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坐观星河:天文望远镜发展简史

(2008年06月11日 19:12:29)
来源:中国国家天文

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  自从伽利略发明天文望远镜以来,光学望远镜经历了一次又一次的变革。从小口径望远镜到大口径望远镜,从折射望远镜到反射望远镜,威力不断增加。从用来观察遥远物体到探索浩瀚太空,天文学也随之取得了长足进步……

坐观星河:天文望远镜发展简史(组图)
光学望远镜的历程

   望远镜的童年

   偶然的发现

  人类从很早的时候起,就注意到了光的折射现象。一根直棍斜着浸入水中,它仿佛就在空气和水的界面处弯折了。把它取出水面,看到的还是一根直棍。弯折的并不是棍,而是光。

  光在空气中传播,如果射到一块表面弯曲的玻璃上,那么垂直于曲面入射的光线将会进入玻璃继续沿直线传播,而不发生折射。但是,如果玻璃表面是凸的,它向着光源鼓起,那么射在偏离曲面中心某处的光线,将会倾斜地进入玻璃,并朝中心方向弯折。光的入射点离曲面的中心越远,就折射得越厉害。结果,射到曲面玻璃上的光就会聚到了某个“焦点”或焦点附近。

  人们肯定早就知道放大现象。例如,树叶上的露珠可以放大树叶的叶脉图案。如果太阳光穿过一个注满水的球形玻璃容器,那么原本布及整个球面的光线就会聚集到焦点上,使位于焦点处的物体变热,甚至燃烧发出火焰。相传古希腊科学家阿基米德就曾用这种“燃烧玻璃”烧毁了围攻其故乡西西里岛叙拉古的罗马舰队。虽然这在事实上几乎不可能,但因古罗马哲学家塞涅卡记述了此事,它便成了著名的历史传说。

  13世纪的英国学者罗杰.培根已经利用放大镜来帮助自己阅读,并建议人们戴上透镜以改善视力。在意大利,公元1300年前后就开始用凸透镜制作眼镜了,这对老年人很有用,故俗称“老花镜”。反之,凹透镜则有助于纠正近视。公元1450年前后,近视眼镜开始付诸实用。眼睛的种类很多,总的说来,如果透镜的中央部分比边缘薄,那么它将有助于纠正近视;如果中央比边缘厚,则有助于纠正远视。

  在16世纪,荷兰人很善于制造透镜。相传就在一家荷兰眼镜店铺里,偶然有了一项新发现。

  地处阿姆斯特丹西南约130千米的米德尔堡市,有一位名叫汉斯?利帕席(Hans Lippershey)的眼睛制造商。1608年的某一天,学徒趁他不在,闲暇之余通过那些透镜窥视四周自娱自乐。最后,这个徒弟拿了两块透镜,一近一远地放在眼前,结果惊讶地看到远处教堂上的风标仿佛变得又近又大了。

  利帕席立刻明白了这项发现的重要性,并且认识到应该将透镜安装到一根金属管子里。他将这种装置称为“窥器”(looker)。后来,人们还曾称它为“光管”(optic tube)或“光镜”(optic glass)。直到1667年,英国诗人约翰?弥尔顿还在他的名著《失乐园》中,把这种仪器称为“光镜”。另外,也有人建议将其称做“透视镜 ”(perspective glass)。

  不过,早在1612年,希腊数学家爱奥亚尼斯?狄米西亚尼就建议使用“望远镜”这个名称了。英语中,望远镜称为telescope,它源自希腊语中的tele(意为“遥远”)和skopein(意为“注视”),也就是说,它使人们能够注视遥远的物体。1650年前后,这一名称站住了脚。

  利帕席将望远镜奉献给荷兰政府,用作战争装备。那时,荷兰为了赢得独立,已经与西班牙苦战了40年。荷兰主要靠海军抵抗西班牙的优势兵力,从而得以生存。望远镜使荷兰舰队早在敌人看见他们之前,就先发现敌人的船只,从而使已方处于优势地位。

