發(fā)明望遠(yuǎn)鏡需要多少偉人的心智？

托尼·克里斯蒂

1672年1月11日，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的研究員大飽眼福，觀看了艾薩克·牛頓的反射式望遠(yuǎn)鏡演示，看到了通過鏡面形成的圖像。此后，他們將這種奇妙的新式望遠(yuǎn)鏡譽(yù)為牛頓的發(fā)明，直至如今，人們依然將其歸功于牛頓。然而，在這個(gè)線性的歷史記錄背后卻隱藏著一個(gè)更有趣且更為復(fù)雜的故事。牛頓的這個(gè)功勞受到了來(lái)自詹姆斯·格雷戈里和洛朗·卡塞格倫支持者的挑戰(zhàn)。更為糟糕的是，已知的最早利用曲面鏡聚光的概念比牛頓早1500多年，切實(shí)可用的反射望遠(yuǎn)鏡的最終出現(xiàn)是在牛頓的望遠(yuǎn)鏡面世半個(gè)多世紀(jì)之后。

呈現(xiàn)反射望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)原理可以追溯到公元1世紀(jì)的數(shù)學(xué)家、工程師及發(fā)明家——亞歷山大港的希羅。他證明，一個(gè)拋物形拋物面鏡會(huì)將平行的入射光聚焦，形成一幅圖像。沒有證據(jù)表明希羅實(shí)際上建造了這樣的反射光器件。但是，今天我們常常在建筑物頂看到希羅概念的產(chǎn)品，即圓盤式衛(wèi)星電視天線，是它將無(wú)線電波傳輸?shù)揭粋€(gè)密集的焦點(diǎn)形成信號(hào)。

在中世紀(jì)伊斯蘭光學(xué)學(xué)者的著作中，有關(guān)于拋物面鏡聚焦性質(zhì)的知識(shí)，最著名的要數(shù)公元10世紀(jì)波斯學(xué)者阿布·薩德·阿拉·伊本·薩爾的論文《燃燒的鏡子和鏡片》。不幸的是，伊本·薩爾的研究成果在當(dāng)時(shí)沒有產(chǎn)生多少影響，一直到20世紀(jì)才被人們重新發(fā)現(xiàn)。希羅是意大利文藝復(fù)興時(shí)期藝術(shù)工程師最喜歡的一位作者，所以有關(guān)望遠(yuǎn)鏡原理的內(nèi)容出現(xiàn)在了達(dá)·芬奇未發(fā)表的手稿中。但是達(dá)·芬奇并沒有嘗試建造這樣的望遠(yuǎn)鏡。

意大利耶穌會(huì)天文學(xué)家尼可洛·祖奇在《光學(xué)》（1652年） 一書中告訴我們，1616年，他用拋物面銅鏡制造了一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，鏡面聚焦點(diǎn)形成的圖像需要放大才能看見，而且圖像會(huì)被扭曲，無(wú)法識(shí)別。他發(fā)現(xiàn)反射式望遠(yuǎn)鏡有一個(gè)大問題：金屬望遠(yuǎn)鏡拋物面的磨光和拋光是一件棘手的事情，因?yàn)殓R面的任何誤差都會(huì)使折射光扭曲的程度比鏡片中類似的誤差大6倍。（鏡片中的光線彎曲會(huì)降低缺陷的影響，而鏡子則會(huì)放大。）

祖奇的望遠(yuǎn)鏡只有一面鏡子，不是充分反射的望遠(yuǎn)鏡。真正的反射鏡至少有兩個(gè)鏡子：形成圖像的主鏡和將鏡像投影到望遠(yuǎn)鏡體之外的副鏡。法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家馬林·梅森在他《宇宙和諧》（1636年）一書中首次設(shè)計(jì)了雙鏡反射望遠(yuǎn)鏡，但他從未嘗試將他的設(shè)計(jì)付諸實(shí)施。也許他意識(shí)到了構(gòu)建拋物面鏡有著無(wú)法克服的難題。

1668年前后，艾薩克·牛頓設(shè)法使用由他自己設(shè)計(jì)的銅錫砷合金制成的鏡子制作出了功能正常的反射望遠(yuǎn)鏡。他稍微有點(diǎn)兒作弊：搞了一個(gè)不能產(chǎn)生完全準(zhǔn)確圖像的球面鏡，但比拋物面鏡容易研磨和拋光。不要低估牛頓這個(gè)人當(dāng)工匠的能力，用他的望遠(yuǎn)鏡足以看到木星的4個(gè)大衛(wèi)星。這與當(dāng)時(shí)許多折射望遠(yuǎn)鏡一樣強(qiáng)大，而且更加緊湊。

