性能差； 鏡片薄一些， 抗溫度波動性能好， 但鏡麵彎曲變形加劇。
如何克服這個矛盾？ 設計人員提出了一些解決辦法。美國加利福尼亞州大學伯克利分院的天文學家耐爾遜找到一種化整為零的辦法。他把整塊巨型物鏡分解為36 麵分鏡， 磨製好後再仔細地拚合在一起。這樣的鏡體既薄又結實。分鏡的匹配用一個複雜的計算機網絡調控之。耐爾遜主持的“凱克Ⅱ號”超級望遠鏡建成於1991 年。這是當今反射望遠鏡之最， 它座落在夏威夷冒納凱山頂。
座落在美國亞利桑那州的霍普金斯山頂的“哥倫布”超級反射望遠鏡是雙筒望遠鏡。它由兩麵直徑為8 米的物鏡組成， 其集光能力相當於直徑達11. 3 米的單鏡望遠鏡。
正在建設中的歐洲天文台智利安第斯山脈巴拉那山頂上的“VIT ”號超級望遠鏡是由4 麵直徑8 米的薄型物鏡組成。
建在地麵上的望遠鏡受到許多限製， 如溫度、氣流等， 特別是厚厚的大氣層吸收了大量的光線。當人類進入太空後， 科學家設想在太空建立天文台， 太空的望遠鏡會發揮更大的作用。
科學家的設想在1990 年實現了。4 月24 日， 美國“發現號”航天飛機將自重11 噸， 長13 米的“哈勃”( 這是美國著名的天文學家) 太空望遠鏡送入距地球600 多公裏的軌道上。它耗費了20 億美元的資金。遺憾的是， 它的反射鏡的缺陷使“哈勃”望遠鏡成了近視。美國人說， 這是最大和最貴的“近視眼”。1993 年12 月， 美國宇航員花了12 天的時間對它進行了修理， 以提高它的視力。
20 世紀90 年代建成的這些望遠鏡大大擴展了人們的視野， 並將人們的眼光探到宇宙深處那壯麗的圖景， 為人類在探索宇宙之謎的過程中不斷提供更多的和更有價值的信息。
英國科學家胡克在光學上有較高的造詣。他認為， 應把反射鏡引入望遠鏡， 就像折尺一樣， 可以縮小望遠鏡的鏡身長度。他估計， 這樣做可以使望遠鏡長度減至折射望遠鏡的五分之一。想法不錯， 但製作並不容易。
還有像差問題。如果消除了像差， 折射望遠鏡就可以采取焦距短的透鏡， 望遠鏡就可以縮短鏡身但放大倍數不減。消除球差， 磨製拋物麵的透鏡， 也就是說， 透鏡越靠近邊緣部分， 彎曲程度就越小。但是， 磨製這種鏡片並不容易， 據說， 牛頓就親自磨製過， 但失敗了。色差是望遠鏡成像時， 透鏡的周圍有一圈顏色， 人們不知道色差的原因是什麽。後來， 牛頓的色散實驗使人們知道白光是一種複合色光。所謂色差就是光線經過透鏡折射造成的。由此， 牛頓斷言， 光線透過玻璃透鏡總會產生色差， 所以色差是無法消除的。這個斷言是片麵的， 到18 世紀人們終於找到了消除色差的方法。不過這是後話了。
牛頓無法消除色差， 因此隻得另覓途徑。這就是借助反射鏡， 盡管反射尚未能修正球差， 但消除色差是可行的。像古代人一樣， 反射鏡最適宜的材料是青銅。牛頓選用的合金材料是白銅， 其成份比例是銅錫砷=6 ∶2 ∶1 。
1668 年， 牛頓製成了第一架反射式望遠鏡。它長約15厘米， 鏡麵直徑隻有2. 5 厘米， 放大倍數有40 倍， 相當於2 米長的折射望遠鏡。後來， 牛頓又製成了一架直徑為5 厘米的反射望遠鏡。1672 年， 他把這架望遠鏡送給了英國皇家學會， 並提交一份有關光學研究的報告。牛頓也因此加入了皇家學會。現在， 這架望遠鏡仍保存在皇家學會。
