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标题: 望远镜400年的成长路 [打印本页]

作者: gb936 时间: 2009-9-24 09:29
标题: 望远镜400年的成长路
1609年，伽利略第一次把他自制的望远镜指向了天空，看到了一个从未谋面的宇宙。尽管他的折射望远镜视野小，光学系统存在畸变，但是它还是第一次把表面不平坦的月亮呈现在伽利略眼前。

哈勃望远镜拍摄到的宇宙里的美丽星云
400年来，望远镜经历了巨大变革，口径从几厘米扩大到10米。

1609年，伽利略第一次把他自制的望远镜指向了天空，看到了一个从未谋面的宇宙。尽管他的折射望远镜视野小，光学系统存在畸变，但是它还是第一次把表面不平坦的月亮呈现在伽利略眼前。

自1609年之后的400年来，许多天文观测者通过他们改进的望远镜打开了一扇又一扇宇宙未知之门。400年的风风雨雨，见证了望远镜从不太完美到几近完美的成长，也记录了无数天文观测者为追求更加完美的望远镜而走过的艰辛历程。

反射望远镜初露头角

  早期的望远镜——折射望远镜——使用玻璃磨制的透镜收集和会聚光线。但是，它存在一个致命的光学缺陷——色差。因为不同颜色的光线通过玻璃时的折射率略有不同，所以，它们无法精确地会聚到同一点上，形成色差，使得像的边缘带上颜色，而像本身也会变得模糊。

  为了解决这个问题，早期的天文学家舍弃了折射望远镜，转向研制反射望远镜。伟大的科学家牛顿曾经认为，人们不可能制造出消除色差的透镜。于是，他于1668年改用镜青铜——一种铜锡合金——磨制反射镜，制造反射望远镜。这架反射望远镜使用一块球面反射镜作为主镜，一块平面反射镜作为副镜，口径约为3.3厘米，能把天体放大约40倍。

  尽管是牛顿制造出了第一架反射望远镜，但他并不是第一个提出设想的人。早在1663年，苏格兰数学家和天文学家格雷戈里就想到使用两块反射镜制造望远镜。他的设想是使用一块凹的抛物面反射镜作为主镜，一块凹的椭球面反射镜作为副镜。很可惜，在17世纪60年代，没有人能够把反射镜磨成除球面以外的其他曲面，因此格雷戈里的设想无法付诸实践。

  1672年，法国一位中学科学课教师卡塞格林提出了一种新的反射望远镜的设计方案，主镜像格雷戈里设想的一样，使用凹的抛物面，副镜则是凸的双曲面。但是，像格雷戈里一样，因为技术上的限制，很多年以后，卡塞格林的设计才摆脱了纸上谈兵的困境。

  牛顿式的早期的反射望远镜虽然消除了色差，但是还存在原先的折射望远镜所具有的另一种光学缺陷——球差。这些望远镜因为使用球面反射镜，所以靠近反射镜中心的光线与靠近反射镜边缘的光线被反射到不同的焦点上。除非能把反射镜磨制成其他曲面，不然球差这个问题将一直困扰着反射望远镜，使得它暂时位居折射望远镜之下
折射望远镜重登舞台

  早期折射望远镜最大的缺陷就是色差，曾经因此而被舍弃。1729年，英国律师兼数学家霍耳提出的解决方案让被舍弃的折射望远镜重登舞台。他尝试使用两种折射率不同的玻璃——火石玻璃和冕牌玻璃消除色差。他把折射率大的火石玻璃做成凹透镜，折射率小的冕牌玻璃做成凸透镜，然后把凹透镜的凹面与凸透镜的凸面拼合在一起，组成一块复合透镜。这块透镜对多种颜色的光线具有相同的焦距，于是，色差在很大程度上被消除了。

  1765年，英国光学仪器专家多郎德又发明了一种性能更好的消色差透镜。这种透镜把一块凹透镜夹在两块凸透镜之间，由3块不同的透镜组合而成。即使做了如此大的改进，折射望远镜还是不够完美，口径超过10厘米的透镜难免会有气泡、条纹等缺陷，使所观测到的天体的形状扭曲。这个问题制约了折射望远镜的发展，直至有个人制造出大口径的没有缺陷的透镜。这个人就是瑞士工匠吉南德。

  经过近20年的试验和失败，吉南德最终于1785年发明了一种新的透镜铸造工艺。他使用多孔黏土制作了一个搅拌棒，代替了原来的木制搅拌棒。当用这种耐火的搅拌棒搅拌熔融的玻璃时，玻璃中的气泡会上升到表面，而且能搅拌更长时间，玻璃混合得更加充分，吉南德磨制的透镜也就几近完美。

  通过与一家德国金融公司合作，吉南德把他制造透镜的“秘术”传授给德国物理学家夫琅和费。夫琅和费制作了多架性能甚佳的望远镜，并于1824年制成了24厘米口径的多尔帕特折射望远镜。

