《科学世界》：人类观测宇宙的“眼睛”

望远镜

　　宇宙之谜就是这样逐渐揭开的

　　远在100亿光年之外的星系、巨大的黑洞，还有太阳系之外的行星，诸如此类的天体全都是借助最先进的望远镜发现的。有了这些发现，人类才会对宇宙规模之大、结构之复杂惊叹不已。现代望远镜不仅是利用人眼可见的可见光进行观测，而且也利用了射电波和X射线来探测宇宙的奥秘。现代望远镜究竟是根据什么原理来探测宇宙的？本文从望远镜诞生的历史直到已经在考虑中的未来计划，对天文望远镜的各个方面作了全面介绍。

　　望远镜，顾名思义，本来是“将远处物体放大了看”的意思。然而，日本国立天文台的海部宣男名誉教授却告诉我们：“对于现代望远镜来说，最重要的性能已经不是放大倍数，而首先是‘聚光能力’，其次是‘空间分辨率’(看清细节的能力)。也就是说，对现代望远镜的要求，是要把尽可能多的来自观测对象的光线聚集到一个小点(焦点)上，而且看到的影像还要尽可能清晰。放大影像，只是将光线聚集起来之后再加以放大而已，为的是便于肉眼观看。

　　望远镜的聚光能力取决于它的口径。这里所说的口径，指的是望远镜用来接受光线的透镜或者反射镜的直径。望远镜的口径越大，所聚集的光线才会越多，这样才能够观测到十分暗弱或者十分遥远的天体。例如像昴星团望远镜(口径8.2米)这样的大型望远镜，能够巧妙地将远在100亿光年之外的天体所发出的、来到地球时已经十分微弱的光线聚集起来而拍摄成图像。

　　望远镜能够做的事情绝不仅仅是拍摄天体的图像而已。天体所发出的光包含有各种各样的颜色(波长)。通过观测，分别查清不同颜色的各种成分的强度(用

　　望远镜的出现彻底改变了人们的宇宙观

　　这里，我们首先来回顾一下望远镜400年来的演变，由此能够大致了解天文学的发展脉络。

　　望远镜是在1608年发明的，根据已有的文字资料，发明人是荷兰的一位叫做汉斯·里佩的眼镜商人。当时，玻璃透镜早已经被用在眼镜上。里佩有一次不经意地把两片透镜组合起来对向远处的景物，结果看到的景物被放大了。这就是发明望远镜的故事。伽利略(1564～1642)知道了这项发明，很快于第二年，也就是1609年，自己动手也制成了一架望远镜。

　　早期望远镜使用的是透镜，被称为“折射式望远镜”。伽利略用来观测天体的望远镜，在指向天体的一端(物镜)使用的是凸透镜，在贴近眼睛的一端(目镜)使用的是凹透镜。那种望远镜被称为“伽利略型望远镜”。伽利略不断改进他的望远镜，最后制成了口径为4厘米、放大倍数为30倍的一架质量相当好的望远镜。

　　伽利略把他的望远镜指向天空，观测宇宙，彻底改变了那以前人们一直坚持的对宇宙的看法。例如，那以前，人们曾以为月亮是一个光滑的圆球，而伽利略却在月球表面看到了许多像火山口一样的地貌，竟然崎岖不平。

　　伽利略特别令人吃惊的发现是，木星有四个围绕着它运行的“月亮”。当时，人们普遍坚持的是一种“天动说”，即一切天体都应该围绕着地球中心运行的“地心说”。伽利略发现，除了地球之外，其他星体也有围绕着它运行的天体，这就无异于证明“天动说”是错误的，而“地动说”才是正确的。

　　长40米的悬空望远镜

　　开普勒(1571～1630)在1611年将目镜也改用凸透镜，这就是所谓的“开普勒型望远镜”。伽利略型望远镜，放大倍数虽然可以做得很大，但是视场狭小，这是一个缺点，而开普勒型望远镜，视场比较广阔。因此，那以后，开普勒型望远镜便替代伽利略型望远镜而成为天文观测的主要工具。

　　不论伽利略型望远镜还是开普勒型望远镜都属于折射式望远镜，它们有一个共同的缺点，即存在着“色差”，难以得到轮廓分明的图像。光线进入透镜，行进的路径会发生弯曲，也就是受到折射，而光线弯曲的程度会因光的颜色不同而不同。结果，焦点的位置便会因光的颜色不同而略有偏移。这种现象会使望远镜的成像变得模糊不清。

　　减小色差的一个方法是把透镜做得很薄，这样一来，为了成像，望远镜的镜筒就不得不做得很长。因此，在17世纪中叶，那些大型天文望远镜的镜筒都很长，需要用一些长立柱把它们悬吊在空中。当时甚至还能够看到长达40米的望远镜，在今天看来样子有点古怪。

　　为了适应更大的口径，“反射式望远镜”成为主角

　　进入18世纪，出现了一种将多块凸透镜和凹透镜组合起来消除了色差的“消色差透镜”，利用这种复合透镜制成的望远镜使观测精度一下子得到大幅度提高。然而，折射式望远镜面临的一个最大障碍是难以得到大直径的透镜，因此，在20世纪初一架口径为1米的最大的折射式望远镜问世之后，折射式望远镜就从天文观测的一线退了下来。

　　在20世纪担当天文观测主角的望远镜是牛顿(1642～1727)在1672年发明的“反射式望远镜”(见左下侧图解)。在这种类型的望远镜中，没有使用透镜，而是使用了凹面的“反射镜”来聚集光线。这就避免了折射所引起的色差问题。现在，用于天文研究的望远镜全都是反射式望远镜。

　　反射式望远镜越做越大，极大地延伸了天文学的观测和研究范围。位于美国加利福尼亚州的威尔逊山天文台在1917年建成一架口径为2.5米的望远镜(胡克望远镜)，哈勃(1889～1953)用它进行观测，查明仙女座大星云原来是位于银河系外面的另一个“星系”。那以后，天文学家才认识到宇宙中存在着无数个由千亿颗恒星所组成的星系。这样一种对宇宙的认识就是利用大型反射式望远镜对宇宙进行观测获得的。

　　(更多精彩内容请阅览《科学世界》2007年5月号）