約翰·多倫德家族與消色差望遠(yuǎn)鏡

摘 要 我國博物館現(xiàn)藏數(shù)百架古董望遠(yuǎn)鏡，其中北京天文館藏有一架19世紀(jì)20年代由多倫德家族制造的手持消色差望遠(yuǎn)鏡。約翰·多倫德是18世紀(jì)英國著名的光學(xué)和天文儀器制造商，其家族在發(fā)明并推廣消色差透鏡方面起了重要作用。這一發(fā)明使得折射望遠(yuǎn)鏡的觀測能力大大提高，促進(jìn)了天文學(xué)的發(fā)展。本文追溯了多倫德家族與消色差望遠(yuǎn)鏡的淵源。17世紀(jì)初，望遠(yuǎn)鏡和西方天文學(xué)由傳教士一同傳入中國，但此時望遠(yuǎn)鏡在天文觀測的準(zhǔn)確性上與裸眼的區(qū)別并不大。然而隨著清朝西學(xué)東漸的逐步衰落，消色差望遠(yuǎn)鏡在發(fā)明后，并未成為我國天文觀測的主要儀器。

關(guān)鍵詞 天文儀器 折射望遠(yuǎn)鏡 消色差望遠(yuǎn)鏡 約翰·多倫德

0 引言

望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明，是天文學(xué)史上的一次重大革命。17世紀(jì)初，望遠(yuǎn)鏡發(fā)明后不久，意大利天文學(xué)家伽利略·伽利雷（Galileo Galilei）用它發(fā)現(xiàn)了“新宇宙”。19世紀(jì)末，葉凱士望遠(yuǎn)鏡建成，美國天文學(xué)家愛德文·哈勃（Edwin Hubble）用它來觀測星云。20世紀(jì)初，胡克望遠(yuǎn)鏡建成，哈勃確認(rèn)了一些星云是河外星系，把人類對宇宙的認(rèn)知延伸至銀河系外。20世紀(jì)末，被發(fā)射到太空中的哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝了大量星系的高清照片。21世紀(jì)初，斯隆數(shù)字巡天（Sloan Digital Sky Survey）已經(jīng)可以繪制宇宙的三維地圖，其中最遠(yuǎn)的星系距離地球上百億光年。由此可見，望遠(yuǎn)鏡對于天文學(xué)來說至關(guān)重要，它的每一次技術(shù)進(jìn)步都擴(kuò)大了人類認(rèn)識宇宙的疆域。

望遠(yuǎn)鏡主要分為折射式和反射式兩種。早期的折射望遠(yuǎn)鏡由單片透鏡組成的物鏡存在球差和色差，導(dǎo)致成像失真。直到18世紀(jì)，英國光學(xué)和天文學(xué)儀器制造商約翰·多倫德（John Dollond）等人發(fā)明并推廣由多個透鏡組成的消色差透鏡，大大減少了球差和色差，才使得折射望遠(yuǎn)鏡的觀測能力大幅提高，從而促成天文學(xué)上的許多重大發(fā)現(xiàn)。

1 古董望遠(yuǎn)鏡在中國的收藏

在國內(nèi)，故宮博物院、北京天文館、沈陽故宮博物院、廣州博物館、鴉片戰(zhàn)爭博物館等均藏有古董望遠(yuǎn)鏡。其中，北京天文館現(xiàn)藏一百余架古董望遠(yuǎn)鏡，皆從美國古董望遠(yuǎn)鏡收藏家愛德華·沃爾夫（Edward D. Wolf）處獲得。在這些望遠(yuǎn)鏡中，由多倫德家族制造的有十余架，其中一架被明確標(biāo)明是消色差望遠(yuǎn)鏡。如圖1所示，這是一架手持四節(jié)折射望遠(yuǎn)鏡，由約翰·多倫德的外孫喬治·多倫德（George Dollond）于1820年左右制造，現(xiàn)保存完好。物鏡的口徑為7.5 cm，鏡筒的長度為146 cm。物鏡鏡筒包有紅色摩洛哥皮，并標(biāo)有“Dollond”“London”字樣。

