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http://finance.sina.com   2020年03月21日 20:24   北京新浪網

  文章來源:原理

艾薩克·牛頓的反射望遠鏡。| 圖片來源:Matt Brown/Flickr艾薩克·牛頓的反射望遠鏡。| 圖片來源:Matt Brown/Flickr

  1672年1月11日,英國皇家學會會員觀看了艾薩克·牛頓(Isaac Newton)的反射望遠鏡的演示,這個望遠鏡使用的是鏡面成像,而不是自伽利略時代以來就一直使用的透鏡成像。後來,英國皇家學會的會員認爲牛頓是這一神奇的新儀器的發明者,直到現在牛頓的名字還和這種望遠鏡聯繫在一起。

  然而,這種線性的歷史敘述掩蓋了一段更有趣、更復雜的故事。牛頓的說法立即遭到了另外兩位競爭者詹姆斯·格雷戈裏(James Gregory)和洛朗·卡塞格林(Laurent Cassegrain)的質疑。更令人困惑的是,最早使用曲面鏡聚焦光線的概念比牛頓早了1500多年,而人們最終制造出實用的反射望遠鏡的時間,又比牛頓晚了半個多世紀。

  反射望遠鏡的光學原理可以追溯到亞歷山大港的希羅(Hero of Alexandria)的反射光學,希羅是公元一世紀的一位數學家、工程師和發明家。他演示了一個彎曲的拋物面鏡能夠聚焦平行入射光線,從而產生圖像。沒有證據表明希羅真的建造了反射鏡。不過今天,我們經常看到希羅的概念出現在建築物的屋頂上,也就是衛星電視天線,它將無線電傳輸集中到一個緊密的信號焦點上。

  在中世紀伊斯蘭光學儀器製造者的作品中,再次出現了與曲面鏡聚焦特性有關的知識,最有名的是10世紀波斯學者伊本·薩赫勒(Ibn Sahl)的《論取火鏡和鏡片》(On Burning Mirrors and Lenses)中。不幸的是,伊本·薩赫勒的作品似乎沒有造成什麼影響,直到20世紀才被重新發現。希羅是意大利文藝復興時期的藝術家工程師們最喜歡的作家,因此反射望遠鏡的原理再次出現在列奧納多·達芬奇(Leonardo da Vinci)未出版的手稿中絲毫不奇怪。但達芬奇的興趣仍然限於假想,他並沒有實際嘗試建造這樣一個望遠鏡。

  建造望遠鏡的“榮譽”屬於意大利天文學家尼科洛·祖奇(Niccolò Zucchi),他在《光學哲學》(Optica philosophia,1652)中表示,他在1616年建造了一臺帶有曲面銅鏡的望遠鏡。由這面鏡子在焦點處形成的圖像需要放大才能看得見。祖奇利用了爲傳統的(基於透鏡的)折射望遠鏡所製作的目鏡,通過讓光線穿過這種目鏡來達到放大效果,但是他發現最終的圖像被扭曲得無法識別。他意識到了反射望遠鏡的一個主要問題:磨削和拋光曲面的金屬製望遠鏡反射鏡是一項棘手的工作,因爲反射鏡表面的任何誤差都會導致畸變,這種畸變程度是透鏡中類似誤差所產生的6倍。(在透鏡中,光線的彎曲會減弱缺陷的影響,而鏡子則會放大缺陷的影響。)

  即使這個望遠鏡能正常工作,祖奇的望遠鏡裏所包含的也只是一面鏡子而已,所以它並不是一個完整的反射望遠鏡。所有真正的反射望遠鏡都至少有兩面反射鏡:一個是形成圖像的主鏡,另一個是將圖像投影到望遠鏡外的副鏡。法國數學家和物理學家馬林·梅森(Marin Mersenne)在《宇宙和諧》(Harmonie universelle,1636)中,首次提出了雙鏡反射望遠鏡的設計方案。不過他從未試圖將他的設計變爲現實,可能是他意識到了製造拋物面鏡會遇到許多艱鉅的問題。

  ○ 任意直線(L)、焦點(F)和頂點(V)的拋物線。進入拋物面鏡的平行光線聚焦在F點。頂點爲V,對稱軸穿過V和F。對於偏軸的反射望遠鏡(只有部分拋物面在P1點和P3點之間),接收點仍放置在拋物面的焦點處,但它不會投影到反射望遠鏡上。| 圖片來源:Wikipedia  ○ 任意直線(L)、焦點(F)和頂點(V)的拋物線。進入拋物面鏡的平行光線聚焦在F點。頂點爲V,對稱軸穿過V和F。對於偏軸的反射望遠鏡(只有部分拋物面在P1點和P3點之間),接收點仍放置在拋物面的焦點處,但它不會投影到反射望遠鏡上。| 圖片來源:Wikipedia

