反射望远镜的发展历程(1)

来源: 太空探索杂志社供本网专稿（原载《太空探索》2009年3月——9月）
　　以反射镜为物镜的望远镜，叫反射望远镜，是天文望远镜中最常见的形式。
　　如果把天文望远镜发展历程比作枝繁叶茂的大树，那么折射望远镜的发展脉络只是这棵大树的一个支杆（尽管是可能最重要的支杆之一），而真正的主杆是反射望远镜，近现代的太阳望远镜、射电望远镜和空间望远镜这几个支杆都是从反射望远镜这个主杆衍生而来的，而当前的多镜面望远镜和超巨大望远镜就是反射望远镜这个主杆的目前的最前端。由此可知，反射望远镜的历史在天文望远镜发展史中的地位是何等重要。现在我们来介绍它的发展历程。
　　反射望远镜的酝酿 
　　在整个17世纪，折射望远镜做得越来越长，使用变得越来越困难。反射镜与透镜一样，也具有聚光的本领，这是古人早已经知道的事实。在长镜筒折射望远镜渐入绝境的情况下，人们自然想到利用反射镜。
　　1632年意大利数学家、伽利略的学生博纳文图拉·卡瓦列里（Bonaventura Cavalieri，1598～1647）在《燃烧镜》一书中探讨了阿基米德是否在叙拉古燃烧了敌船，也为能建造反射望远镜作了理论阐述。另一位意大利僧侣尼科洛·祖奇（Niccolo Zucchi，1586～1670）在1652年出版的一部著作中声称，自己在1616年就用凹面镜作物镜，制作了世界第一架反射望远镜，但是他的望远镜无法解决诸如“如果你的头阻挡了视线，那么你在镜子里怎么会看到东西呢”的问题。
　　1663年英国数学家和天文学家詹姆斯·格里高里（James Gregory，1638 ～1675）出版了《光学的进程》一书，其中首度提出使用两个凹面镜制造反射镜的实用设计。格里高里精通数学，他的设计十分完美：主镜设计成一个抛物面，副镜设计成一个椭圆球面，这样既能消除球差，同时又能消除色差。可惜，当时的工艺技术水平完全达不到他的要求，这在当时只能是“纸上谈兵”的设计。很多年以后，人们按照格里高里的设计，制造出“格里高里式望远镜”，一直工作得很好，这是后话。
　　英国另一位大科学家罗伯特·胡克（Robert Hooke，1635～1703）也想出了巧妙的主意——在一根管子里适度地安放几面反射镜，光线反复弯折，犹如折尺一般，使镜筒大大缩短。他的设计思路没有错，但是事实上却无法实现，因为按照当时的工艺水平，平面镜的反射率不及50%，几经反射，原来较亮的天体也会变得暗淡无光了。
　　几位反射望远镜的先驱者，包括两位科学大师的努力，虽然没有制造出成功的反射望远镜，但是却酝酿了它的诞生，而真正完成这一历史使命的是与他们同时代的科学巨人牛顿。 
　　科学巨人牛顿 
　　艾萨克·牛顿爵士（Sir Isaac Newton，1643～1727）是一位英国物理学家、数学家、天文学家、自然哲学家和炼金术士。

牛顿的分光实验

　　他在1687年发表的论文《自然哲学的数学原理》里，对万有引力和三大运动定律进行了描述。这些描述奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点，并成为了现代工程学的基础。他通过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性，展示了地面物体与天体的运动都遵循着相同的自然定律；为太阳中心说提供了强有力的理论支持，并推动了科学革命。在力学上，牛顿阐明了动量和角动量守恒的原理。在光学上，他发明了反射式望远镜，并基于对三棱镜将白光发散成可见光谱的观察，发展出了颜色理论。他还系统地表述了冷却定律，并研究了音速。在数学上，牛顿与戈特弗里德·莱布尼茨分享了发展出微积分学的荣誉。他也证明了广义二项式定理，提出了“牛顿法”以趋近函数的零点，并为幂级数的研究做出了贡献。
　　在2005年，牛顿曾担任会长的英国皇家学会进行了一场“谁是科学史上最有影响力的人”的民意调查，在被调查的皇家学会会员和网民投票中，牛顿被认为比阿尔伯特·爱因斯坦更具影响力。
　　牛顿发明反射望远镜
　　1666年牛顿发现白色的太阳光是由赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的光组成的，由于不同颜色的光的折射率不同，因此当它们通过棱镜以后，就分散开来，变成了一条彩色的光带。后来人们把这条彩色光带称为光谱。牛顿马上联想到，令人长期倍感头疼的折射望远镜的色差问题正是由于每一种颜色光的折射率各不相同造成的。而反射望远镜则没有色差问题——所有光的反射角都等于入射角，光反射之后不会分散。因此，牛顿决心要发明一种新型的、令人满意的反射望远镜。

