谁架起了我们与星空的桥梁?

谁架起了我们与星空的桥梁?
2020年03月22日 11:24 新浪科技综合

  文章来源:原理

艾萨克·牛顿的反射望远镜。| 图片来源:Matt Brown/Flickr艾萨克·牛顿的反射望远镜。| 图片来源:Matt Brown/Flickr

  1672年1月11日,英国皇家学会会员观看了艾萨克·牛顿(Isaac Newton)的反射望远镜的演示,这个望远镜使用的是镜面成像,而不是自伽利略时代以来就一直使用的透镜成像。后来,英国皇家学会的会员认为牛顿是这一神奇的新仪器的发明者,直到现在牛顿的名字还和这种望远镜联系在一起。

  然而,这种线性的历史叙述掩盖了一段更有趣、更复杂的故事。牛顿的说法立即遭到了另外两位竞争者詹姆斯·格雷戈里(James Gregory)和洛朗·卡塞格林(Laurent Cassegrain)的质疑。更令人困惑的是,最早使用曲面镜聚焦光线的概念比牛顿早了1500多年,而人们最终制造出实用的反射望远镜的时间,又比牛顿晚了半个多世纪。

  反射望远镜的光学原理可以追溯到亚历山大港的希罗(Hero of Alexandria)的反射光学,希罗是公元一世纪的一位数学家、工程师和发明家。他演示了一个弯曲的抛物面镜能够聚焦平行入射光线,从而产生图像。没有证据表明希罗真的建造了反射镜。不过今天,我们经常看到希罗的概念出现在建筑物的屋顶上,也就是卫星电视天线,它将无线电传输集中到一个紧密的信号焦点上。

  在中世纪伊斯兰光学仪器制造者的作品中,再次出现了与曲面镜聚焦特性有关的知识,最有名的是10世纪波斯学者伊本·萨赫勒(Ibn Sahl)的《论取火镜和镜片》(On Burning Mirrors and Lenses)中。不幸的是,伊本·萨赫勒的作品似乎没有造成什么影响,直到20世纪才被重新发现。希罗是意大利文艺复兴时期的艺术家工程师们最喜欢的作家,因此反射望远镜的原理再次出现在列奥纳多·达芬奇(Leonardo da Vinci)未出版的手稿中丝毫不奇怪。但达芬奇的兴趣仍然限于假想,他并没有实际尝试建造这样一个望远镜。

  建造望远镜的“荣誉”属于意大利天文学家尼科洛·祖奇(Niccolò Zucchi),他在《光学哲学》(Optica philosophia,1652)中表示,他在1616年建造了一台带有曲面铜镜的望远镜。由这面镜子在焦点处形成的图像需要放大才能看得见。祖奇利用了为传统的(基于透镜的)折射望远镜所制作的目镜,通过让光线穿过这种目镜来达到放大效果,但是他发现最终的图像被扭曲得无法识别。他意识到了反射望远镜的一个主要问题:磨削和抛光曲面的金属制望远镜反射镜是一项棘手的工作,因为反射镜表面的任何误差都会导致畸变,这种畸变程度是透镜中类似误差所产生的6倍。(在透镜中,光线的弯曲会减弱缺陷的影响,而镜子则会放大缺陷的影响。)

  即使这个望远镜能正常工作,祖奇的望远镜里所包含的也只是一面镜子而已,所以它并不是一个完整的反射望远镜。所有真正的反射望远镜都至少有两面反射镜:一个是形成图像的主镜,另一个是将图像投影到望远镜外的副镜。法国数学家和物理学家马林·梅森(Marin Mersenne)在《宇宙和谐》(Harmonie universelle,1636)中,首次提出了双镜反射望远镜的设计方案。不过他从未试图将他的设计变为现实,可能是他意识到了制造抛物面镜会遇到许多艰巨的问题。

○ 任意直线(L)、焦点(F)和顶点(V)的抛物线。进入抛物面镜的平行光线聚焦在F点。顶点为V,对称轴穿过V和F。对于偏轴的反射望远镜(只有部分抛物面在P1点和P3点之间),接收点仍放置在抛物面的焦点处,但它不会投影到反射望远镜上。| 图片来源:Wikipedia  ○ 任意直线(L)、焦点(F)和顶点(V)的抛物线。进入抛物面镜的平行光线聚焦在F点。顶点为V,对称轴穿过V和F。对于偏轴的反射望远镜(只有部分抛物面在P1点和P3点之间),接收点仍放置在抛物面的焦点处,但它不会投影到反射望远镜上。| 图片来源:Wikipedia