故宮博物院現(xiàn)藏兩千多件與西學(xué)相關(guān)的科學(xué)儀器，其中望遠(yuǎn)鏡一百五十余件[2-3]。在這些望遠(yuǎn)鏡中，至少有兩架為消色差望遠(yuǎn)鏡。例如一臺立式銅鍍金消色差望遠(yuǎn)鏡（見圖2），制造于19世紀(jì)，安裝在三角紅木支架上，鏡筒長160 cm，物鏡直徑9.5 cm，由兩塊凸凹透鏡組成。目鏡上方帶有尋星鏡，管筒標(biāo)有“NEGRETTI & ZAMBRA”“LONDON”字樣。另有一臺臺式銅鍍金香港款望遠(yuǎn)鏡（見圖3），制造于19世紀(jì)，安裝在銅鍍金支架上，鏡筒長128 cm，物鏡直徑8.5 cm，由兩塊凸凹透鏡組成。目鏡上方帶有尋星鏡，管筒標(biāo)有“C. J. GAUPP”“HONG KONG”字樣。這兩架消色差望遠(yuǎn)鏡都生產(chǎn)于19世紀(jì)，說明此時消色差望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)傳入中國宮廷。

2 折射望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明及色差的存在

1608年，荷蘭眼鏡制造商漢斯·利普希（Hans Lippershey）把一塊凸透鏡和一塊凹透鏡前后交疊放在眼前，看到遠(yuǎn)處的景物仿佛變得又近又大。他據(jù)此制成第一架望遠(yuǎn)鏡，并獻(xiàn)給了荷蘭政府，在荷蘭與西班牙數(shù)十年的苦戰(zhàn)中，極大地幫助了荷蘭海軍[4]。

伽利略在威尼斯偶然聽說了這個發(fā)明，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，并劃時代地將望遠(yuǎn)鏡指向星空，于1609年得到了震驚世界的發(fā)現(xiàn)：月球表面的環(huán)形山、太陽表面的黑子、木星附近的衛(wèi)星、土星周圍的光環(huán)、銀河里不計其數(shù)的恒星等等[5]。如果說哥倫布發(fā)現(xiàn)了新大陸，那么伽利略就發(fā)現(xiàn)了新宇宙。

17世紀(jì)初，德國天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家與占星家約翰尼斯·開普勒（Johannes Kepler）首次描述了透鏡的球面相差，即平行光通過單個球面玻璃凸透鏡時，出射光不能匯聚于一點(diǎn)[6]。人們還發(fā)現(xiàn)了色差，即不同顏色的光通過單個凸透鏡時不能匯聚于一點(diǎn)，且越扁平的透鏡焦距越長，球差和相差就越小，所以當(dāng)時流行的天文望遠(yuǎn)鏡都是長筒的[7]，它們極其笨重、操作費(fèi)力。為了避免超長鏡筒過重而受風(fēng)力干擾，這些望遠(yuǎn)鏡常常沒有鏡筒。英國著名物理學(xué)家艾薩克·牛頓（Isaac Newton）曾經(jīng)斷言折射望遠(yuǎn)鏡的色差是不可消除的，轉(zhuǎn)而著手研究反射望遠(yuǎn)鏡。

直到18世紀(jì)，約翰·多倫德等人發(fā)明了消色差透鏡，折射望遠(yuǎn)鏡的觀測能力才顯著提升。19世紀(jì)末出現(xiàn)了一些大型折射望遠(yuǎn)鏡，如世界上最大的消色差折射望遠(yuǎn)鏡——位于美國葉凱士天文臺口徑達(dá)1 m的葉凱士望遠(yuǎn)鏡。此外，現(xiàn)代的照相機(jī)和小型望遠(yuǎn)鏡使用的也是這種消色差透鏡。

