遙望宇宙深處的“眼睛”

胡平 湯樂(lè)明

時(shí)間如何開始？宇宙如何起源？生命從何而來(lái)，又向何處去？人類是否是宇宙中唯一的智慧生命？外星人存在嗎？如果存在他們又在哪兒呢？占宇宙質(zhì)量絕大部分的暗物質(zhì)和暗能量，它們的本質(zhì)是什么？古往今來(lái)，人們孜孜不倦地思考著這些問(wèn)題。這些問(wèn)題的研究和突破依賴于已歷經(jīng)400年發(fā)展進(jìn)步、不斷壯大的天文望遠(yuǎn)鏡。

望遠(yuǎn)鏡的誕生：為科學(xué)獻(xiàn)身的伽利略

古人的智慧是偉大的，早在東漢時(shí)期，天文學(xué)家張衡就發(fā)明了世界上最早的天文望遠(yuǎn)鏡——渾天儀;元代天文學(xué)家郭守敬1276年創(chuàng)制的簡(jiǎn)儀，是最早的赤道經(jīng)緯儀。現(xiàn)代光學(xué)天文觀測(cè)從何而起呢？

1608年，荷蘭眼鏡商漢斯·李普希偶然發(fā)現(xiàn)凹透鏡和凸透鏡組合可以看清遠(yuǎn)處的景物，由此制成第一架望遠(yuǎn)鏡。當(dāng)時(shí)的望遠(yuǎn)鏡并沒(méi)有用于天文觀測(cè)，而是作為艦隊(duì)軍事裝備。

1609年，意大利科學(xué)家伽利略研制出第一臺(tái)應(yīng)用于天文觀測(cè)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡具有增強(qiáng)聚光能力和放大視角的作用。最初他制作的簡(jiǎn)易望遠(yuǎn)鏡只能放大3倍，經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的改進(jìn)，伽利略制成了可放大32倍的望遠(yuǎn)鏡。伽利略用這個(gè)劃時(shí)代的天文儀器觀測(cè)到一些令人驚奇的現(xiàn)象：奪目的太陽(yáng)上竟然有黑子;月亮上有的地方平原千里，有的地方卻高山聳峙;木星有四個(gè)小衛(wèi)星圍繞其旋轉(zhuǎn)，而且它們的位置是經(jīng)常變化的，就像月亮圍繞地球旋轉(zhuǎn)一樣。后來(lái)，伽利略還發(fā)現(xiàn)了金星的位相變化，從而證明金星是繞太陽(yáng)運(yùn)行的，銀河系是由許多恒星組成的。于是，伽利略堅(jiān)定了對(duì)地動(dòng)說(shuō)的信念。這一系列發(fā)現(xiàn)轟動(dòng)了歐洲。由于他堅(jiān)持捍衛(wèi)哥白尼的日心說(shuō)，1633年，教廷把年邁的伽利略召到羅馬進(jìn)行審判。他被判有罪入獄，直到300多年后才獲平反。

1611年，德國(guó)科學(xué)家開普勒發(fā)明了物鏡和目鏡均采用凸透鏡的另一種折射式望遠(yuǎn)鏡。這種望遠(yuǎn)鏡的目鏡在物鏡焦點(diǎn)之后，可以放置十字絲。由于不同的光在介質(zhì)中有著不同的折射率，折射望遠(yuǎn)鏡不可避免地存在色差。17世紀(jì)，解決色差的辦法是把焦距加長(zhǎng)：當(dāng)焦距足夠長(zhǎng)時(shí)，色差就變得可以忽略了。然而，焦距決定了鏡筒的長(zhǎng)度，使得當(dāng)時(shí)最長(zhǎng)的望遠(yuǎn)鏡有45米。這便是早期的透射式光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。

望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展：大口徑反射式望遠(yuǎn)鏡時(shí)代

既然透射式望遠(yuǎn)鏡有許多不足之處，那么有沒(méi)有更好的光學(xué)結(jié)構(gòu)呢？1663年，英國(guó)數(shù)學(xué)家詹姆斯·格里高利設(shè)計(jì)了格里高利望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，可消除球差（球差是球面反射鏡作為主鏡時(shí)，它對(duì)光線的成像作用與標(biāo)準(zhǔn)拋物面反射鏡相比的差距造成的單色像差），沒(méi)有色差（色差是用白光進(jìn)行成像時(shí)，通過(guò)透鏡的不同色光有不同折射率，呈現(xiàn)出因不同色光的光路差別而引起的像差）。主鏡為拋物面，次鏡為橢球面，位于主焦點(diǎn)之后，可設(shè)置視場(chǎng)光闌。但受加工和檢測(cè)水平的限制，該望遠(yuǎn)鏡當(dāng)時(shí)并未被成功研制出來(lái)。

