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13. 从牛顿的“礼品”说起
17 世纪时，( 折射) 望远镜越造越长， 使操作越来越困难。如何做才能缩短望远镜的镜身， 同时又使获得的图像清晰呢？
英国科学家胡克在光学上有较高的造诣。他认为， 应把反射镜引入望远镜， 就像折尺一样， 可以缩小望远镜的镜身长度。他估计， 这样做可以使望远镜长度减至折射望远镜的五分之一。想法不错， 但制作并不容易。
还有像差问题。如果消除了像差， 折射望远镜就可以采取焦距短的透镜， 望远镜就可以缩短镜身但放大倍数不减。消除球差， 磨制抛物面的透镜， 也就是说， 透镜越靠近边缘部分， 弯曲程度就越小。但是， 磨制这种镜片并不容易， 据说， 牛顿就亲自磨制过， 但失败了。色差是望远镜成像时， 透镜的周围有一圈颜色， 人们不知道色差的原因是什么。后来， 牛顿的色散实验使人们知道白光是一种复合色光。所谓色差就是光线经过透镜折射造成的。由此， 牛顿断言， 光线透过玻璃透镜总会产生色差， 所以色差是无法消除的。这个断言是片面的， 到18 世纪人们终于找到了消除色差的方法。不过这是后话了。
牛顿无法消除色差， 因此只得另觅途径。这就是借助反射镜， 尽管反射尚未能修正球差， 但消除色差是可行的。像古代人一样， 反射镜最适宜的材料是青铜。牛顿选用的合金材料是白铜， 其成份比例是铜锡砷=6 ∶2 ∶1 。
1668 年， 牛顿制成了第一架反射式望远镜。它长约15厘米， 镜面直径只有2. 5 厘米， 放大倍数有40 倍， 相当于2 米长的折射望远镜。后来， 牛顿又制成了一架直径为5 厘米的反射望远镜。1672 年， 他把这架望远镜送给了英国皇家学会， 并提交一份有关光学研究的报告。牛顿也因此加入了皇家学会。现在， 这架望远镜仍保存在皇家学会。
反射望远镜也有明显的缺陷。如反射光量较小， 只有相同直径的优质透镜透射光量的16 % 。当时的合金还容易失去光泽， 因些需要经常抛光。后来， 人们才从工艺上解决在玻璃上镀反射膜的问题， 进而解决了光损失的问题。
与牛顿式反射望远镜不同， 还有卡塞格兰式反射望远镜， 二者区别不大。前者是将入射光线反射90°， 从镜筒侧面开窗接收之。后者则将入射光线反射180°， 像折射望远镜一样， 从镜底来接收。
1721 年， 英国的哈德利制造了一架反射望远镜， 直径为15 厘米。由于磨制技术高超， 它的球差降到最低。它的性能也非常好， 同当时惠更斯制造的折射望远镜相比， 其性能不相上下， 但长度只有1. 8 米， 而后者却长达37. 5 米。
到18 世纪中叶， 反射望远镜的口径可达45 厘米， 长度也超过3. 6 米。
这时， 一位名叫赫歇耳的音乐教师渴望有一架望远镜进行观测。他认识到， 折射望远镜已发展到极限了， 应造出更好的反射望远镜。由于他没有钱， 只得自己磨镜片。一磨就是几个小时， 据说， 最长的时间是连续磨了16 个小时。赫歇耳还提高了青铜镜的反射本领。他先后造起了几架直径15 厘米( 放大倍数40 倍、2. 1 米长)， 直径为22. 5 厘米( 长3 米)， 直径为45 厘米( 长6 米) 的反射望远镜。
利用这些望远镜， 赫歇耳获得了许多重要的发现， 最有名的要算是发现天王星了， 这使他获得了很高的荣誉。由于英国国王乔治三世的资助， 赫歇耳还造出了直径122 厘米( 长12. 2 米) 的望远镜。
1856 年， 德国化学家李比希利用银镜反应在玻璃上镀银膜。法国光学家傅科把这种技术应用到反射望远镜上。这使得金属反射镜被废止。当镀银工艺不断改进后， 19 世纪下半叶， 人们先后制出直径为31 厘米、71 厘米、120 厘米的银面玻璃反射镜。
20 世纪， 制造家造出的反射望远镜更大。1908 年底，著名天文学家海耳在美国威尔逊山制造了一架1. 53 米的望远镜。由于磨制镜体的技术高超、条件严格( 无尘且恒温的房间)， 拍摄的光谱极为清晰。
