望遠鏡： 只為“看”得更遠、“看”得更清

楊冬魏

浩瀚的宇宙中有各種不同的天體，各種天體都有各自美麗的身影。月球上的環(huán)形坑、火星上的火山湖痕跡、木星上漂亮的大紅斑、哈雷彗星那神奇的尾巴、浪漫的牛郎星與織女星……這些美麗又遙遠的身影是如何被我們“看”到的呢？其中，望遠鏡功不可沒。

從第一架望遠鏡的誕生到今天，許多科技工作者不懈努力，推動著望遠鏡技術(shù)的進步，他們始終心懷著一個永恒的目標——只為“看”得更遠、“看”得更清。

中國古代對“望遠”的追求

中國古代的神話中就有“千里眼”這個神仙，而在三星堆遺址中，人們發(fā)現(xiàn)了古人對望遠鏡遐想的雕塑——青銅縱目大面具，從眼中伸展出的那部分，就是望遠鏡的原始形態(tài)，反映了古人對“望遠”的追求與渴望。

清代的鄭復(fù)光在光學(xué)實驗、光學(xué)儀器的制造方面造詣頗深，于道光初年寫出了一部系統(tǒng)闡述幾何光學(xué)原理、光學(xué)儀器原理和制鏡技術(shù)的科學(xué)專著《鏡鏡詅癡》，這是我國第一部光學(xué)物理專著。清道光十五年（1835年），他在北京以《鏡鏡詅癡》中的理論為指導(dǎo)，制造出我國第一架測天望遠鏡，并用于觀測天象。

世界第一架望遠鏡的出現(xiàn)

1608年，在荷蘭的一個眼鏡作坊里，一名學(xué)徒在玩耍，當他用一前一后兩塊鏡片觀察物體時，發(fā)現(xiàn)遠處的物體離自己很近。作坊老板李波爾賽意識到這是一項新的發(fā)現(xiàn)，他馬上把兩塊鏡片裝入一個筒內(nèi)，組裝成了世界上第一架望遠鏡。而且李波爾賽不失時機地將這一發(fā)明轉(zhuǎn)化成商品，并把這一發(fā)明獻給政府。

正是有了望遠鏡的幫助，荷蘭艦隊能在敵艦發(fā)現(xiàn)他們之前就先行發(fā)現(xiàn)敵艦的動向，取得了戰(zhàn)爭的主動權(quán)，使荷蘭成為一個海上強國。

折射式望遠鏡的發(fā)展

李波爾賽發(fā)明望遠鏡后的第二年，消息傳到了意大利，著名物理學(xué)家、天文學(xué)家伽利略意識到這一發(fā)明對天文觀測的重大意義。他動手制作了一架口徑4.2厘米、長約1.2米的望遠鏡，用平凸透鏡作為物鏡、凹透鏡作為目鏡。這種光學(xué)系統(tǒng)被稱為“伽利略式望遠鏡”。伽利略用這架望遠鏡指向天空，觀測到了木星最大的4顆衛(wèi)星和月球上的環(huán)形山等一系列重要成果。天文學(xué)從此進入了望遠鏡時代。

1611年，德國天文學(xué)家開普勒用兩片雙凸透鏡分別作為物鏡和目鏡，使放大倍數(shù)有了明顯的提高。人們將這種光學(xué)系統(tǒng)稱為“開普勒式望遠鏡”。

現(xiàn)在，人們用的折射式望遠鏡還是這兩種形式，天文望遠鏡普遍采用“開普勒式望遠鏡”。

19世紀末，隨著制造技術(shù)的提高，制造較大口徑的折射式望遠鏡成為可能，隨之就出現(xiàn)了一個制造大口徑折射式望遠鏡的高潮。最有代表性的是1897年建成的口徑102厘米的葉凱士望遠鏡和1886年建成的口徑91厘米的里克望遠鏡。