反射望遠鏡也有明顯的缺陷。如反射光量較小， 隻有相同直徑的優質透鏡透射光量的16 % 。當時的合金還容易失去光澤， 因些需要經常拋光。後來， 人們才從工藝上解決在玻璃上鍍反射膜的問題， 進而解決了光損失的問題。
與牛頓式反射望遠鏡不同， 還有卡塞格蘭式反射望遠鏡， 二者區別不大。前者是將入射光線反射90°， 從鏡筒側麵開窗接收之。後者則將入射光線反射180°， 像折射望遠鏡一樣， 從鏡底來接收。
1721 年， 英國的哈德利製造了一架反射望遠鏡， 直徑為15 厘米。由於磨製技術高超， 它的球差降到最低。它的性能也非常好， 同當時惠更斯製造的折射望遠鏡相比， 其性能不相上下， 但長度隻有1. 8 米， 而後者卻長達37. 5 米。
到18 世紀中葉， 反射望遠鏡的口徑可達45 厘米， 長度也超過3. 6 米。
這時， 一位名叫赫歇耳的音樂教師渴望有一架望遠鏡進行觀測。他認識到， 折射望遠鏡已發展到極限了， 應造出更好的反射望遠鏡。由於他沒有錢， 隻得自己磨鏡片。一磨就是幾個小時， 據說， 最長的時間是連續磨了16 個小時。赫歇耳還提高了青銅鏡的反射本領。他先後造起了幾架直徑15 厘米( 放大倍數40 倍、2. 1 米長)， 直徑為22. 5 厘米( 長3 米)， 直徑為45 厘米( 長6 米) 的反射望遠鏡。
利用這些望遠鏡， 赫歇耳獲得了許多重要的發現， 最有名的要算是發現天王星了， 這使他獲得了很高的榮譽。由於英國國王喬治三世的資助， 赫歇耳還造出了直徑122 厘米( 長12. 2 米) 的望遠鏡。
1856 年， 德國化學家李比希利用銀鏡反應在玻璃上鍍銀膜。法國光學家傅科把這種技術應用到反射望遠鏡上。這使得金屬反射鏡被廢止。當鍍銀工藝不斷改進後， 19 世紀下半葉， 人們先後製出直徑為31 厘米、71 厘米、120 厘米的銀麵玻璃反射鏡。
20 世紀， 製造家造出的反射望遠鏡更大。1908 年底，著名天文學家海耳在美國威爾遜山製造了一架1. 53 米的望遠鏡。由於磨製鏡體的技術高超、條件嚴格( 無塵且恒溫的房間)， 拍攝的光譜極為清晰。
當海耳建造1. 53 米望遠鏡時， 洛杉磯商人胡克為海耳提供一筆資金， 用以製造2. 12 米的反射望遠鏡。同時， 美國的布拉希爾製造了1. 83 米的反射望遠鏡。由於反射鏡鍍上鋁膜， 其反射率可達82 % ， 而通常的鍍銀膜反射率隻有65 % 。海耳的2. 54 米望遠鏡於1918 年底投入使用， 並以胡克的名字命名， 即“胡克望遠鏡”。借助胡克望遠鏡可以對銀河係進行觀測， 並確定太陽係在銀河係中的位置。
胡克望遠鏡拍攝天空的麵積隻有月麵大小， 如果用它繪製星圖就需要大量的照片。當搜索一些特殊天體要迅速掃視天空， 這時的胡克望遠鏡就顯得不夠用了。此外， 要製造更大的望遠鏡會出現一種“彗差”， 即當望遠鏡對準中心天體時， 遠離中心的天體出現了一個“小尾巴”， 就像是彗星。