当海耳建造1. 53 米望远镜时， 洛杉矶商人胡克为海耳提供一笔资金， 用以制造2. 12 米的反射望远镜。同时， 美国的布拉希尔制造了1. 83 米的反射望远镜。由于反射镜镀上铝膜， 其反射率可达82 % ， 而通常的镀银膜反射率只有65 % 。海耳的2. 54 米望远镜于1918 年底投入使用， 并以胡克的名字命名， 即“胡克望远镜”。借助胡克望远镜可以对银河系进行观测， 并确定太阳系在银河系中的位置。
胡克望远镜拍摄天空的面积只有月面大小， 如果用它绘制星图就需要大量的照片。当搜索一些特殊天体要迅速扫视天空， 这时的胡克望远镜就显得不够用了。此外， 要制造更大的望远镜会出现一种“彗差”， 即当望远镜对准中心天体时， 远离中心的天体出现了一个“小尾巴”， 就像是彗星。
为了消除彗差， 德籍俄国天文学家施密特设计了一种新型透镜， 它称做“改正镜片”。它的中央最厚， 边缘较薄， 最薄处介于边缘与中心之间。这种透镜构成的望远镜称做“施密特望远镜”。目前， 最大的施密特望远镜的反射镜直径为2 米， 改正镜片直径为1. 34 米。
从20 世纪20 年代开始， 海耳设想建造更大的望远镜，并选好地址在威尔逊山东南145 公里的帕洛玛山。海耳计划建造5 米( 实际是5. 08 米) 的反射镜。
浇铸和磨制镜片可谓困难重重， 需要59 吨的熔融液体，要把它们一点点儿浇到模子里边， 其冷却过程极为缓慢。尽管小心翼翼， 第一块浇铸的镜体还是失败了( 现存纽约康宁博物馆) 。接着， 又浇铸第二块， 它冷却的时间是10 个月。
玻璃圆盘要磨掉几十吨料， 光消耗磨料就近30 吨， 最后成型的镜体尚重14. 5 吨。
1948 年， 望远镜建成， 并命名为海耳望远镜， 不过，海耳已先此十年就去世了。70 年代， 前苏联在高加索的帕斯多克霍夫山建成直径6米的望远镜。据说， 浇铸镜体的冷却时间就花了两年时间。望远镜的镜体长25 米， 重77 吨， 由于设计合理、工艺高超， 运转起来仍十分灵便。
望远镜能造得更大吗？ 如果仍利用常规的制镜加工工艺已很困难了。例如， 由于望远镜自重过大， 将物镜简单地按比例放大的设想已难以做到， 因为过重的身驱会把“骨骼”压断了。还有一个最大的矛盾是： 这个巨型的凹面镜镜片厚一些， 抗变形的性能好， 但散热性能差； 镜片薄一些， 抗温度波动性能好， 但镜面弯曲变形加剧。
如何克服这个矛盾？ 设计人员提出了一些解决办法。美国加利福尼亚州大学伯克利分院的天文学家耐尔逊找到一种化整为零的办法。他把整块巨型物镜分解为36 面分镜， 磨制好后再仔细地拼合在一起。这样的镜体既薄又结实。分镜的匹配用一个复杂的计算机网络调控之。耐尔逊主持的“凯克Ⅱ号”超级望远镜建成于1991 年。这是当今反射望远镜之最， 它座落在夏威夷冒纳凯山顶。
座落在美国亚利桑那州的霍普金斯山顶的“哥伦布”超级反射望远镜是双筒望远镜。它由两面直径为8 米的物镜组成， 其集光能力相当于直径达11. 3 米的单镜望远镜。
正在建设中的欧洲天文台智利安第斯山脉巴拉那山顶上的“VIT ”号超级望远镜是由4 面直径8 米的薄型物镜组成。
建在地面上的望远镜受到许多限制， 如温度、气流等， 特别是厚厚的大气层吸收了大量的光线。当人类进入太空后， 科学家设想在太空建立天文台， 太空的望远镜会发挥更大的作用。
科学家的设想在1990 年实现了。4 月24 日， 美国“发现号”航天飞机将自重11 吨， 长13 米的“哈勃”( 这是美国著名的天文学家) 太空望远镜送入距地球600 多公里的轨道上。它耗费了20 亿美元的资金。遗憾的是， 它的反射镜的缺陷使“哈勃”望远镜成了近视。美国人说， 这是最大和最贵的“近视眼”。1993 年12 月， 美国宇航员花了12 天的时间对它进行了修理， 以提高它的视力。