折射式望遠鏡的優(yōu)點是焦距長、底片比例尺大、對鏡筒彎曲不敏感，最適合于做天體測量方面的工作。但是，它總是有殘余的色差，同時對紫外、紅外波段的輻射吸收很厲害。而且巨大的光學(xué)玻璃澆制也十分困難，到1897年葉凱士望遠鏡建成，折射式望遠鏡的發(fā)展達到了頂點。

反射式望遠鏡的發(fā)展

科學(xué)“大咖”牛頓多次磨制非球面的透鏡均告失敗后，決定采用球面反射鏡作為主鏡。他用金屬磨制成一塊凹面反射鏡，并在主鏡的焦點前面放置了一個與主鏡成45°角的反射鏡，使經(jīng)主鏡反射后的會聚光再經(jīng)反射鏡以90°角反射出鏡筒后到達目鏡。它被稱為“牛頓望遠鏡”。牛頓望遠鏡的原理并不是采用玻璃透鏡使光線折射或彎曲，而是使用一個彎曲的鏡面將光線反射到一個焦點之上，屬于反射式望遠鏡。用反射代替折射，不存在色差，能讓人們“看”得更清。而且這種方法比使用透鏡將物體放大的倍數(shù)要提高數(shù)倍，讓人們“看”得更遠。

之后，科學(xué)家集中反射鏡和透鏡的優(yōu)點，發(fā)明了折反射式望遠鏡。主鏡是球面反射鏡，副鏡是一個透鏡，用來矯正主鏡的像差。此類望遠鏡視場大、光力強，適合觀測流星、彗星以及巡天尋找新天體。

射電望遠鏡的發(fā)展

美國人雷伯在1937年制造成功人類歷史上第一臺射電望遠鏡。射電望遠鏡通過觀測和研究來自天體的射電波，進而“看”到遙遠的天體。射電望遠鏡的基本原理和光學(xué)反射式望遠鏡相似，投射來的電磁波被一精確鏡面反射后，同相到達公共焦點。用旋轉(zhuǎn)拋物面作鏡面，易于實現(xiàn)同相聚集。因此，射電望遠鏡的天線大多是拋物面。

此后，射電望遠鏡的歷史便是不斷提高分辨率和靈敏度的歷史，以期“看”得更遠、“看”得更清。目前，世界上“看”得最遠、“看”得最清的射電望遠鏡是坐落在我國貴州的“觀天巨眼”——FAST，口徑達500米，是當前世界上最大、最靈敏的單口徑射電望遠鏡。

射電波可以穿過光波無法通過的氣體、塵埃，觀測到光學(xué)方法所不能觀測到的地方。例如，銀河系中心方向存在大量的氣體塵埃，現(xiàn)在關(guān)于銀河系旋渦結(jié)構(gòu)的圖像，就是通過射電望遠鏡觀測取得的。

但人類追求進步的腳步從未停歇，為了減少大氣層在天文觀測時的干擾作用，人們又把望遠鏡送上了太空。

太空望遠鏡

哈勃空間望遠鏡以美國天文學(xué)家愛德溫·哈勃為名，于1990年4月成功發(fā)射。由于它位于地球大氣層之外，因此具有地基望遠鏡所沒有的好處：影像不受大氣湍流的擾動、視相度絕佳，且無大氣散射造成的背景光，還能觀測到會被臭氧層吸收的紫外線。作為人類第一臺空間望遠鏡，哈勃空間望遠鏡為人類的宇宙探索事業(yè)貢獻了無數(shù)珍貴的照片。

為了接替即將“退休”的哈勃空間望遠鏡，2021年12月，新一代功能更強大的詹姆斯·韋布空間望遠鏡發(fā)射升空并于2022年7月正式工作，期待它有更遠、更清、更美的新發(fā)現(xiàn)。

從第一架望遠鏡誕生至今雖然只有短短400多年，但是“望遠”理論的創(chuàng)新和“望遠”技術(shù)的進步推動著望遠鏡實現(xiàn)了跨越式的發(fā)展，人們更清楚地“看”到了更遠的地方。當然，人類的奮斗不會停止，會向“看”得更遠、“看”得更清而努力，也一定會“看”得更遠、“看”得更清。