  说到这里,艾萨克·牛顿才在这个故事里出现。1668年左右,牛顿用自己设计的铜锡砷合金制成的镜子,成功地制造出了一台能正常工作的反射望远镜。他做了一点“小手脚”,制造了一个球面镜,虽然这个球面镜无法产生完全精确的图像,但它比抛物面镜更容易磨削和抛光。然而,不要低估牛顿作为一个工匠的能力。他的望远镜足以观察到木星的四颗大卫星。它和当时的许多折射望远镜一样强大,而且更加小巧。

  就在牛顿公开展示他的望远镜的前几年,苏格兰数学家和物理学家詹姆斯·格雷戈里在《光学进展》(Optica promota,1663)中发表了一个略有不同的反射望远镜设计,使用的是抛物面主镜和椭球面副镜。不像梅森,他试图建造出这个设备,他的设计也和祖奇的有所不同,那是一个完整的双镜反射望远镜。尽管格雷戈里聘请了伦敦最好的镜片制造师理查德·里夫(Richard Reeve)来制作镜子,但他还是无法达到产生可用图像所需的质量。

  据说,牛顿的竞争对手罗伯特·胡克(Robert Hooke)在1674年成功地制造出了一个功能正常的格雷戈里望远镜,但它只是个“孤品”,而且没有被保存下来。两年前,是胡克把格雷戈里对牛顿的指控转告给了牛顿。同样是在1672年,医生让-巴蒂斯特·丹尼斯(Jean-Baptiste Denys)在法国一家杂志上发表了一封信,声称他的同胞朗洛·卡塞格林在反射望远镜上享有“优先权”,卡塞格林也曾设计过一个反射望远镜。卡塞格林的情况鲜为人知,包括他或其他人是否在17世纪试图制造出他所设计的望远镜。他的设计使用了抛物面主镜和双曲面副镜,在磨削上特别复杂。

  格雷戈里和卡塞格林的设计并没有立即带来可用的仪器。而牛顿的设计同样没有。尽管与折射式望远镜相比,反射式望远镜有诸多优点,但牛顿的球面镜无法有效地放大,这使它成为了一个在科学上需要进一步探究的问题。

  早期的折射望远镜存在两个主要的光学问题,即球差和色差。首先,一个简单的透镜,它的曲面是一个球的一部分,这是17世纪技术可以达到的唯一可能类型,这种曲面不会把光线聚焦在一个点上,所以它一定会产生畸变图像。这种球差可以通过使用焦距非常长的透镜来减小,但这种解决方案导致望远镜变得越来越长,越来越笨重。第二个问题是色差,这是最初促使牛顿发展反射望远镜的原因。每种颜色的光在通过透镜时都会以略微不同的角度弯曲。这种现象在彩虹里很美。但在折射望远镜中,红光的图像与蓝光的图像之间就会出现一点距离,以此类推,导致模糊的彩色条纹出现。

○ 牛顿望远镜的光路径示意图。| 图片来源:Wikipedia○ 牛顿望远镜的光路径示意图。| 图片来源:Wikipedia

  没有透镜的反射望远镜比简单的折射望远镜能产生更清晰的图像。然而,直到1721年,也就是在牛顿制造出第一台望远镜的50多年后,英国发明家约翰·哈德利(John Hadley)才成功地制造出了一台大型牛顿反射望远镜(并且没有采用牛顿设计的球面镜)。英国皇家学会的成员用克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)的120英尺长的折射望远镜对它进行了测试,并宣布这台牛顿反射望远镜性能优异。哈德利接着又制造了一台能正常工作的格雷戈里望远镜。更重要的是,他能够向当时领先的仪器制造师传授一种可重复的方法,来磨削和抛光金属反射镜,从而能够批量生产高质量的望远镜。

  今天,包括哈勃太空望远镜在内的许多主要天文台都使用反射望远镜。我们应该把这份功劳记在谁的头上?是希罗的构想,是祖奇在建造上的尝试,还是牛顿的成功的原型?又或者,是哈德利让反射望远镜成为了现实?所有这些人的贡献都必不可少,但这不是任何人可以单独完成的工作。

  从这个故事中我们学到的经验远不止适用于这一个事例。对于几乎所有的设备来说,声称一个人是发明者或许都有些问题。概念、演示和实现可能非常不同,连接它们的路径通常不是一条直线,而是一条富有挑战性的、漫长而曲折的道路。

  撰文:Thony Christie(科学史学者,现居德国。)

牛顿反射镜
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