400年來,
望遠(yuǎn)鏡經(jīng)歷了巨大變革,口徑從幾厘米擴(kuò)大到10米。
m0"K^p l}))vf=i 1609年,伽利略第一次把他自制的望遠(yuǎn)鏡指向了天空,看到了一個從未謀面的宇宙。盡管他的折射望遠(yuǎn)鏡視野小,
光學(xué)系統(tǒng)存在畸變,但是它還是第一次把表面不平坦的月亮呈現(xiàn)在伽利略眼前。
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-U}sW 自1609年之后的400年來,許多天文觀測者通過他們改進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡打開了一扇又一扇宇宙未知之門。400年的風(fēng)風(fēng)雨雨,見證了望遠(yuǎn)鏡從不太完美到幾近完美的成長,也記錄了無數(shù)天文觀測者為追求更加完美的望遠(yuǎn)鏡而走過的艱辛歷程。
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反射望遠(yuǎn)鏡初露頭角
(j&: /*mF:40M; 早期的望遠(yuǎn)鏡——折射望遠(yuǎn)鏡——使用玻璃磨制的
透鏡收集和會聚光線。但是,它存在一個致命的光學(xué)缺陷——色差。因為不同顏色的光線通過玻璃時的折射率略有不同,所以,它們無法精確地會聚到同一點上,形成色差,使得像的邊緣帶上顏色,而像本身也會變得模糊。
FPDTw8" B; r!mRUw'u 為了解決這個問題,早期的天文學(xué)家舍棄了折射望遠(yuǎn)鏡,轉(zhuǎn)向研制反射望遠(yuǎn)鏡。偉大的科學(xué)家牛頓曾經(jīng)認(rèn)為,人們不可能制造出消除色差的透鏡。于是,他于1668年改用鏡青銅——一種銅錫合金——磨制反射鏡,制造反射望遠(yuǎn)鏡。這架反射望遠(yuǎn)鏡使用一塊球面反射鏡作為主鏡,一塊平面反射鏡作為副鏡,口徑約為3.3厘米,能把天體放大約40倍。
*9aJZWf>V hJ}i+[~be 盡管是牛頓制造出了第一架反射望遠(yuǎn)鏡,但他并不是第一個提出設(shè)想的人。早在1663年,蘇格蘭數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家格雷戈里就想到使用兩塊反射鏡制造望遠(yuǎn)鏡。他的設(shè)想是使用一塊凹的拋物面反射鏡作為主鏡,一塊凹的橢球面反射鏡作為副鏡。很可惜,在17世紀(jì)60年代,沒有人能夠把反射鏡磨成除球面以外的其他曲面,因此格雷戈里的設(shè)想無法付諸實踐。
F)LbH&Kn "?I#!t%' 1672年,法國一位中學(xué)科學(xué)課教師卡塞格林提出了一種新的反射望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計方案,主鏡像格雷戈里設(shè)想的一樣,使用凹的拋物面,副鏡則是凸的雙曲面。但是,像格雷戈里一樣,因為技術(shù)上的限制,很多年以后,卡塞格林的設(shè)計才擺脫了紙上談兵的困境。
1`&`y%c?B 69g{oo 牛頓式的早期的反射望遠(yuǎn)鏡雖然消除了色差,但是還存在原先的折射望遠(yuǎn)鏡所具有的另一種光學(xué)缺陷——球差。這些望遠(yuǎn)鏡因為使用球面反射鏡,所以靠近反射鏡中心的光線與靠近反射鏡邊緣的光線被反射到不同的焦點上。除非能把反射鏡磨制成其他曲面,不然球差這個問題將一直困擾著反射望遠(yuǎn)鏡,使得它暫時位居折射望遠(yuǎn)鏡之下。
d#g))f; 5I622d 折射望遠(yuǎn)鏡重登舞臺
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szb72 早期折射望遠(yuǎn)鏡最大的缺陷就是色差,曾經(jīng)因此而被舍棄。1729年,英國律師兼數(shù)學(xué)家霍耳提出的解決方案讓被舍棄的折射望遠(yuǎn)鏡重登舞臺。他嘗試使用兩種折射率不同的玻璃——火石玻璃和冕牌玻璃消除色差。他把折射率大的火石玻璃做成凹透鏡,折射率小的冕牌玻璃做成凸透鏡,然后把凹透鏡的凹面與凸透鏡的凸面拼合在一起,組成一塊復(fù)合透鏡。這塊透鏡對多種顏色的光線具有相同的
焦距,于是,色差在很大程度上被消除了。
<xOX+D hH8&g%{2 1765年,英國
光學(xué)儀器專家多郎德又發(fā)明了一種性能更好的消色差透鏡。這種透鏡把一塊凹透鏡夾在兩塊凸透鏡之間,由3塊不同的透鏡組合而成。即使做了如此大的改進(jìn),折射望遠(yuǎn)鏡還是不夠完美,口徑超過10厘米的透鏡難免會有氣泡、條紋等缺陷,使所觀測到的天體的形狀扭曲。這個問題制約了折射望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展,直至有個人制造出大口徑的沒有缺陷的透鏡。這個人就是瑞士工匠吉南德。
Hc)z:x;Sj %;,fI'M 經(jīng)過近20年的試驗和失敗,吉南德最終于1785年發(fā)明了一種新的透鏡鑄造工藝。他使用多孔黏土制作了一個攪拌棒,代替了原來的木制攪拌棒。當(dāng)用這種耐火的攪拌棒攪拌熔融的玻璃時,玻璃中的氣泡會上升到表面,而且能攪拌更長時間,玻璃混合得更加充分,吉南德磨制的透鏡也就幾近完美。
^,>w`8 *;o%*: 通過與一家德國金融公司合作,吉南德把他制造透鏡的“秘術(shù)”傳授給德國
物理學(xué)家夫瑯和費。夫瑯和費制作了多架性能甚佳的望遠(yuǎn)鏡,并于1824年制成了24厘米口徑的多爾帕特折射望遠(yuǎn)鏡。
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