反射望远镜迎头赶上

  由于无法突破磨制非球面反射镜的瓶颈，反射望远镜的发展停滞了长达40年。直到1721年，英国数学家和发明家哈德利通过自学掌握了用镜青铜磨制反射镜的技艺，并和他的两个兄弟成功磨制出抛物面反射镜，了却了格雷戈里的心愿。此后的反射望远镜，即使是牛顿式的，通常都采用抛物面的主镜，从而消除了球差。这使得反射望远镜在光学性能上全面超过了折射望远镜。

  英国天文学家赫歇尔在制造望远镜方面名高望重。1773年，他开始制造一些小口径的望远镜。1778年，他磨制出口径为15厘米的镜青铜反射镜，制造了一架长2.1米的牛顿式望远镜。将它投入观测工作2年半后，赫歇尔发现了天王星。

  1783年，赫歇尔制造了一架46厘米口径、6米长镜筒的望远镜。他最宠爱这架望远镜，后来使用的次数也最多。1789年，他又制造了一架1.2米口径、12米长镜筒的望远镜。因为这两架望远镜体积庞大，他需要借助木架支撑的缆绳升降它们。那架12米长镜筒的望远镜，曾经是世界上最大的望远镜。直到1845年，爱尔兰的罗斯伯爵三世帕森斯打破了纪录，制成了一架1.8米口径的望远镜。

  帕森斯早就想拥有一架更大更好的望远镜，超过赫歇尔，而他能实现心愿的惟一办法就是自己制造。幸运的是，他既有财力，又有物力。于是，他便开始在爱尔兰的比尔城堡辛勤磨制。

  为了完善自己的技艺，帕森斯先制成了一块口径为38厘米的反射镜，接着是60厘米的，最后是90厘米的。他那块口径为90厘米的反射镜超越了赫歇尔的反射镜，呈现出更明亮、更清晰的像。帕森斯没有停滞，他再创佳绩，把反射镜的口径翻了一倍。

  然而，这块口径为1.8米的反射镜花了帕森斯很多心血。在失败了四次之后，第五块反射镜终于成功。它的质量约4吨，帕森斯把它安装在16.8米长的镜筒里，还特意打造了两堵石墙支撑镜筒。1845年，帕森斯和他的助手们建成了这架巨镜。

  由于受到支座的牵制，这架望远镜活动并不自如，只能上下转动，左右转动的幅度很小，这大大限制了它的观测范围。而且天气也不作美，观测的时间非常有限。尽管帕森斯用它观测了一些旋涡星系，但是总的来说，这架巨镜并不实用。不过，它还是暂居了世界上最大望远镜的位置，直至1917年。

  最后一架采用镜青铜反射镜的大型望远镜于1868年制成。此前6年，一个由天文学家和望远镜制造者组成的委员会讨论建造一架望远镜放在南半球。他们决定在澳大利亚的墨尔本建造一架1.2米口径的反射望远镜。当时，镀银玻璃刚刚问世。但是，委员会认为，镀银玻璃的光泽褪得太快，容易受到天气的影响损坏或破裂，他们最终还是选择了镜青铜反射镜。这架墨尔本望远镜工作了10年，后来终因失修，光荣退休。

  从此，金属反射镜的时代结束了。因为镜青铜很容易失去光泽，而镀层玻璃才刚刚起步，大型反射望远镜的发展又停滞了几十年。在此期间，天文观测者又将目光转向折射望远镜。

大型折射望远镜风起云涌

  自从瑞士工匠吉南德消除了口径超过10厘米的透镜的缺陷后，大型折射望远镜风起云涌就已指日可待。19世纪中后叶，美国波士顿的一些市民对天文学的兴趣高涨，集资给哈佛大学天文台，从德国买来一架38厘米口径的折射望远镜。这架望远镜在1847年落成，在其后的20年内一直是美国最大的望远镜。

  在观看了哈佛的望远镜后，美国人克拉克对制造一架更好的望远镜胸有成竹。他原是一位肖像画家，偶尔制造一些反射镜和透镜，但没有受过光学仪器制造或天文学的专门教育。

  1844年，克拉克和他的儿子合伙开了一家公司，开始生产一些小型透镜。到19世纪末，克拉克生产的折射望远镜已几乎遍布美国各大天文台。他先后制造出5架世界上最大的折射望远镜。

  1862年，克拉克制造了一架46厘米口径的折射望远镜。时至今日，这架望远镜还在西北大学的迪尔伯恩天文台辛勤工作着。

  1870年，美国海军天文台出资50000美元，请天文学家纽康去买一架最大最好的望远镜。纽康便与克拉克签订合同，订购了一块消色差的双合透镜，口径为65厘米，质量约50千克。1873年，美国海军天文台的这架望远镜投入使用，在其后的15年间，它独领风骚，成为“世界最大的折射望远镜”。

  1885年，克拉克开始为利克天文台制造90厘米口径的折射望远镜，安装在美国加利福尼亚州的汉密尔顿山顶上。这里海拔1260米，为天文观测者提供了绝佳的观测条件。这架望远镜建成于1888年，仅在其后的9年内，保持世界上最大折射望远镜的地位——从1888年到1897年。现在，它偶尔用于研究工作，更多的时间则供公众参观。