20 世纪90 年代建成的这些望远镜大大扩展了人们的视野， 并将人们的眼光探到宇宙深处那壮丽的图景， 为人类在探索宇宙之谜的过程中不断提供更多的和更有价值的信息。
英国科学家胡克在光学上有较高的造诣。他认为， 应把反射镜引入望远镜， 就像折尺一样， 可以缩小望远镜的镜身长度。他估计， 这样做可以使望远镜长度减至折射望远镜的五分之一。想法不错， 但制作并不容易。
还有像差问题。如果消除了像差， 折射望远镜就可以采取焦距短的透镜， 望远镜就可以缩短镜身但放大倍数不减。消除球差， 磨制抛物面的透镜， 也就是说， 透镜越靠近边缘部分， 弯曲程度就越小。但是， 磨制这种镜片并不容易， 据说， 牛顿就亲自磨制过， 但失败了。色差是望远镜成像时， 透镜的周围有一圈颜色， 人们不知道色差的原因是什么。后来， 牛顿的色散实验使人们知道白光是一种复合色光。所谓色差就是光线经过透镜折射造成的。由此， 牛顿断言， 光线透过玻璃透镜总会产生色差， 所以色差是无法消除的。这个断言是片面的， 到18 世纪人们终于找到了消除色差的方法。不过这是后话了。
牛顿无法消除色差， 因此只得另觅途径。这就是借助反射镜， 尽管反射尚未能修正球差， 但消除色差是可行的。像古代人一样， 反射镜最适宜的材料是青铜。牛顿选用的合金材料是白铜， 其成份比例是铜锡砷=6 ∶2 ∶1 。
1668 年， 牛顿制成了第一架反射式望远镜。它长约15厘米， 镜面直径只有2. 5 厘米， 放大倍数有40 倍， 相当于2 米长的折射望远镜。后来， 牛顿又制成了一架直径为5 厘米的反射望远镜。1672 年， 他把这架望远镜送给了英国皇家学会， 并提交一份有关光学研究的报告。牛顿也因此加入了皇家学会。现在， 这架望远镜仍保存在皇家学会。
反射望远镜也有明显的缺陷。如反射光量较小， 只有相同直径的优质透镜透射光量的16 % 。当时的合金还容易失去光泽， 因些需要经常抛光。后来， 人们才从工艺上解决在玻璃上镀反射膜的问题， 进而解决了光损失的问题。
与牛顿式反射望远镜不同， 还有卡塞格兰式反射望远镜， 二者区别不大。前者是将入射光线反射90°， 从镜筒侧面开窗接收之。后者则将入射光线反射180°， 像折射望远镜一样， 从镜底来接收。
1721 年， 英国的哈德利制造了一架反射望远镜， 直径为15 厘米。由于磨制技术高超， 它的球差降到最低。它的性能也非常好， 同当时惠更斯制造的折射望远镜相比， 其性能不相上下， 但长度只有1. 8 米， 而后者却长达37. 5 米。
到18 世纪中叶， 反射望远镜的口径可达45 厘米， 长度也超过3. 6 米。
这时， 一位名叫赫歇耳的音乐教师渴望有一架望远镜进行观测。他认识到， 折射望远镜已发展到极限了， 应造出更好的反射望远镜。由于他没有钱， 只得自己磨镜片。一磨就是几个小时， 据说， 最长的时间是连续磨了16 个小时。赫歇耳还提高了青铜镜的反射本领。他先后造起了几架直径15 厘米( 放大倍数40 倍、2. 1 米长)， 直径为22. 5 厘米( 长3 米)， 直径为45 厘米( 长6 米) 的反射望远镜。
利用这些望远镜， 赫歇耳获得了许多重要的发现， 最有名的要算是发现天王星了， 这使他获得了很高的荣誉。由于英国国王乔治三世的资助， 赫歇耳还造出了直径122 厘米( 长12. 2 米) 的望远镜。
1856 年， 德国化学家李比希利用银镜反应在玻璃上镀银膜。法国光学家傅科把这种技术应用到反射望远镜上。这使得金属反射镜被废止。当镀银工艺不断改进后， 19 世纪下半叶， 人们先后制出直径为31 厘米、71 厘米、120 厘米的银面玻璃反射镜。
20 世纪， 制造家造出的反射望远镜更大。1908 年底，著名天文学家海耳在美国威尔逊山制造了一架1. 53 米的望远镜。由于磨制镜体的技术高超、条件严格( 无尘且恒温的房间)， 拍摄的光谱极为清晰。