3 多倫德家族與消色差望遠(yuǎn)鏡

3.1 約翰·多倫德的貢獻(xiàn)：消色差透鏡的發(fā)明

隨著1685年《南特敕令》的廢止*，歐洲大陸信仰新教的手工藝人大量逃往英國。約翰·多倫德的父親也在此列，他抵達(dá)倫敦后以從事紡織業(yè)為生。約翰·多倫德1706年出生于倫敦。童年時期，他就對科學(xué)有著強(qiáng)烈的興趣，利用業(yè)余時間學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、光學(xué)和天文學(xué)。[8]

1729年，英國數(shù)學(xué)家切斯特·霍爾（Chester Hall）將一塊火石玻璃做的凸透鏡和一塊冕牌玻璃做的凹透鏡組合制成了消色差透鏡。這個復(fù)合透鏡的直徑是6.4 cm，焦距為50.8 cm?；魻栐o英國光學(xué)制造界的權(quán)威約翰·伯德（John Bird）等人寫信，說明此復(fù)合透鏡的制作方法，但并未引起他們的注意。霍爾為人低調(diào)，沒有大肆宣揚(yáng)他的發(fā)明，雖然他的發(fā)明在整個倫敦光學(xué)界中慢慢傳播開了，可是依然沒有人重視。[8]

1747年，瑞士數(shù)學(xué)家萊昂哈德·歐拉（Leonhard Euler）在不了解霍爾工作的情況下，聲稱可以同時修正物鏡的球差和色差，因為人眼就是如此。他設(shè)計了一個由兩塊新月形透鏡組成的目鏡，中間放上水，通過計算得出此種透鏡的色差可被消除。約翰·多倫德得知這篇文章后，向歐拉指出了他的錯誤，依據(jù)是牛頓說過折射不可能沒有色散。但幾番通信往來后，約翰·多倫德受到了啟發(fā)，用不同耗散率的水和玻璃試驗，想要做出沒有色差的透鏡，然而一開始并未成功。[8]

1755年，瑞典烏普薩拉大學(xué)的數(shù)學(xué)教授塞繆爾·克里基斯蒂爾奈（Samuel Klingenstierna）寫信給約翰·多倫德，聲稱他通過幾何方法證明了牛頓色散實驗是有誤的。事實上，牛頓的結(jié)論只適用于棱鏡頂角較小的情況，對大角棱鏡并不適用。[8]

后來，約翰·多倫德繼續(xù)做了大量的實驗。他總結(jié)出玻璃的色散比水的色散大，通過增加水棱鏡的角，得到了無耗散的折射。這種透鏡雖然消除了色差，卻仍無法避免透鏡形狀導(dǎo)致的球差。為了尋找合適的介質(zhì)代替水，他發(fā)現(xiàn)火石玻璃比威尼斯玻璃、冕牌玻璃的色散率更大。而根據(jù)另一位光學(xué)儀器制造商杰西·萊姆斯登（Jesse Ramsden，約翰·多倫德的女婿）的說法，約翰·多倫德在1750年已經(jīng)聽說了霍爾的發(fā)明。1757年，約翰·多倫德發(fā)現(xiàn)一塊頂角為25°的火石棱鏡和一塊頂角為29°的冕牌棱鏡產(chǎn)生的球差較小而色差較大。嘗試了多種棱鏡組合后，他推斷出凸的火石玻璃的焦距與凹的冕牌玻璃的焦距之比必須為6：4，這也是它們的色散率之比。他還發(fā)現(xiàn)可以通過聯(lián)合兩片球差相等的凸凹透鏡來消除球差。就這樣，約翰·多倫德制作了第一個消色差透鏡。他于1758年發(fā)表了《基于光的不同折射率的實驗說明》一文，完全推翻了牛頓關(guān)于折射望遠(yuǎn)鏡的色差不可消除的結(jié)論。在該文中，他沒有提及霍爾、克里基斯蒂爾奈和歐拉的工作。[8]

因為這個貢獻(xiàn)的重要意義，約翰·多倫德在1758年被英國皇家學(xué)會授予了科普利獎?wù)拢⒂?761年當(dāng)選皇家學(xué)會會員。他還被任命為英國國王喬治三世的眼鏡制造師。除了在消色差透鏡方面的貢獻(xiàn)，他還對測量星角間距離的量日儀作了改良。[8]