  几年后，南加利福尼亚大学委托克拉克为其制造一块口径为1米的透镜。不料，资金成了泡影，已铸造好的两块镜坯没了买主。时任芝加哥大学天体物理学助理教授的海耳意识到天文台对研究天体的重要性，与校长一起游说芝加哥的铁路巨头叶凯士出资，为他们买下了克拉克的那两块镜坯，用它们磨制成透镜，同时还为望远镜的支座和天文台的其他设备掏了腰包。

  海耳把这架1米口径的叶凯士望远镜安装在威斯康星州日内瓦湖岸边，那里的夜晚晴朗宁静，非常适合天文观测。这架望远镜于1897年建成，镜筒长19.2米、质量约6吨，透镜本身质量约227千克。今天，这架折射望远镜还在辛勤工作，是现在世界上还在工作的最大的折射望远镜。

  短短几十年，大型折射望远镜出尽了风头。不过，它们也遇到了一些新问题，比如透镜既大又厚，很容易因为本身的质量而变形；它们还会吸收很大一部分入射光线。这再度制约了大型折射望远镜的发展。同时，反射镜制作工艺得到改进，反射望远镜又重新流行起来，并在20世纪风靡全球。

大型反射望远镜再现生机

  19世纪末，天体照相技术和天体分光技术兴起，它们需要望远镜具有更强的集光能力。这需要再度增大望远镜的口径。折射望远镜的口径不可能做得更大，这无疑给反射望远镜带来了新的生机。

  这时出现了一种新的技术，即通过在研磨抛光好的玻璃表面镀铝来制造反射镜。铝镀层相比于此前出现的银镀层能更长时间保持光泽，而且不容易损坏脱落。镀铝的玻璃反射镜与更早的镜青铜金属反射镜相比轻很多。反射望远镜大发展的最后一个障碍消除了。

  海耳推动了大型反射望远镜的发展。早在那架1米口径的折射望远镜建成之前，海耳已经计划制造一架1.5米口径的反射望远镜，还为它选择了一个绝佳的观测点——加利福尼亚州的威尔逊山顶。

  海耳请名望颇高的光学仪器制造专家里奇为其制造一块口径为1.5米的反射镜。里奇在他的抛光车间里建造了一个洁净室：他把窗户密封好，保持室内温度恒定，在反射镜上悬挂起一块帆布为其遮灰，并穿戴上外科医生的外衣和帽子。1908年，这架1.5米口径的反射望远镜建成并投入观测。

  几年后，洛杉矶商人胡克与卡内基学院一起出资，制造了一架2.5米口径的反射望远镜，安装在威尔逊山顶上。建成后，整架仪器——包括反射镜、镜筒和支座——质量达100吨，但仍然能以很高的准确度转动。这架胡克望远镜于1917年投入观测，并于1918年开始用于常规的研究工作。在帕森斯巨镜诞生70多年后，胡克望远镜终于超越了它，成为世界上最大的反射望远镜。

  1923年，海耳支撑着有病的身体，在帕洛玛山选取了一个新台址，决定在那里建造一架5米口径的反射望远镜。1929年，海耳从洛克菲勒基金会争取到了一笔资金，便立即开始筹建新望远镜和天文台。这是一项空前浩大的工程，人们为此付出了巨大努力。

  1948年，人们为这架举世瞩目的大望远镜举行落成典礼时，海耳已于10年前——1938年2月21日永远离开了人世。将近1000人参加了这架望远镜的落成典礼。这架5米口径的海耳反射望远镜把“世界最大”的头衔一直保持到1975年。当时，苏联建成了一架6米口径的反射望远镜。但是，海耳望远镜的光学性能仍然保持着领先地位。

20世纪90年代，天文学家建造了多架巨型反射望远镜，口径达8米左右。20世纪末，天文学家把分块的反射镜拼接在一起，建成了更大的巨型反射望远镜，口径达10米。为了克服大气的影响，他们还把望远镜发射到太空中，使其围绕地球转动，哈勃太空望远镜就是最好的例子。这架太空望远镜于1990年发射升空，尽管口径只有2.4米，但因为“站得高”，所以，它所取得的成就，与地面上8米到10米口径的望远镜不相上下。

  进入21世纪以来，人们依旧孜孜不倦地致力于建造更大口径的望远镜，计划建造100米口径的望远镜。同时，新的更大更先进的太空望远镜也正在建造之中，将在几年后升空。一个更加辉煌的巨型望远镜时代正悄然来临。

  400年前，当伽利略把他自制的望远镜指向天空的那一刻，人们就开始为探索宇宙而努力。400年来，人们为探索宇宙不断地完善望远镜，从消除色差、消除球差，到口径越来越大、图像越来越清晰。今天，人们探索宇宙的渴望没有消减，它将继续引领人们前进，永不停止。
(本文来源：科学画报作者：王家骥)
图片经编辑

更多内容参考
http://news.163.com/special/00013A7D/telescope400.html

作者: hotpotato 时间: 2009-9-28 13:45
讲的还挺多哦。。。。。。。。。。。。。。。

作者: redtree158 时间: 2009-9-29 08:18
看起来挺不错的,挺可以的.谢谢楼主总结.

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