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图说天文望远镜400周年系列连载之三
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(BonentufaCalieri,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(NiccoloZucchi,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(JamesGregory,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(RobertHooke,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(SirlsaacNewton,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.
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.
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凸面反射镜,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.
卡塞格林式望远镜和格里高里式望远镜
牛顿的望远镜在伦敦引起轰动之后几个月,一个叫劳伦特卡塞格林(LaurentCassegrain,1629～1693)的法国物理学教授提出了另一种反射望远镜设计方案：结构和格里高里的望远镜类似,不同的是副镜提前到主镜的焦点之前,并且是凸面镜.这样的设计使经副镜反射的光线稍有些发散,放大率有所下降,但是其优点是不仅消除了球差,而且可以使望远镜的焦距很短.另外,主镜中间有一小孔让光线通过,目镜装在望远镜的尾部,当望远镜越造越大时,这样的光路设计就越来越显示出它的优越性.
格里高里和卡塞格林设计的反射望远镜有许多优点,后来这两种望远镜的光路原理得到了广泛的应用,而且不光是用在光学望远镜中,就是其他波段的望远镜也借鉴了他们的光路原理,譬如许多射电望远镜都是采用卡塞格林式或格里高里式的.