坐观星河:天文望远镜发展简史(组图)
将望远镜指向天空

   将望远镜指向天空

  将望远镜用于探索宇宙的奥秘,要归功于意大利科学家伽利略。1609年5月,45岁的伽利略访问威尼斯,在那里听说有个荷兰人把两块透镜放进一根管子,从而发明了望远镜。按照他本人的说法,他思考后在一天之内就发明了自己的望远镜。他把一块凸透镜和一块凹透镜装进一根直径4.2厘米的铅管两端,使用时凹透镜在靠近眼睛的一端——它是“目镜”,凸透镜则靠近被观测物体的一端——它是“物镜”。

  伽利略的那些望远镜,是人类历史上的首批天文望远镜,其性能也许还比不上现代的高品质观剧镜。然而,当伽利略将它们指向天空时,人类对宇宙和自身的看法就开始发生彻底的改变了。

  伽利略把望远镜指向月球,看见月球上坑坑洼洼,表面布满了环形山。就在地球近旁,便有一个与之相仿的世界,这无疑降低了地球在宇宙中的特殊地位。他又看见太阳上不时出现的黑斑——太阳黑子,日复一日地从太阳东边缘移向西边缘。这就明白地告诉人们,巨大的太阳在不停地自转着,那么,远比太阳小得多的地球也在自转还有什么可大惊小怪的呢?伽利略从望远镜里看到,银河原来是由密密麻麻的大片恒星聚集在一起形成的,而且他还看见了前人从未见过的大量比 6等星更暗的星星,这就雄辩地说明了古希腊天文学家并不通晓有关宇宙的全部知识,所以不应盲目接受古希腊人的地心宇宙体系。看来,宇宙远比任何前人可能想到的更加浩瀚和复杂。

  接着,伽利略又把他的望远镜指向行星。1610年1月,他从望远镜中看到木星附近有4个光点,夜复一夜,它们的位置在木星两侧来回移动,但总是大致处在一条直线上,并且始终离木星不远。伽利略断定,这些小亮点都在稳定地环绕木星转动,犹如月球绕着地球转动一般。不久,开普勒听到这一消息,就把这些新天体称为“卫星”,英语中称为satellite,此词源于拉丁语,原指那些趋炎附势以求宠幸之徒。也许,开普勒觉得它们老是围在大神朱匹特——木星身旁,活像一些攀附权贵的小人。如今,这4个天体依然统称为“伽利略卫星”。

  伽利略卫星是人类在太阳系中发现的第一批新天体。古希腊人关于一切天体都环绕地球转动的想法显然是错了,这4个前所未知的天体不是正在绕着木星打转吗?

  保守分子们硬说这是透镜的瑕疵造成的假象。但是,不久就有一位名叫西蒙?马里乌斯的德国天文学家宣布,他也通过望远镜看见了这些卫星。马里乌斯沿袭用神话人物命名天体的古老传统,按离木星由近到远的次序,依次将这4颗卫星命名为伊俄(Io)、欧罗巴(Europa)、加尼米德 (Ganymede)和卡利斯托(Callisto)。他们都是希腊神话中的人物,深受大神宙斯宠爱。如今在汉语中,它们依次称为木卫一、木卫二、木卫三和木卫四。

坐观星河:天文望远镜发展简史(组图)
守不住的秘密

   守不住的秘密

  1666年,牛顿用三棱镜分解了太阳光,这使他认识到白光乃由不同颜色的光混合而成。白光经过三棱镜,就会像彩虹那样呈现为一种“红—橙—黄—绿—蓝—靛—紫”的色序。这称为“光谱”,英语为spectrum,它源自一个拉丁词,原意是“幻象”或“幽灵”。