為了消除彗差， 德籍俄國天文學家施密特設計了一種新型透鏡， 它稱做“改正鏡片”。它的中央最厚， 邊緣較薄， 最薄處介於邊緣與中心之間。這種透鏡構成的望遠鏡稱做“施密特望遠鏡”。目前， 最大的施密特望遠鏡的反射鏡直徑為2 米， 改正鏡片直徑為1. 34 米。
從20 世紀20 年代開始， 海耳設想建造更大的望遠鏡，並選好地址在威爾遜山東南145 公裏的帕洛瑪山。海耳計劃建造5 米( 實際是5. 08 米) 的反射鏡。
澆鑄和磨製鏡片可謂困難重重， 需要59 噸的熔融液體，要把它們一點點兒澆到模子裏邊， 其冷卻過程極為緩慢。盡管小心翼翼， 第一塊澆鑄的鏡體還是失敗了( 現存紐約康寧博物館) 。接著， 又澆鑄第二塊， 它冷卻的時間是10 個月。
玻璃圓盤要磨掉幾十噸料， 光消耗磨料就近30 噸， 最後成型的鏡體尚重14. 5 噸。
1948 年， 望遠鏡建成， 並命名為海耳望遠鏡， 不過，海耳已先此十年就去世了。70 年代， 前蘇聯在高加索的帕斯多克霍夫山建成直徑6米的望遠鏡。據說， 澆鑄鏡體的冷卻時間就花了兩年時間。望遠鏡的鏡體長25 米， 重77 噸， 由於設計合理、工藝高超， 運轉起來仍十分靈便。
望遠鏡能造得更大嗎？ 如果仍利用常規的製鏡加工工藝已很困難了。例如， 由於望遠鏡自重過大， 將物鏡簡單地按比例放大的設想已難以做到， 因為過重的身驅會把“骨骼”壓斷了。還有一個最大的矛盾是： 這個巨型的凹麵鏡鏡片厚一些， 抗變形的性能好， 但散熱性能差； 鏡片薄一些， 抗溫度波動性能好， 但鏡麵彎曲變形加劇。
如何克服這個矛盾？ 設計人員提出了一些解決辦法。美國加利福尼亞州大學伯克利分院的天文學家耐爾遜找到一種化整為零的辦法。他把整塊巨型物鏡分解為36 麵分鏡， 磨製好後再仔細地拚合在一起。這樣的鏡體既薄又結實。分鏡的匹配用一個複雜的計算機網絡調控之。耐爾遜主持的“凱克Ⅱ號”超級望遠鏡建成於1991 年。這是當今反射望遠鏡之最， 它座落在夏威夷冒納凱山頂。
座落在美國亞利桑那州的霍普金斯山頂的“哥倫布”超級反射望遠鏡是雙筒望遠鏡。它由兩麵直徑為8 米的物鏡組成， 其集光能力相當於直徑達11. 3 米的單鏡望遠鏡。
正在建設中的歐洲天文台智利安第斯山脈巴拉那山頂上的“VIT ”號超級望遠鏡是由4 麵直徑8 米的薄型物鏡組成。
建在地麵上的望遠鏡受到許多限製， 如溫度、氣流等， 特別是厚厚的大氣層吸收了大量的光線。當人類進入太空後， 科學家設想在太空建立天文台， 太空的望遠鏡會發揮更大的作用。
科學家的設想在1990 年實現了。4 月24 日， 美國“發現號”航天飛機將自重11 噸， 長13 米的“哈勃”( 這是美國著名的天文學家) 太空望遠鏡送入距地球600 多公裏的軌道上。它耗費了20 億美元的資金。遺憾的是， 它的反射鏡的缺陷使“哈勃”望遠鏡成了近視。美國人說， 這是最大和最貴的“近視眼”。1993 年12 月， 美國宇航員花了12 天的時間對它進行了修理， 以提高它的視力。
20 世紀90 年代建成的這些望遠鏡大大擴展了人們的視野， 並將人們的眼光探到宇宙深處那壯麗的圖景， 為人類在探索宇宙之謎的過程中不斷提供更多的和更有價值的信息。
