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及時(shí)章巨鏡時(shí)代

及時(shí)節(jié)地面望遠(yuǎn)鏡的"變形記"

一、伽利略的視覺奇遇

說起來，在望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)以前，我們頭頂上的星空是非常簡單的，只有太陽、月亮、幾千顆肉眼可見的恒星和五顆行星，即水星、金星、火星、木星和土星，除此之外，就是偶爾出現(xiàn)在天空中的彗星。當(dāng)然，人們還會(huì)看到"天河"，那是銀河系的一部分；如果運(yùn)氣好，還會(huì)看到一顆陌生的"新星"，那是一顆恒星發(fā)生了爆炸。

大約400年前的一個(gè)晚上，一位46歲的中年人將自己的眼睛湊近一根管狀物，這是一根空管子，兩端各嵌有一塊透鏡。誰也沒有料到的是，就在他把這根管子指向天空時(shí)，星空發(fā)生了改變，因?yàn)閺拇艘院螅谌祟惖囊曇爸校强站驮僖膊皇窃瓉淼哪莻€(gè)模樣了。圖1.1伽利略像

這位中年人名叫伽利略(圖1.1)，是一名意大利天文學(xué)家，當(dāng)時(shí)正在威尼斯附近的帕多瓦大學(xué)持教。他聽說荷蘭人發(fā)明了一種新奇的名為"窺視鏡"的東西，主要部分是兩塊眼鏡片，當(dāng)把這兩塊鏡片一遠(yuǎn)一近地固定在眼前時(shí)，遠(yuǎn)處的景物就會(huì)拉近，變大。這個(gè)消息讓伽利略非常興奮，于是自己也"如法炮制"起來，他找來一根管子和兩塊透鏡，將管子的一端嵌上凹透鏡，作為供眼睛窺視的目鏡，另一端嵌上凸透鏡，作為指向目標(biāo)的物鏡。就這樣，一番調(diào)試后，人類歷史上及時(shí)架天文望遠(yuǎn)鏡就誕生了(圖1.2)。圖1.2伽利略向別人介紹如何使用望遠(yuǎn)鏡

現(xiàn)在想來，當(dāng)伽利略帶著這架簡陋的望遠(yuǎn)鏡走上塔樓時(shí)，他一定非常興奮，好奇心強(qiáng)烈地沖擊著他，布滿星辰的夜空深深吸引著他。接下來發(fā)生的事對(duì)當(dāng)時(shí)的人來說無異于一次令人驚訝萬分的"視覺奇遇"：伽利略看到木星有4顆衛(wèi)星，看到月亮上有不少隕石坑，還明白了月亮和行星發(fā)出的光是太陽的反射光(圖1.3)。圖1.3伽利略用望遠(yuǎn)鏡觀測木星的原始記錄

在一個(gè)霧氣朦朧的黃昏，伽利略開始用他的望遠(yuǎn)鏡觀察太陽。透過蒙蒙的霧靄，伽利略發(fā)現(xiàn)了太陽黑子(用望遠(yuǎn)鏡直接觀察太陽是危險(xiǎn)的，會(huì)傷害眼睛。正確的方法是采用"投影法"：將物鏡一端對(duì)準(zhǔn)太陽，讓陽光透過望遠(yuǎn)鏡從目鏡一端投射到一個(gè)白色表面上。調(diào)節(jié)焦距，可清晰地顯示太陽黑子。伽利略雖然用望遠(yuǎn)鏡直接觀測了太陽，但他選擇黃昏時(shí)段，又有霧靄，所以問題不大。后來伽利略也使用投影法觀測太陽了)。連續(xù)觀測了一段時(shí)間后，伽利略認(rèn)定，那些黑子是太陽表面的一部分，于是就此推測了太陽的自轉(zhuǎn)，認(rèn)識(shí)到太陽在以大約每25天一周的速度自轉(zhuǎn)著。

伽利略在觀測土星時(shí)，也發(fā)生了奇怪的事，他看到土星呈現(xiàn)出一種古怪的形狀，好像長了兩只"耳朵"。伽利略懷疑那耳朵是土星的兩顆衛(wèi)星。