1668年，牛頓設(shè)計(jì)并制作了第一臺(tái)反射式望遠(yuǎn)鏡，球面主鏡口徑為2.5厘米，鏡筒長(zhǎng)15厘米，采用45°反射鏡將焦點(diǎn)移出鏡筒以便于觀測(cè)。特點(diǎn)為視場(chǎng)小，軸外彗差（一種類似彗星形狀的變形）大，體積大。1672年，法國(guó)科學(xué)家卡塞格林提出卡塞格林望遠(yuǎn)鏡方案，與格里高利方案類似，但鏡筒更短?？ㄈ窳滞h(yuǎn)鏡是現(xiàn)代天文觀測(cè)的基石，后來(lái)也出現(xiàn)了多種不同用途的變種。采用凹拋物面主鏡和凸雙曲面次鏡，主鏡中心穿孔以讓光線通過(guò)而到達(dá)目鏡、照相機(jī)或感光器材。特點(diǎn)為成像視場(chǎng)較大、球差校正較好、放大倍率大。

近代以來(lái)，大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展才真正意義上將反射式望遠(yuǎn)鏡和透射式望遠(yuǎn)鏡徹底分開，并占據(jù)統(tǒng)治地位。天文學(xué)是一門觀測(cè)科學(xué)，科學(xué)需求隨著觀測(cè)水平和技術(shù)的發(fā)展不斷提高，大口徑是獲取更高集光能力、更高空間分辨率、更高時(shí)間分辨率和光譜分辨率的永恒追求。反射式大口徑望遠(yuǎn)鏡同透射式大口徑望遠(yuǎn)鏡相比，具有無(wú)色差、對(duì)材料均勻性要求低、重量較輕、尺寸相對(duì)較小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易運(yùn)行和維護(hù)等優(yōu)勢(shì)。

1917年建立的胡克望遠(yuǎn)鏡第一次揭示了銀河系的真實(shí)大小。20世紀(jì)70年代，4—6米級(jí)反射式望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)了井噴式發(fā)展。目前世界上最大的反射式光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是位于夏威夷島上的凱克望遠(yuǎn)鏡，口徑達(dá)10米。而正在研制的GMT望遠(yuǎn)鏡和TMT望遠(yuǎn)鏡口徑分別達(dá)到了22米和30米。

當(dāng)然，在望遠(yuǎn)鏡的大家族里，并不只有光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，還有射電望遠(yuǎn)鏡。射電望遠(yuǎn)鏡的原理與反射式光學(xué)望遠(yuǎn)鏡相似，入射的電磁波被反射鏡面反射后，同相到達(dá)公共焦點(diǎn)。用旋轉(zhuǎn)拋物面作為鏡面易于實(shí)現(xiàn)同相聚焦，因此，我們看到的射電望遠(yuǎn)鏡鏡面往往是拋物面。由焦點(diǎn)處的定向天線收集來(lái)自宇宙的射電輻射，接收機(jī)將這些信號(hào)加工、轉(zhuǎn)化為可供記錄、顯示的形式，最后進(jìn)行后期分析處理。

不論是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，還是射電望遠(yuǎn)鏡，在未來(lái)，更大口徑依然是望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，研究者也在尋求更好的平臺(tái)，如空間、月球以及其他星系等。

正如美國(guó)國(guó)家航空航天局的丹·丁爾所說(shuō)：“大型望遠(yuǎn)鏡對(duì)于天體物理和天文學(xué)就像運(yùn)算速度對(duì)于計(jì)算機(jī)那么重要，我們想直接看到宇宙大爆炸的邊緣，我們想直接看到環(huán)繞其他恒星的星球。我們需要更大的望遠(yuǎn)鏡?！?/p>