3.2 彼得·多倫德的貢獻(xiàn)：消色差望遠(yuǎn)鏡的推廣

（1）從消色差透鏡到消色差望遠(yuǎn)鏡

1763年，約翰·多倫德的兒子彼得·多倫德（Peter Dollond）制作了由三塊透鏡組成的物鏡，次年就做成望遠(yuǎn)鏡銷售，并首次應(yīng)用于天文學(xué)領(lǐng)域。三鏡物鏡的質(zhì)量比以前制造的所有物鏡都高。第三塊透鏡不僅減少了二級光譜，而且更好地校正了球差。他制作的最早的三鏡物鏡中有一種口徑為9.5 cm、焦距為106.7 cm。這種望遠(yuǎn)鏡可觀測到土星的五顆衛(wèi)星，還使得人們目睹了雙星。彼得·多倫德制作的最大望遠(yuǎn)鏡口徑達(dá)12.7 cm、焦距達(dá)304.8 cm，被放置在格林尼治天文臺，用來觀測木星的衛(wèi)星對木星的食虧及月球遮掩的暗星。[8]

此外，彼得·多倫德還設(shè)計了夜用望遠(yuǎn)鏡、軍用望遠(yuǎn)鏡、小型反射望遠(yuǎn)鏡等。他出色的制造技術(shù)促進(jìn)了公眾對便攜式望遠(yuǎn)鏡的需求。他的望遠(yuǎn)鏡盡管價格昂貴，但很搶手。1783年，多倫德家族首先用包黃銅的桃花心木制作望遠(yuǎn)鏡的鏡筒，這對于傳統(tǒng)的牛皮紙鏡筒而言是個極大的改進(jìn)。[8]

彼得·多倫德被稱作“實驗光學(xué)之父”，他做透鏡不靠理論而靠大量實踐。后來他的生意被侄子喬治·多倫德接手[8]。喬治·多倫德于1819年當(dāng)選英國皇家學(xué)會會員，次年成為英國皇家天文學(xué)會的創(chuàng)始人之一[9]。如今，多倫德家族的光學(xué)工廠仍然在營業(yè)，但現(xiàn)在主要銷售眼鏡，而不是望遠(yuǎn)鏡。

（2）消色差透鏡的專利權(quán)

1758年，彼得·多倫德說服了父親約翰·多倫德為消色差透鏡申請專利。與此同時，他們的成功引發(fā)了倫敦光學(xué)界的嫉妒。一些人推出了山寨的多倫德望遠(yuǎn)鏡。由于缺乏優(yōu)質(zhì)的火石玻璃，這些望遠(yuǎn)鏡的目鏡相對不大。但正是因為尺寸小便于攜帶，反而得到了人們的青睞。

彼得·多倫德為維護(hù)父親的發(fā)明，狀告多個私自制作和銷售消色差透鏡的光學(xué)制造商侵權(quán)，都勝訴了。他借此警告其他光學(xué)制造商，要求支付相應(yīng)的專利費(fèi)用。1764年，35個光學(xué)制造商聯(lián)合起來向英國樞密院請愿，希望吊銷約翰·多倫德的專利，但是失敗了。在一個案子中，法官裁決道，雖然霍爾是消色差透鏡的發(fā)明人，可他只是把自己的發(fā)明鎖在寫字臺里，而約翰·多倫德卻將消色差透鏡推廣到公眾中，后者更有資格享受專利帶來的益處，因而判定約翰·多倫德的專利是有效的。[10]

