遥望宇宙深处的“眼睛”

胡平 汤乐明

时间如何开始？宇宙如何起源？生命从何而来，又向何处去？人类是否是宇宙中唯一的智慧生命？外星人存在吗？如果存在他们又在哪儿呢？占宇宙质量绝大部分的暗物质和暗能量，它们的本质是什么？古往今来，人们孜孜不倦地思考着这些问题。这些问题的研究和突破依赖于已历经400年发展进步、不断壮大的天文望远镜。

望远镜的诞生：

伽利略与开普勒的创新

古人的智慧是伟大的，早在东汉时期，天文学家张衡就发明了世界上最早的天文望远镜——浑天仪;元代天文学家郭守敬1276年创制的简仪，是最早的赤道经纬仪。现代光学天文观测从何而起呢？

1608年，荷兰眼镜商汉斯·李普希偶然发现凹透镜和凸透镜组合可以看清远处的景物，由此制成第一架望远镜。当时的望远镜并没有用于天文观测，而是作为舰队军事装备。

1609年，意大利科学家伽利略研制出第一台应用于天文观测的光学望远镜，发现望远镜具有增强聚光能力和放大视角的作用。最初他制作的简易望远镜只能放大3倍，经过几个月的改进，伽利略制成了可放大32倍的望遠镜。伽利略用这个划时代的天文仪器观测到一些令人惊奇的现象：夺目的太阳上竟然有黑子;月亮上有的地方平原千里，有的地方却高山耸峙;木星有四个小卫星围绕其旋转，而且它们的位置是经常变化的，就像月亮围绕地球旋转一样。

1611年，德国科学家开普勒发明了物镜和目镜均采用凸透镜的另一种折射式望远镜。这种望远镜的目镜在物镜焦点之后，可以放置十字丝。由于不同的光在介质中有着不同的折射率，折射望远镜不可避免地存在色差。17世纪，解决色差的办法是把焦距加长：当焦距足够长时，色差就变得可以忽略了。然而，焦距决定了镜筒的长度，使得当时最长的望远镜有45米。这便是早期的透射式光学望远镜。

望远镜的发展：

大口径反射式望远镜时代

近代以来，大口径光学望远镜的发展才真正意义上将反射式望远镜和透射式望远镜彻底分开，并占据统治地位。反射式大口径望远镜同透射式大口径望远镜相比，具有无色差、对材料均匀性要求低、重量较轻、尺寸相对较小、结构简单、容易运行和维护等优势。

当然，在望远镜的大家族里，并不只有光学望远镜，还有射电望远镜。射电望远镜的原理与反射式光学望远镜相似，入射的电磁波被反射镜面反射后，同相到达公共焦点。用旋转抛物面作为镜面易于实现同相聚焦，因此，我们看到的射电望远镜镜面往往是抛物面。

不论是光学望远镜，还是射电望远镜，在未来，更大口径依然是望远镜的发展趋势。同时，研究者也在寻求更好的平台，如空间、月球以及其他星系等。

望远镜的意义：

以天之语，解物之道

天文学家在宇宙观测时获取信息的通道有：电磁波、宇宙线、中微子、引力波。其中，电磁波是获取信息的主要通道。

在激光通信领域，2016年我国墨子号量子科学实验卫星专项的星地高速量子密钥分发实验中，中国科学院光电技术研究所研制的4个地面站（望远镜）对量子密钥分发实验起到了至关重要的作用。实验中，卫星捕捉到地面站发来的光束（信标光），并将该光束会聚到探测器中心;捕获完成后，卫星发出一光束，该光束准确地指向地面望远镜;地面望远镜接收到光束，完成捕获过程，使得卫星和地面站最终达到通信连接状态。

太阳大气探测也是如今天文学以及天体物理学领域的一个重要问题。太阳是距离地球最近的恒星，如果能更加了解它，就有助于我们探索宇宙的奥秘，同时预防太阳对地球的危害。望远镜的其他应用还有卫星成像、激光雷达等。

“路曼曼其修远兮，吾将上下而求索。”畏葸不前只会错失良机。我们相信，作为人类对话宇宙的利器，望远镜及其传奇故事必将继续演绎下去，谱写出新的篇章。

（选自《百科知识》2020年第18期）

训练

1.伽利略望远镜与开普勒望远镜有什么区别？

答：

2.现代天文望远镜主要有哪些用途？

答：

【孙俊强/供稿】