在牛頓公開他的儀器的前幾年，蘇格蘭數(shù)學(xué)家兼物理學(xué)家詹姆斯·格雷戈里在他的《光學(xué)進(jìn)程》（1663年）一書中設(shè)計(jì)了一個(gè)略微不同的反射望遠(yuǎn)鏡，使用拋物面主鏡和橢圓形副鏡。跟梅森不同的是，他試圖建立自己的裝置。盡管格雷戈里聘請(qǐng)了倫敦最好的鏡頭制造商理查德·里夫來(lái)制作鏡子，但也未能達(dá)到必要的質(zhì)量以得到可用的圖像。

牛頓的對(duì)手羅伯特·胡克據(jù)說于1674年成功地生產(chǎn)了一個(gè)管用的格里高利反射鏡，但是一次性的，沒有能夠繼續(xù)下去。在此兩年前，胡克傳達(dá)了格雷戈里對(duì)牛頓聲稱自己發(fā)明了反射望遠(yuǎn)鏡這個(gè)說法的意見。同樣是在1672年，讓-巴蒂斯特·丹尼斯醫(yī)生在法國(guó)一家雜志上發(fā)表了一封信，聲稱他的同胞洛朗·卡塞格倫在此之前已經(jīng)設(shè)計(jì)了反射望遠(yuǎn)鏡。有關(guān)卡塞格倫我們知之甚少，他的設(shè)計(jì)使用拋物面主鏡和雙曲副鏡，研磨起來(lái)非常復(fù)雜。

格里高利和卡塞格倫的設(shè)計(jì)并沒有立即變成可用的工具。牛頓的也沒有。盡管反射望遠(yuǎn)鏡與折射望遠(yuǎn)鏡相比有很多優(yōu)點(diǎn)，但是他的球面鏡不能有效地放大，這一點(diǎn)成為科學(xué)上的難點(diǎn)。

早期的折射望遠(yuǎn)鏡存在兩個(gè)重大的光學(xué)問題，即球面像差和色差。首先，一個(gè)簡(jiǎn)單的鏡頭，其拋物面是一個(gè)球體的一部分（這在17世紀(jì)是唯一可能的技術(shù)），不會(huì)將光聚焦在一個(gè)點(diǎn)上，所以它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)本來(lái)就失真的圖像。通過使用長(zhǎng)焦距的鏡片可以減少這種球面像差，但該解決方案導(dǎo)致了更長(zhǎng)、更為笨重的望遠(yuǎn)鏡。第二個(gè)問題，即色差，是牛頓開發(fā)反射望遠(yuǎn)鏡的原動(dòng)力。光的每一種色在通過透鏡時(shí)有一個(gè)稍微不同的彎曲角度。彩虹中的這種效果很美麗。在折射望遠(yuǎn)鏡中，紅光圖像與藍(lán)色等圖像會(huì)有一小段距離，導(dǎo)致模糊的彩色條紋。

沒有鏡頭的反射望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生的圖像比簡(jiǎn)單的折射望遠(yuǎn)鏡更清晰干凈。然而，直到1721年，英格蘭發(fā)明家約翰·哈德利才成功地建造了一臺(tái)大型的牛頓反射望遠(yuǎn)鏡（不是牛頓的球面鏡設(shè)計(jì)），這距離牛頓建造第一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡晚了半個(gè)多世紀(jì)?；始覍W(xué)會(huì)的會(huì)員們對(duì)克里斯蒂安·惠更斯36.6米長(zhǎng)的折射望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了測(cè)試，宣稱它具有優(yōu)越性。哈德利也繼續(xù)生產(chǎn)一臺(tái)運(yùn)作良好的格里高利望遠(yuǎn)鏡。更重要的是，他能夠向當(dāng)時(shí)的領(lǐng)先儀器制造商教授一種可重復(fù)的方法，將金屬鏡子研磨拋光，從而可以連續(xù)生產(chǎn)高質(zhì)量的望遠(yuǎn)鏡。

今天，所有先進(jìn)的天文臺(tái)，包括哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，使用的都是反射光學(xué)原理。我們應(yīng)該將這個(gè)功勞歸功于誰(shuí)呢？歸功于希羅的構(gòu)想，還是祖奇的建造嘗試，還是牛頓成功的原型，或者是哈德利可行的反射望遠(yuǎn)鏡？所有這些都是必要的條件，但沒有哪個(gè)是充分條件。

這個(gè)教訓(xùn)意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了本測(cè)試案例。對(duì)于幾乎任何一種設(shè)備，把一個(gè)人看作發(fā)明者是有問題的。產(chǎn)生概念、示范和實(shí)施可能非常不同，連接它們的路徑通常不是一條線，而是漫長(zhǎng)曲折而且具有挑戰(zhàn)性的道路。