4 望遠(yuǎn)鏡傳入中國

1621年，望遠(yuǎn)鏡在歐洲被發(fā)明后不久，就由德國傳教士鄧玉函（Johann Schreck）等由廣東口岸帶入了中國大陸。與鄧玉函一同來華的還有湯若望（Johann Adam Schall von Bell）。湯若望在1626年撰寫了《遠(yuǎn)鏡說》，是第一本全面介紹望遠(yuǎn)鏡的中文著作。明代末期，禮部尚書兼文淵閣大學(xué)士徐光啟與其繼任者李天經(jīng)共同主持編纂了《崇禎歷書》，吸收西方先進(jìn)天文學(xué)知識對中國傳統(tǒng)歷法進(jìn)行改革。值得一提的是，李天經(jīng)還使用西洋新法準(zhǔn)確預(yù)測了日食和月食，并向崇禎進(jìn)獻(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡，這是中國皇帝首次見到望遠(yuǎn)鏡。但新法尚未頒行，明朝就已滅亡。清代初期，湯若望對《崇禎歷書》略作刪減，更名為《西洋新法歷書》進(jìn)呈清廷，最終被采用，正式頒行為《時憲歷》。[11]

雖然望遠(yuǎn)鏡被引入了我國，但在清朝多是作為觀景所用，并未用于天文觀測。這很可能是由于在球差和色差被克服之前，當(dāng)時的望遠(yuǎn)鏡對位置的觀測精度并不比裸眼強(qiáng)，有時甚至還不如裸眼。1679年，英國天文學(xué)家埃德蒙·哈雷（Edmond Halley）和波蘭天文學(xué)家約翰納斯·赫維留斯（Jahannes Hewelius）分別用帶望遠(yuǎn)鏡的紀(jì)限儀和不帶望遠(yuǎn)鏡的紀(jì)限儀進(jìn)行觀星比賽，三次比賽哈雷均告失敗。而赫維留斯的星圖也是人類歷史上最后一幅不用望遠(yuǎn)鏡觀測繪制的星圖。[11]

望遠(yuǎn)鏡在清朝盛行一時。圓明園在每一處重要景觀的對面都預(yù)備了望遠(yuǎn)鏡，望遠(yuǎn)鏡還一度在廣州口岸被當(dāng)作進(jìn)口產(chǎn)品納稅的參照物?？滴鯐r期，清廷設(shè)有皇家玻璃工廠——“玻璃作”，用來生產(chǎn)鏡片和各種玻璃工藝品。廣東南海人鄒伯奇曾制造了望遠(yuǎn)鏡，他也是第一位用數(shù)學(xué)公式來描述光學(xué)現(xiàn)象的中國科學(xué)家，著有《格術(shù)補(bǔ)》，闡釋了望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的原理。但無論宮廷還是民間，用于制造望遠(yuǎn)鏡的玻璃技術(shù)并沒有新發(fā)展。[11]

在羅馬教廷發(fā)出禁止中國教徒祭祖尊孔的指令后，雍正皇帝便采取了禁止天主教在華傳教的措施，中西文化交流日趨衰落。到了乾隆晚年，由于禁教政策導(dǎo)致西洋工匠稀缺，玻璃作逐漸沒落。1824年，在欽天監(jiān)任職的葡萄牙傳教士福文高（Dominic Joachim Ferreyra）去世后，道光皇帝沒有再任命其他傳教士擔(dān)任這一職務(wù)。這樣，自湯若望起由天主教傳教士擔(dān)任欽天監(jiān)職務(wù)的二百年歷史結(jié)束了。近代望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的西學(xué)東漸也就此中斷。其間望遠(yuǎn)鏡始終未能成為我國重要的觀測工具，更談不上像歐洲那樣競相建造大型望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)而發(fā)展起星系天文學(xué)和天體物理學(xué)。[12]