  說到這裏,艾薩克·牛頓才在這個故事裏出現。1668年左右,牛頓用自己設計的銅錫砷合金製成的鏡子,成功地製造出了一臺能正常工作的反射望遠鏡。他做了一點“小手腳”,製造了一個球面鏡,雖然這個球面鏡無法產生完全精確的圖像,但它比拋物面鏡更容易磨削和拋光。然而,不要低估牛頓作爲一個工匠的能力。他的望遠鏡足以觀察到木星的四顆大衛星。它和當時的許多折射望遠鏡一樣強大,而且更加小巧。

  就在牛頓公開展示他的望遠鏡的前幾年,蘇格蘭數學家和物理學家詹姆斯·格雷戈裏在《光學進展》(Optica promota,1663)中發表了一個略有不同的反射望遠鏡設計,使用的是拋物面主鏡和橢球面副鏡。不像梅森,他試圖建造出這個設備,他的設計也和祖奇的有所不同,那是一個完整的雙鏡反射望遠鏡。儘管格雷戈裏聘請了倫敦最好的鏡片製造師理查德·裏夫(Richard Reeve)來製作鏡子,但他還是無法達到產生可用圖像所需的質量。

  據說,牛頓的競爭對手羅伯特·胡克(Robert Hooke)在1674年成功地製造出了一個功能正常的格雷戈裏望遠鏡,但它只是個“孤品”,而且沒有被保存下來。兩年前,是胡克把格雷戈裏對牛頓的指控轉告給了牛頓。同樣是在1672年,醫生讓-巴蒂斯特·丹尼斯(Jean-Baptiste Denys)在法國一家雜誌上發表了一封信,聲稱他的同胞朗洛·卡塞格林在反射望遠鏡上享有“優先權”,卡塞格林也曾設計過一個反射望遠鏡。卡塞格林的情況鮮爲人知,包括他或其他人是否在17世紀試圖製造出他所設計的望遠鏡。他的設計使用了拋物面主鏡和雙曲面副鏡,在磨削上特別複雜。

  格雷戈裏和卡塞格林的設計並沒有立即帶來可用的儀器。而牛頓的設計同樣沒有。儘管與折射式望遠鏡相比,反射式望遠鏡有諸多優點,但牛頓的球面鏡無法有效地放大,這使它成爲了一個在科學上需要進一步探究的問題。

  早期的折射望遠鏡存在兩個主要的光學問題,即球差和色差。首先,一個簡單的透鏡,它的曲面是一個球的一部分,這是17世紀技術可以達到的唯一可能類型,這種曲面不會把光線聚焦在一個點上,所以它一定會產生畸變圖像。這種球差可以通過使用焦距非常長的透鏡來減小,但這種解決方案導致望遠鏡變得越來越長,越來越笨重。第二個問題是色差,這是最初促使牛頓發展反射望遠鏡的原因。每種顏色的光在通過透鏡時都會以略微不同的角度彎曲。這種現象在彩虹裏很美。但在折射望遠鏡中,紅光的圖像與藍光的圖像之間就會出現一點距離,以此類推,導致模糊的彩色條紋出現。

○ 牛頓望遠鏡的光路徑示意圖。| 圖片來源:Wikipedia○ 牛頓望遠鏡的光路徑示意圖。| 圖片來源:Wikipedia

  沒有透鏡的反射望遠鏡比簡單的折射望遠鏡能產生更清晰的圖像。然而,直到1721年,也就是在牛頓製造出第一臺望遠鏡的50多年後,英國發明家約翰·哈德利(John Hadley)才成功地製造出了一臺大型牛頓反射望遠鏡(並且沒有采用牛頓設計的球面鏡)。英國皇家學會的成員用克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)的120英尺長的折射望遠鏡對它進行了測試,並宣佈這臺牛頓反射望遠鏡性能優異。哈德利接着又製造了一臺能正常工作的格雷戈裏望遠鏡。更重要的是,他能夠向當時領先的儀器製造師傳授一種可重複的方法,來磨削和拋光金屬反射鏡,從而能夠批量生產高質量的望遠鏡。

  今天,包括哈勃太空望遠鏡在內的許多主要天文臺都使用反射望遠鏡。我們應該把這份功勞記在誰的頭上?是希羅的構想,是祖奇在建造上的嘗試,還是牛頓的成功的原型?又或者,是哈德利讓反射望遠鏡成爲了現實?所有這些人的貢獻都必不可少,但這不是任何人可以單獨完成的工作。

  從這個故事中我們學到的經驗遠不止適用於這一個事例。對於幾乎所有的設備來說,聲稱一個人是發明者或許都有些問題。概念、演示和實現可能非常不同,連接它們的路徑通常不是一條直線,而是一條富有挑戰性的、漫長而曲折的道路。

  撰文:Thony Christie(科學史學者,現居德國。)

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