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天文望远镜究竟是怎么发明的

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发表于 2017-11-8 22:42:12 | 显示全部楼层 |阅读模式
  发明望远镜需要多少伟人的心智?

  1672年1月11日,英国皇家学会的研究员大饱眼福,观看了艾萨克·牛顿的反射式望远镜演示,看到了通过镜面形成的图像。此后,他们将这种奇妙的新式望远镜誉为牛顿的发明,直至如今,人们依然将其归功于牛顿。然而,在这个线性的历史记录背后却隐藏着一个更有趣且更为复杂的故事。牛顿的这个功劳受到了来自詹姆斯·格雷戈里和洛朗·卡塞格伦支持者的挑战。更为糟糕的是,已知的最早利用曲面镜聚光的概念比牛顿早1500多年,切实可用的反射望远镜的最终出现是在牛顿的望远镜面世半个多世纪之后。


  呈现反射望远镜的光学原理可以追溯到公元1世纪的数学家、工程师及发明家——亚历山大港的希罗。他证明,一个抛物形抛物面镜会将平行的入射光聚焦,形成一幅图像。没有证据表明希罗实际上建造了这样的反射光器件。但是,今天我们常常在建筑物顶看到希罗概念的产品,即圆盘式卫星电视天线,是它将无线电波传输到一个密集的焦点形成信号。


  在中世纪伊斯兰光学学者的著作中,有关于抛物面镜聚焦性质的知识,最著名的要数公元10世纪波斯学者阿布·萨德·阿拉·伊本·萨尔的论文《燃烧的镜子和镜片》。不幸的是,伊本·萨尔的研究成果在当时没有产生多少影响,一直到20世纪才被人们重新发现。希罗是意大利文艺复兴时期艺术工程师最喜欢的一位作者,所以有关望远镜原理的内容出现在了达·芬奇未发表的手稿中。但是达·芬奇并没有尝试建造这样的望远镜。

天文望远镜究竟是怎么发明的2 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:28075,108239

  意大利耶稣会天文学家尼可洛·祖奇在《光学》(1652年) 一书中告诉我们,1616年,他用抛物面铜镜制造了一台望远镜,镜面聚焦点形成的图像需要放大才能看见,而且图像会被扭曲,无法识别。他发现反射式望远镜有一个大问题:金属望远镜抛物面的磨光和抛光是一件棘手的事情,因为镜面的任何误差都会使折射光扭曲的程度比镜片中类似的误差大6倍。(镜片中的光线弯曲会降低缺陷的影响,而镜子则会放大。)


  祖奇的望远镜只有一面镜子,不是充分反射的望远镜。真正的反射镜至少有两個镜子:形成图像的主镜和将镜像投影到望远镜体之外的副镜。法国数学家、物理学家马林·梅森在他《宇宙和谐》(1636年)一书中首次设计了双镜反射望远镜,但他从未尝试将他的设计付诸实施。也许他意识到了构建抛物面镜有着无法克服的难题。


  1668年前后,艾萨克·牛顿设法使用由他自己设计的铜锡砷合金制成的镜子制作出了功能正常的反射望远镜。他稍微有点儿作弊:搞了一个不能产生完全准确图像的球面镜,但比抛物面镜容易研磨和抛光。不要低估牛顿这个人当工匠的能力,用他的望远镜足以看到木星的4个大卫星。这与当时许多折射望远镜一样强大,而且更加紧凑。


  在牛顿公开他的仪器的前几年,苏格兰数学家兼物理学家詹姆斯·格雷戈里在他的《光学进程》(1663年)一书中设计了一个略微不同的反射望远镜,使用抛物面主镜和椭圆形副镜。跟梅森不同的是,他试图建立自己的装置。尽管格雷戈里聘请了伦敦最好的镜头制造商理查德·里夫来制作镜子,但也未能达到必要的质量以得到可用的图像。


  牛顿的对手罗伯特·胡克据说于1674年成功地生产了一个管用的格里高利反射镜,但是一次性的,没有能够继续下去。在此两年前,胡克传达了格雷戈里对牛顿声称自己发明了反射望远镜这个说法的意见。同样是在1672年,让-巴蒂斯特·丹尼斯医生在法国一家杂志上发表了一封信,声称他的同胞洛朗·卡塞格伦在此之前已经设计了反射望远镜。有关卡塞格伦我们知之甚少,他的设计使用抛物面主镜和双曲副镜,研磨起来非常复杂。


天文望远镜究竟是怎么发明的14 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:28075,108239

  格里高利和卡塞格伦的设计并没有立即变成可用的工具。牛顿的也没有。尽管反射望远镜与折射望远镜相比有很多优点,但是他的球面镜不能有效地放大,这一点成为科学上的难点。


  早期的折射望远镜存在两个重大的光学问题,即球面像差和色差。首先,一个简单的镜头,其抛物面是一个球体的一部分(这在17世纪是唯一可能的技术),不会将光聚焦在一个点上,所以它会产生一个本来就失真的图像。通过使用长焦距的镜片可以减少这种球面像差,但该解决方案导致了更长、更为笨重的望远镜。第二个问题,即色差,是牛顿开发反射望远镜的原动力。光的每一种色在通过透镜时有一个稍微不同的弯曲角度。彩虹中的这种效果很美丽。在折射望远镜中,红光图像与蓝色等图像会有一小段距离,导致模糊的彩色条纹。


  没有镜头的反射望远镜产生的图像比简单的折射望远镜更清晰干净。然而,直到1721年,英格兰发明家约翰·哈德利才成功地建造了一台大型的牛顿反射望远镜(不是牛顿的球面镜设计),这距离牛顿建造第一台望远镜晚了半个多世纪。皇家学会的会员们对克里斯蒂安·惠更斯36.6米长的折射望远镜进行了测试,宣称它具有优越性。哈德利也继续生产一台运作良好的格里高利望远镜。更重要的是,他能够向当时的领先仪器制造商教授一种可重复的方法,将金属镜子研磨抛光,从而可以连续生产高质量的望远镜。


  今天,所有先进的天文台,包括哈勃空间望远镜,使用的都是反射光学原理。我们应该将这个功劳归功于谁呢?归功于希罗的构想,还是祖奇的建造尝试,还是牛顿成功的原型,或者是哈德利可行的反射望远镜?所有这些都是必要的条件,但没有哪个是充分条件。

  这个教训意义远远超出了本测试案例。对于几乎任何一种设备,把一个人看作发明者是有问题的。产生概念、示范和实施可能非常不同,连接它们的路径通常不是一条线,而是漫长曲折而且具有挑战性的道路。

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