5 結(jié)語

早期的折射望遠(yuǎn)鏡存在球差和色差的問題，觀測質(zhì)量不佳。牛頓甚至斷言，折射望遠(yuǎn)鏡的色差是不可消除的。18世紀(jì)，英國光學(xué)和天文學(xué)儀器制造商約翰·多倫德等人通過大量實驗發(fā)現(xiàn)，由多個不同色散率的透鏡組成的消色差透鏡可以同時消除球差和色差。后來，約翰·多倫德的兒子彼得·多倫德制作了三鏡物鏡，被首次應(yīng)用于天文學(xué)領(lǐng)域。同時，首先使用消色差透鏡制造折射望遠(yuǎn)鏡的也是他們父子倆。這一發(fā)明使得折射望遠(yuǎn)鏡的鏡筒長度大大縮短，觀測效果也明顯提高。正是這種技術(shù)使得美國葉凱士天文臺口徑達(dá)1 m的大型消色差折射望遠(yuǎn)鏡的建成成為可能，從而讓哈勃得以借此觀測星云，后經(jīng)胡克望遠(yuǎn)鏡證實，發(fā)現(xiàn)了銀河系以外的宇宙。家族第三代喬治·多倫德則為目前廣泛使用的巴洛鏡的發(fā)明作出了貢獻(xiàn)。我國博物館藏有數(shù)百架古董望遠(yuǎn)鏡，其中最引人矚目的莫過于北京天文館中由喬治·多倫德制作的一架手持式消色差望遠(yuǎn)鏡。

技術(shù)的進(jìn)步與社會的發(fā)展是密不可分的。17世紀(jì)初由于木材短缺，英國當(dāng)?shù)氐牟擅簶I(yè)蓬勃發(fā)展。燒煤既提高了熔爐的溫度，又降低了成本，還促使英國人開發(fā)出含氧化鉛的玻璃——“火石玻璃”，它的折射率較大，為消色差透鏡的制造提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[13]。18世紀(jì)末，歐洲各國在天文學(xué)領(lǐng)域競爭激烈，相繼建立了許多私人和公共天文臺。同時正值拿破侖戰(zhàn)爭，陸軍和海軍都需要大量觀測設(shè)備。這些都導(dǎo)致了望遠(yuǎn)鏡供不應(yīng)求。此間，英國制造望遠(yuǎn)鏡等各種科學(xué)儀器的技術(shù)獲得了極大提高，超過了歐洲大陸。多倫德家族與伯德、肖特、萊姆斯登是英國最著名的四大光學(xué)儀器制造商，在今天任何一個現(xiàn)代歐洲天文臺中都有它們的身影。

望遠(yuǎn)鏡在發(fā)明后不久，就被傳教士傳入我國，同時傳入我國的還有西洋歷法。在清朝，由湯若望開啟的西洋傳教士任欽天監(jiān)監(jiān)正的二百年中，正是西學(xué)東漸的興盛時期。清廷頒布《時憲歷》之時，也是我國歷史上與歐洲天文學(xué)水平最接近的一次。清廷曾建立玻璃作，生產(chǎn)玻璃工藝品，但用于制作望遠(yuǎn)鏡透鏡的技術(shù)并沒有發(fā)展?？滴鯐r期，古觀象臺新建了若干天文觀測儀器，但并未興建大型望遠(yuǎn)鏡。從故宮博物院所藏可知19世紀(jì)消色差望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)傳入我國，但尚無證據(jù)證明我國當(dāng)時掌握了制造消色差望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)。

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作者簡介：李百樂（1983—），女，研究方向為天體物理和天文學(xué)史，E-mail： li_baile@163.com。

The family of John Dollond and achromatic telescopes// LI Baile

Author's Address Shenzhen Museum， Email： li_baile@163.com

Abstract There are hundreds of antique telescopes in Chinese museums， among which there is a handheld achromatic refractor in Beijing Planetarium， made by the family of Dollond around 1820. John Dollond was a famous British maker of optical and astronomical instruments in the 18th century. The family of Dollond played an important role in inventing and popularizing achromatic telescopes. Achromatic lens greatly improves the observation ability of refracting telescopes and promotes the development of astronomy. This paper talks about the relation between the family of Dollond and achromatic refractors. Telescopes were introduced into China by missionaries in the early 17th century， along with the western astronomy. Before the decline of western learning in the Qing Dynasty， achromatic telescopes had not been invented. At this time， the accuracy of astronomical observation with telescopes was not different too much from that with naked eyes， so telescopes did not become main instruments of astronomical observation in China.

Keywords astronomical instruments， refractors， achromatic refractors， John Dollond