及时章巨镜时代

及时节地面望远镜的"变形记"

一、伽利略的视觉奇遇

说起来，在望远镜出现以前，我们头顶上的星空是非常简单的，只有太阳、月亮、几千颗肉眼可见的恒星和五颗行星，即水星、金星、火星、木星和土星，除此之外，就是偶尔出现在天空中的彗星。当然，人们还会看到"天河"，那是银河系的一部分；如果运气好，还会看到一颗陌生的"新星"，那是一颗恒星发生了爆炸。

大约400年前的一个晚上，一位46岁的中年人将自己的眼睛凑近一根管状物，这是一根空管子，两端各嵌有一块透镜。谁也没有料到的是，就在他把这根管子指向天空时，星空发生了改变，因为从此以后，在人类的视野中，星空就再也不是原来的那个模样了。图1.1伽利略像

这位中年人名叫伽利略(图1.1)，是一名意大利天文学家，当时正在威尼斯附近的帕多瓦大学持教。他听说荷兰人发明了一种新奇的名为"窥视镜"的东西，主要部分是两块眼镜片，当把这两块镜片一远一近地固定在眼前时，远处的景物就会拉近，变大。这个消息让伽利略非常兴奋，于是自己也"如法炮制"起来，他找来一根管子和两块透镜，将管子的一端嵌上凹透镜，作为供眼睛窥视的目镜，另一端嵌上凸透镜，作为指向目标的物镜。就这样，一番调试后，人类历史上及时架天文望远镜就诞生了(图1.2)。图1.2伽利略向别人介绍如何使用望远镜

现在想来，当伽利略带着这架简陋的望远镜走上塔楼时，他一定非常兴奋，好奇心强烈地冲击着他，布满星辰的夜空深深吸引着他。接下来发生的事对当时的人来说无异于一次令人惊讶万分的"视觉奇遇"：伽利略看到木星有4颗卫星，看到月亮上有不少陨石坑，还明白了月亮和行星发出的光是太阳的反射光(图1.3)。图1.3伽利略用望远镜观测木星的原始记录

在一个雾气朦胧的黄昏，伽利略开始用他的望远镜观察太阳。透过蒙蒙的雾霭，伽利略发现了太阳黑子(用望远镜直接观察太阳是危险的，会伤害眼睛。正确的方法是采用"投影法"：将物镜一端对准太阳，让阳光透过望远镜从目镜一端投射到一个白色表面上。调节焦距，可清晰地显示太阳黑子。伽利略虽然用望远镜直接观测了太阳，但他选择黄昏时段，又有雾霭，所以问题不大。后来伽利略也使用投影法观测太阳了)。连续观测了一段时间后，伽利略认定，那些黑子是太阳表面的一部分，于是就此推测了太阳的自转，认识到太阳在以大约每25天一周的速度自转着。

伽利略在观测土星时，也发生了奇怪的事，他看到土星呈现出一种古怪的形状，好像长了两只"耳朵"。伽利略怀疑那耳朵是土星的两颗卫星。

今天我们知道，那两颗"卫星"就是土星的光环。由于伽利略的望远镜倍率太小，光环的形状看上去有点古怪，所以像两只耳朵。后来，人们用更精密的望远镜观察土星，才真正发现了土星环，不过那已经是半个多世纪以后的事了。

二、从"越来越长"到"越来越胖"

就这样，伽利略启动了一次崭新的"视觉革命"，天文望远镜也从此走上了一条极不平凡的发展之旅，形形色色的望远镜层出不穷，它让人类的视觉体验了从未有过的刺激。但总的来说，望远镜的作用就是通过光学原理将远处的物像"放大"和"加亮"，从而有了"望远"和"看清"的效果。在后来的几百年里，不论望远镜发展得多么复杂，除了个别特殊的望远镜外，它们最基本的原理和作用都并没有太大的改变。

伽利略发明了天文望远镜后，折射望远镜统治了半个多世纪的天文观测，人们在这段时间里不断通过延长望远镜的焦距来消除影响观测效果的物像变形，望远镜因此也被做得越来越长。例如，荷兰科学家惠更斯就把他的望远镜做到了将近40米长，望远镜的物镜吊在一根高高的桅杆上，目镜则用一根绳子与物镜相连，这种望远镜操作起来很不方便。但长焦距也确实管用，前面说到，伽利略曾把土星的光环当成了卫星，而土星环的真正发现是在半个多世纪后。这发现了土星环的人就是惠更斯，而他用以观测土星的就是这架怪模怪样的望远镜。

然而惠更斯的望远镜也并不是最长的，还有人制造了更长的望远镜。从理论上说，望远镜可以长得不可思议，而这种只存在于构想中的望远镜甚至可以看清月面上极小的细节。大约也就是在这个时候，反射望远镜出现了，这时人们意识到，物镜的口径越大，收集到的光线就越多，分辨率也越高，于是，望远镜开始变得越来越"胖"，而不是越来越长了。这种"胖"望远镜的制作竞赛也"催生"了不少牛人，其中英国天文学家威廉 赫歇尔和爱尔兰天文学家罗斯伯爵就是赫赫有名的人物。

赫歇尔一生制作了几百架望远镜，磨制的镜片不计其数。由于专注于磨镜，他有时腾不出手吃饭，他的妹妹就喂他吃饭。1789年，赫歇尔制作了一架口径为1.22米的大望远镜(图1.4)，他用这架望远镜发现了土卫一和土卫二。

和赫歇尔一样，罗斯伯爵也对大望远镜情有独钟，他出身于门第显赫的贵族，较大的心愿是制造一架当时较大的望远镜观测星空。他磨制了一块金属反射镜面，这个镜面是分块磨制然后焊接在一起的，重达3.6吨，口径1.84米，人们费了好大的劲才把它装进了一个17米长的镜筒中。图1.4赫歇尔制作的口径为1.22米的大望远镜罗斯伯爵的这架望远镜非常庞大，大家因此用《圣经》中的大海怪"列维亚森"称呼它(图1.5)。"列维亚森"图1.5罗斯伯爵的

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