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自從望遠(yuǎn)鏡誕生之后，所有相關(guān)人員都在為其優(yōu)良的成像、便捷的使用而不懈努力。

不同天文學(xué)家利用早期望遠(yuǎn)鏡繪制的土星圖像，因?yàn)楣鈱W(xué)像差的緣故，土星的形態(tài)被猜測(cè)成各種各樣。（來源：wiki）

伽利略的密語——折射望遠(yuǎn)鏡石破天驚

1608年， 荷蘭人漢斯（Hans Lippershey）用水晶造出了第一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡。僅僅一年多之后，伽利略（Galileo Galilei）就通過對(duì)望遠(yuǎn)鏡的改裝，完成了它的一大步進(jìn)化——天文望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)了。利用這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，伽利略發(fā)現(xiàn)了月球上的撞擊坑，發(fā)現(xiàn)了木星的四顆衛(wèi)星，發(fā)現(xiàn)了銀河實(shí)際上是由眾多暗弱恒星組成，也發(fā)現(xiàn)了土星形狀詭異。

然而他對(duì)于土星的發(fā)現(xiàn)并不確定，糾結(jié)之下將這一發(fā)現(xiàn)寫成一段“密語”：Smaismrmielmepoetaleumibuvnenugttaviras，讓他人猜度。后來當(dāng)他稍稍自信后，才將謎底公布出來：土星是三個(gè)星組成的，一大兩小。這顯然不是如今我們熟知的土星，那個(gè)擁有漂亮光環(huán)著稱的土星。伽利略的問題在于，他的望遠(yuǎn)鏡口徑還不夠大，光學(xué)質(zhì)量還不足夠好。

很快，折射式望遠(yuǎn)鏡的第一個(gè)改進(jìn)出現(xiàn)了：開普勒式望遠(yuǎn)鏡，他把伽利略式的凸透鏡-凹透鏡組合，換成了凸透鏡-凸透鏡組合。這樣的結(jié)果是視野增大，而且放大率提高，帶來的不便則是圖像呈倒像。這對(duì)天文觀測(cè)來說毫無影響，因?yàn)樘祗w并無所謂正立或者倒立。

惠更斯與土星光環(huán)——懸在空中的望遠(yuǎn)鏡

1655年， 也就是伽利略望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)的四十多年后，惠更斯（Christiaan Huygens）讓折射式望遠(yuǎn)鏡有了進(jìn)一步發(fā)展。

為了減弱色差，他使用了非常長的焦距，這也使得他制作的天文望遠(yuǎn)鏡造型古怪——有一個(gè)豎桿，頂端放置望遠(yuǎn)鏡的物鏡，用一根繩子控制物鏡的指向，然后在繩子的另一端安裝目鏡?；莞乖谀跨R制作上也下了功夫，以至他后來設(shè)計(jì)的惠更斯目鏡如今依然被人們使用?；莞沟呐]有白費(fèi)，他看清了土星的光環(huán)，并且發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)六。他在公布新發(fā)現(xiàn)時(shí)也采用了“密碼”：“aaaaaaa ccccc d eeeee g h iiiiiii llll mmnnnnnnnnn oooo pp g rr s ttttt uuuuu”這句話翻譯過來就是：有環(huán)環(huán)繞，環(huán)薄而平，沒有一處與本體相連，而與黃道斜交。

圖片惠更斯的懸空式望遠(yuǎn)鏡。（來源：倫敦科學(xué)博物館）

17世紀(jì)，惠更斯制造的望遠(yuǎn)鏡在市場(chǎng)上具有壟斷地位，正得益于他關(guān)于土星系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)?；莞剐值芤恢甭暦Q，他們所制作的望遠(yuǎn)鏡是當(dāng)時(shí)最好的?；莞拐幱谑聵I(yè)的巔峰，他們用第一個(gè)作品——1655年的口徑5.7厘米、焦距365厘米（12英尺）的望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)了土星衛(wèi)星。

之后，1656年，惠更斯建造了更大的一臺(tái)懸空式望遠(yuǎn)鏡，口徑10.5厘米、焦距長達(dá)701厘米（23英尺）。幾年后，著名的惠更斯目鏡被制造出來，并安裝在這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡上。這些工作完成之后，惠更斯望遠(yuǎn)鏡的目視倍率達(dá)到了120倍，也獲得了一些重要發(fā)現(xiàn)，這其中包括了火星的極冠，以及那個(gè)后來被稱為“大流沙”或者“大沙漏”的三角形暗色區(qū)域。

1673年赫維留的45米焦距望遠(yuǎn)鏡。（來源：wiki）

牛頓的預(yù)言——反射式望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)

人們很早就知道，正透鏡和凹面鏡的效果在某種程度上類似，既然折射望遠(yuǎn)鏡可以工作，那么反射式望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)，也就是理所應(yīng)當(dāng)?shù)氖?。很快，各種各樣的設(shè)計(jì)出現(xiàn)了，其中最著名的就是梅森（MarinMersenne）在1636年的設(shè)計(jì)。

牛頓反射望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。（來源：wiki）

但在當(dāng)時(shí)而言，梅森的設(shè)計(jì)太超前了，甚至連伽利略、笛卡爾等人（René Descartes）都看不懂。梅森曾經(jīng)打算自己建造反射式望遠(yuǎn)鏡，但笛卡爾攔住了他，因?yàn)槊飞h(yuǎn)鏡的鏡面是拋物面的，而在當(dāng)時(shí)，制造拋物面反射鏡是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。其實(shí)笛卡爾是正確的，當(dāng)時(shí)不止梅森，諸如格里高利（James Gregory）、卡塞格林（Laurent Cassegrain）等人都有反射望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)，但都困在了鏡面制作工藝上。直到1668年，牛頓采用了一個(gè)折中方案，放棄了拋物面反射鏡，而采用簡單的球面反射鏡，才做出了真正第一臺(tái)反射式望遠(yuǎn)鏡。

即便如此，牛頓這架反射式望遠(yuǎn)鏡依然無法匹敵當(dāng)時(shí)的折射式望遠(yuǎn)鏡。金屬反射鏡面的反射率低，鏡面精度等問題都大大影響了成像。金屬鏡面隨著溫度的變化很大，它的膨脹和收縮要比玻璃大得多，這還不包括氧化帶來的煩惱。但牛頓敏銳地指出了一個(gè)問題：反射式望遠(yuǎn)鏡是沒有色差的，以后必然是反射式望遠(yuǎn)鏡的天下。這正點(diǎn)中了折射式望遠(yuǎn)鏡的死穴。

圖片牛頓制作的反射望遠(yuǎn)鏡復(fù)原模型。來源 / wiki

節(jié)選自《中國國家天文》10月號(hào)“天文望遠(yuǎn)鏡的12個(gè)歷史瞬間”。

作者簡介：張超，科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員，長期致力于天文科學(xué)儀器史料挖掘和整理工作。

文稿編輯：趙宇豪