当海耳建造1. 53 米望远镜时， 洛杉矶商人胡克为海耳提供一笔资金， 用以制造2. 12 米的反射望远镜。同时， 美国的布拉希尔制造了1. 83 米的反射望远镜。由于反射镜镀上铝膜， 其反射率可达82 % ， 而通常的镀银膜反射率只有65 % 。海耳的2. 54 米望远镜于1918 年底投入使用， 并以胡克的名字命名， 即“胡克望远镜”。借助胡克望远镜可以对银河系进行观测， 并确定太阳系在银河系中的位置。
胡克望远镜拍摄天空的面积只有月面大小， 如果用它绘制星图就需要大量的照片。当搜索一些特殊天体要迅速扫视天空， 这时的胡克望远镜就显得不够用了。此外， 要制造更大的望远镜会出现一种“彗差”， 即当望远镜对准中心天体时， 远离中心的天体出现了一个“小尾巴”， 就像是彗星。
为了消除彗差， 德籍俄国天文学家施密特设计了一种新型透镜， 它称做“改正镜片”。它的中央最厚， 边缘较薄， 最薄处介于边缘与中心之间。这种透镜构成的望远镜称做“施密特望远镜”。目前， 最大的施密特望远镜的反射镜直径为2 米， 改正镜片直径为1. 34 米。
从20 世纪20 年代开始， 海耳设想建造更大的望远镜，并选好地址在威尔逊山东南145 公里的帕洛玛山。海耳计划建造5 米( 实际是5. 08 米) 的反射镜。
浇铸和磨制镜片可谓困难重重， 需要59 吨的熔融液体，要把它们一点点儿浇到模子里边， 其冷却过程极为缓慢。尽管小心翼翼， 第一块浇铸的镜体还是失败了( 现存纽约康宁博物馆) 。接着， 又浇铸第二块， 它冷却的时间是10 个月。
玻璃圆盘要磨掉几十吨料， 光消耗磨料就近30 吨， 最后成型的镜体尚重14. 5 吨。
1948 年， 望远镜建成， 并命名为海耳望远镜， 不过，海耳已先此十年就去世了。70 年代， 前苏联在高加索的帕斯多克霍夫山建成直径6米的望远镜。据说， 浇铸镜体的冷却时间就花了两年时间。望远镜的镜体长25 米， 重77 吨， 由于设计合理、工艺高超， 运转起来仍十分灵便。
望远镜能造得更大吗？ 如果仍利用常规的制镜加工工艺已很困难了。例如， 由于望远镜自重过大， 将物镜简单地按比例放大的设想已难以做到， 因为过重的身驱会把“骨骼”压断了。还有一个最大的矛盾是： 这个巨型的凹面镜镜片厚一些， 抗变形的性能好， 但散热性能差； 镜片薄一些， 抗温度波动性能好， 但镜面弯曲变形加剧。
如何克服这个矛盾？ 设计人员提出了一些解决办法。美国加利福尼亚州大学伯克利分院的天文学家耐尔逊找到一种化整为零的办法。他把整块巨型物镜分解为36 面分镜， 磨制好后再仔细地拼合在一起。这样的镜体既薄又结实。分镜的匹配用一个复杂的计算机网络调控之。耐尔逊主持的“凯克Ⅱ号”超级望远镜建成于1991 年。这是当今反射望远镜之最， 它座落在夏威夷冒纳凯山顶。
座落在美国亚利桑那州的霍普金斯山顶的“哥伦布”超级反射望远镜是双筒望远镜。它由两面直径为8 米的物镜组成， 其集光能力相当于直径达11. 3 米的单镜望远镜。
正在建设中的欧洲天文台智利安第斯山脉巴拉那山顶上的“VIT ”号超级望远镜是由4 面直径8 米的薄型物镜组成。
建在地面上的望远镜受到许多限制， 如温度、气流等， 特别是厚厚的大气层吸收了大量的光线。当人类进入太空后， 科学家设想在太空建立天文台， 太空的望远镜会发挥更大的作用。
科学家的设想在1990 年实现了。4 月24 日， 美国“发现号”航天飞机将自重11 吨， 长13 米的“哈勃”( 这是美国著名的天文学家) 太空望远镜送入距地球600 多公里的轨道上。它耗费了20 亿美元的资金。遗憾的是， 它的反射镜的缺陷使“哈勃”望远镜成了近视。美国人说， 这是最大和最贵的“近视眼”。1993 年12 月， 美国宇航员花了12 天的时间对它进行了修理， 以提高它的视力。
20 世纪90 年代建成的这些望远镜大大扩展了人们的视野， 并将人们的眼光探到宇宙深处那壮丽的图景， 为人类在探索宇宙之谜的过程中不断提供更多的和更有价值的信息。