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牛顿发明的反射望远镜图解，大的为侧面照，小的是正面照

2014-2-7 21:22 上传 下载附件 (18.13 KB) 牛顿发明的反射望远镜解剖图

　1668年牛顿的第一架小型反射望远镜制成了。它的物镜是用青铜磨制的凹面反射镜，直径只有2.54厘米，镜筒长15厘米，放大倍率达40倍，观测效果不亚于2米长的折射望远镜。1672年牛顿又做好了第二架反射望远镜，长仅16厘米。他在物镜的前面装上一块倾斜45°放置的平面反射镜，当光线射到物镜上以后，先被反射到平面镜上，又被平面镜反射到镜筒一侧的目镜前聚焦，通过目镜就可以看到放大的像。
　　牛顿设计的反射望远镜在英国皇家学会进行了展示，引起了巨大轰动，得到科学界的高度评价。牛顿的反射望远镜不仅彻底消除了令人厌恶的色差，而且制作起来比较容易，使用起来比较方便。从此以后，反射望远镜很快发展起来，成为光学望远镜的主流。目前世界上最大型、最优秀的望远镜都是反射望远镜。

　　弗里德里希·威廉·赫歇尔爵士出生于德国汉诺威，英国天文学家及音乐家，曾做出多项天文发现，包括天王星等。被誉为“恒星天文学之父”。他先是制造反射望远镜，后专门磨制反射望远镜。
　　哈德利和肖特的反射望远镜

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约翰·哈德利，英国天文学家、数学家

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哈德利制作的格里高里式望远镜

　　真正制作出第一块金属抛物面镜的人是一位英国的数学家约翰·哈德利（John Hadley ，1682～1744）。他设计了一套方法，用来检测镜面聚焦的精度：制作了一个照明装置，使得只有当镜面能够把光线会聚到一点时，整个镜面才能被均匀地照亮；如果检测发现镜面某部分的照明不均匀，就着重研磨那个区域。
　　这是一个漫长而困难的工作，但哈德利非常有毅力，终于在1721年制造了一架球差极小的、直径15厘米的格里高利式望远镜。成像可以媲美惠更斯设计的长达37.5米的折射望远镜。哈德利的反射主镜只比惠更斯的透镜小一点，但望远镜的长度却只有1.8米。
　　英国仪器制造商詹姆斯·肖特（James Short，1710～1768）首先研究出了相当简便而精度又高的磨制抛物面镜的技术，它减少了用光学测试方法作最后修正所需要付出的劳动。他一生磨制和制作了1370架望远镜，主要是格里高里式望远镜，许多是很小的，另一些则是

空前的大，直径达到45厘米，长度超过3.6米。
　　哈德利和肖特的工作把反射望远镜的实验价值提到了一个新高度。使用金属镜面来反射光线，代替使用透镜折射光线，使得天文学家们能够制造出更短和更大威力的望远镜，大型反射望远镜变得越来越普及，在这方面做出突出贡献的首先是英国著名天文学家威廉·赫歇尔。
　　从音乐家到天文学家的威廉·赫歇尔

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威廉·赫歇尔

　　弗里德里希·威廉·赫歇尔爵士（Sir Friedrich Wilhelm Herschel，1738～1822），出生于德国汉诺威，英国天文学家及音乐家，曾做出多项天文发现，包括天王星等。被誉为“恒星天文学之父”。
　　赫歇尔家共有十个兄弟妹，但其中四个早夭。其父亲多才多艺，不仅是禁卫军乐团的乐师，精通音乐，还是天文爱好者，热爱星空，熟悉星座。在父亲的影响下，他15岁就在军中充当小提琴手和吹奏双簧管，志向当一名作曲家，但又把大量业余时间用于研究语言和数学，后来还加上光学，并产生了用望远镜亲眼观察各种天体的强烈愿望。
　　当时，汉诺威王朝与英国组成共主邦联。1755年威廉·赫歇尔参加的乐团被派到英国，他很快便学懂英语，并在1557年为躲避战乱而移居英国。先在利兹任音乐教师及乐团领队，后在旅游胜地巴斯任公众音乐会的总监。除演奏管风琴及双簧管外，他也编写过多首乐曲，可是大部分已被人遗忘。1772年他把小妹妹卡罗琳·赫歇尔（Caroline Lucretia Herschel，1750～1848）从汉诺威接到伦敦，帮助自己料理家务，以便使他能专心致志磨制望远镜。卡罗琳一辈子都是哥哥的忠实助手，后来她也成为颇有声望的天文学家。

威廉·赫歇尔制作的15厘米反射望远镜