今天我們知道，那兩顆"衛(wèi)星"就是土星的光環(huán)。由于伽利略的望遠(yuǎn)鏡倍率太小，光環(huán)的形狀看上去有點(diǎn)古怪，所以像兩只耳朵。后來，人們用更精密的望遠(yuǎn)鏡觀察土星，才真正發(fā)現(xiàn)了土星環(huán)，不過那已經(jīng)是半個(gè)多世紀(jì)以后的事了。

二、從"越來越長"到"越來越胖"

就這樣，伽利略啟動(dòng)了一次嶄新的"視覺革命"，天文望遠(yuǎn)鏡也從此走上了一條極不平凡的發(fā)展之旅，形形色色的望遠(yuǎn)鏡層出不窮，它讓人類的視覺體驗(yàn)了從未有過的刺激。但總的來說，望遠(yuǎn)鏡的作用就是通過光學(xué)原理將遠(yuǎn)處的物像"放大"和"加亮"，從而有了"望遠(yuǎn)"和"看清"的效果。在后來的幾百年里，不論望遠(yuǎn)鏡發(fā)展得多么復(fù)雜，除了個(gè)別特殊的望遠(yuǎn)鏡外，它們最基本的原理和作用都并沒有太大的改變。

伽利略發(fā)明了天文望遠(yuǎn)鏡后，折射望遠(yuǎn)鏡統(tǒng)治了半個(gè)多世紀(jì)的天文觀測，人們在這段時(shí)間里不斷通過延長望遠(yuǎn)鏡的焦距來消除影響觀測效果的物像變形，望遠(yuǎn)鏡因此也被做得越來越長。例如，荷蘭科學(xué)家惠更斯就把他的望遠(yuǎn)鏡做到了將近40米長，望遠(yuǎn)鏡的物鏡吊在一根高高的桅桿上，目鏡則用一根繩子與物鏡相連，這種望遠(yuǎn)鏡操作起來很不方便。但長焦距也確實(shí)管用，前面說到，伽利略曾把土星的光環(huán)當(dāng)成了衛(wèi)星，而土星環(huán)的真正發(fā)現(xiàn)是在半個(gè)多世紀(jì)后。這發(fā)現(xiàn)了土星環(huán)的人就是惠更斯，而他用以觀測土星的就是這架怪模怪樣的望遠(yuǎn)鏡。

然而惠更斯的望遠(yuǎn)鏡也并不是最長的，還有人制造了更長的望遠(yuǎn)鏡。從理論上說，望遠(yuǎn)鏡可以長得不可思議，而這種只存在于構(gòu)想中的望遠(yuǎn)鏡甚至可以看清月面上極小的細(xì)節(jié)。大約也就是在這個(gè)時(shí)候，反射望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)了，這時(shí)人們意識(shí)到，物鏡的口徑越大，收集到的光線就越多，分辨率也越高，于是，望遠(yuǎn)鏡開始變得越來越"胖"，而不是越來越長了。這種"胖"望遠(yuǎn)鏡的制作競賽也"催生"了不少牛人，其中英國天文學(xué)家威廉 赫歇爾和愛爾蘭天文學(xué)家羅斯伯爵就是赫赫有名的人物。

赫歇爾一生制作了幾百架望遠(yuǎn)鏡，磨制的鏡片不計(jì)其數(shù)。由于專注于磨鏡，他有時(shí)騰不出手吃飯，他的妹妹就喂他吃飯。1789年，赫歇爾制作了一架口徑為1.22米的大望遠(yuǎn)鏡(圖1.4)，他用這架望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)一和土衛(wèi)二。

和赫歇爾一樣，羅斯伯爵也對(duì)大望遠(yuǎn)鏡情有獨(dú)鐘，他出身于門第顯赫的貴族，較大的心愿是制造一架當(dāng)時(shí)較大的望遠(yuǎn)鏡觀測星空。他磨制了一塊金屬反射鏡面，這個(gè)鏡面是分塊磨制然后焊接在一起的，重達(dá)3.6噸，口徑1.84米，人們費(fèi)了好大的勁才把它裝進(jìn)了一個(gè)17米長的鏡筒中。圖1.4赫歇爾制作的口徑為1.22米的大望遠(yuǎn)鏡羅斯伯爵的這架望遠(yuǎn)鏡非常龐大，大家因此用《圣經(jīng)》中的大海怪"列維亞森"稱呼它(圖1.5)。"列維亞森"圖1.5羅斯伯爵的

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