  伽利略的望远镜以光线的折射为基础,称为“折射望远镜”。利用光线的反射现象制成的,则称为“反射望远镜”。人们发现,通过折射望远镜观测天体时,星像周围会出现一种彩色的环,它使观测目标变得模糊了。这种现象叫做色差,伽利略不明白它的起因,当时也无法消除它。

  玻璃对不同颜色的光具有不同的折射能力,这叫做色散。红光的折射最少,所以它通过凸透镜后,聚焦在离透镜较远的地方;橙、黄、绿、蓝、靛、紫光则依次聚焦在离透镜越来越近的地方。如果望远镜做得使红光的聚焦最好,那么在红光的焦点处,其他颜色的光已经越过了各自的焦点,物像周围就出现一道稍带蓝色的环边;如果望远镜对紫光聚焦良好,那么在到达紫光的焦点时,其余颜色的光尚未到达各自的焦点,于是物像四周形成一个稍带橙色的环。无论你怎样调焦,都不能完全甩掉这种色环。

  然而,色差并非不可战胜。设想用两种不同类型的玻璃来制造透镜:先用一块凸透镜使光线会聚,再用一块凹透镜使光线微微发散。光通过这两块透镜后聚集到焦点。当然,由于凹透镜的作用,这时的光线将不如仅仅通过头一块凸透镜时会聚得那么厉害。

  现在假定,用以制造凹透镜的这种玻璃的色散本领比制造凸透镜的那种玻璃大,也就是它能使红光与紫光分得更开。于是,这块凹透镜发散光线的能力虽然不足以抵消光线穿过凸透镜后的会聚,但是由于其色散大,却可以抵消凸透镜造成的各种颜色的分离。换言之,用两种不同玻璃制成的复合透镜有可能消除色差。

  首先想到这点的是18世纪的英国律师兼数学家切斯特.穆尔.霍尔。他发现火石玻璃的色散显著地超过冕牌玻璃,便用冕牌玻璃做凸透镜,用火石玻璃做凹透镜,并且将两块透镜设计得正好能够拼在一起。这种复合透镜就像一个凸透镜那样,能够使光线聚焦,同时它又在很大程度上消除了色差。

  霍尔担心别人捷足先登。为了保守秘密,1733年他作出了这样的精心安排:让一家光学厂商磨制他的凸透镜,同时让另外一家厂商磨制他的凹透镜。他以为这样一来别人就不会知道他的意图了。

  不料,这两家厂商都很忙。他们不谋而合地将霍尔的任务转包给了第三方——乔治.巴斯。巴斯注意到这两块透镜的主人都是霍尔,而且它们恰能紧紧地密合在一起。很自然地,两块透镜磨好后,巴斯就将它们拼合起来仔细观看一番。他惊奇地发现:彩环消失了!

  霍尔的秘密传开了。光学仪器商约翰.多朗德闻讯后,对此作了透彻的研究,并且奠定了消色差透镜的理论基础。1757年,他用冕牌玻璃和火石玻璃造出了自己的消色差透镜。他干得很出色,并且获得了制造消色差透镜的专利。不过,在他的报告里全未提及20年前霍尔已经做过几乎相同的工作。1758年,多朗德向皇家学会宣布了他的成果,3年后被选为皇家学会会员,并被任命为英王乔治三世的眼镜制造师。

  1761年,约翰.多朗德在伦敦去世。4年以后,他的儿子彼得.多朗德又发明了一种性能更好的消色差透镜。它由3块透镜组合而成:一块凹透镜夹在两块凸透镜之间。首先用消色差透镜制造折射望远镜的也是这父子俩,另外还有老多朗德的女婿杰西.拉姆斯登。

  人们通常将消色差的功劳归于约翰.多朗德。也有人认为这似乎委屈了切斯特.穆尔.霍尔。不过,平心而论,多朗德的实际贡献要比霍尔大得多。毕竟,使一项新发明尽早尽善地付诸实用,难道不比无谓的“保密”强得多吗?



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