望遠(yuǎn)鏡的意義：以天之語(yǔ)，解物之道

天文學(xué)家在宇宙觀測(cè)時(shí)獲取信息的通道有：電磁波、宇宙線、中微子、引力波。其中，電磁波是獲取信息的主要通道。

當(dāng)前，天體物理提出了很多重要問(wèn)題。“兩暗、一黑、三起源”（兩暗——暗能量、暗物質(zhì);一黑——黑洞及致密天體;三起源——宇宙起源、天體起源、生命起源）是當(dāng)今亟待解決的重大核心天文學(xué)和物理學(xué)問(wèn)題，探究的過(guò)程將驅(qū)動(dòng)天文學(xué)進(jìn)入一個(gè)新的跨越式發(fā)展期。

具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)進(jìn)一步精確測(cè)量宇宙各時(shí)期的哈勃參量，可能發(fā)現(xiàn)宇宙是如何加速膨脹的，從而確定暗能量是否隨時(shí)間變化。這對(duì)于人類認(rèn)識(shí)宇宙具有重要的科學(xué)意義：如果暗能量是隨時(shí)間變大的，宇宙終將分崩離析，進(jìn)入所謂大撕裂狀態(tài);如果暗能量是隨時(shí)間變小的，宇宙終將重新聚合在一起，進(jìn)入所謂大坍塌狀態(tài)。

在激光通信領(lǐng)域，2016年我國(guó)墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星專項(xiàng)的星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)中，中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所研制的4個(gè)地面站（望遠(yuǎn)鏡）對(duì)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)起到了至關(guān)重要的作用。實(shí)驗(yàn)中，衛(wèi)星捕捉到地面站發(fā)來(lái)的光束（信標(biāo)光），并將該光束會(huì)聚到探測(cè)器中心;捕獲完成后，衛(wèi)星發(fā)出一光束，該光束準(zhǔn)確地指向地面望遠(yuǎn)鏡;地面望遠(yuǎn)鏡接收到光束，完成捕獲過(guò)程，使得衛(wèi)星和地面站最終達(dá)到通信連接狀態(tài)。

太陽(yáng)大氣探測(cè)也是如今天文學(xué)以及天體物理學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要問(wèn)題。太陽(yáng)是距離地球最近的恒星，如果能更加了解它，就有助于我們探索宇宙的奧秘，同時(shí)預(yù)防太陽(yáng)對(duì)地球的危害。望遠(yuǎn)鏡的其他應(yīng)用還有衛(wèi)星成像、激光雷達(dá)等。

自1609年伽利略發(fā)明了第一臺(tái)應(yīng)用于天文觀測(cè)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡后，400多年來(lái)，天文望遠(yuǎn)鏡經(jīng)歷了翻天覆地的發(fā)展變化，從折射式到反射式，從小到大，從單口徑到多口徑，從地面到空間，如今形成的望遠(yuǎn)鏡家族也不僅僅用于天文觀測(cè)。幾百年的時(shí)間里，天文學(xué)家借助越來(lái)越先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡獲得了豐碩的成果，讓我們對(duì)太陽(yáng)系、銀河系、河外星系甚至整個(gè)宇宙的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生了一次次重大飛躍，極大地推動(dòng)了現(xiàn)代天文學(xué)和物理學(xué)理論的發(fā)展。

“路曼曼其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索?！蔽份卟磺爸粫?huì)錯(cuò)失良機(jī)。我們相信，作為人類對(duì)話宇宙的利器，望遠(yuǎn)鏡及其傳奇故事必將繼續(xù)演繹下去，譜寫出新的篇章。

（選自《百科知識(shí)》2020年第18期）

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練習(xí)

1.選文標(biāo)題有哪些好處？

2.本文的說(shuō)明對(duì)象是什么？

3.選文第一段有什么作用？

4.伽利略望遠(yuǎn)鏡與開普勒望遠(yuǎn)鏡有什么區(qū)別？

5.現(xiàn)代天文望遠(yuǎn)鏡主要有哪些用途？

6.下列對(duì)選文的理解不正確的一項(xiàng)是（? ）

A.伽利略研制的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是由凹透鏡和凸透鏡組合而成的。

B.伽利略望遠(yuǎn)鏡和開普勒望遠(yuǎn)鏡都是折射式望遠(yuǎn)鏡而不是透射式望遠(yuǎn)鏡。

C.英國(guó)科學(xué)家牛頓研制出世界上第一臺(tái)反射式望遠(yuǎn)鏡。

D.現(xiàn)代大口徑光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡都是反射式望遠(yuǎn)鏡。

（孫俊強(qiáng) 設(shè)計(jì)）

（參考答案見(jiàn)77頁(yè)）