望远镜： 只为“看”得更远、“看”得更清

杨冬魏

浩瀚的宇宙中有各种不同的天体，各种天体都有各自美丽的身影。月球上的环形坑、火星上的火山湖痕迹、木星上漂亮的大红斑、哈雷彗星那神奇的尾巴、浪漫的牛郎星与织女星……这些美丽又遥远的身影是如何被我们“看”到的呢？其中，望远镜功不可没。

从第一架望远镜的诞生到今天，许多科技工作者不懈努力，推动着望远镜技术的进步，他们始终心怀着一个永恒的目标——只为“看”得更远、“看”得更清。

中国古代对“望远”的追求

中国古代的神话中就有“千里眼”这个神仙，而在三星堆遗址中，人们发现了古人对望远镜遐想的雕塑——青铜纵目大面具，从眼中伸展出的那部分，就是望远镜的原始形态，反映了古人对“望远”的追求与渴望。

清代的郑复光在光学实验、光学仪器的制造方面造诣颇深，于道光初年写出了一部系统阐述几何光学原理、光学仪器原理和制镜技术的科学专著《镜镜詅痴》，這是我国第一部光学物理专著。清道光十五年（1835年），他在北京以《镜镜詅痴》中的理论为指导，制造出我国第一架测天望远镜，并用于观测天象。

世界第一架望远镜的出现

1608年，在荷兰的一个眼镜作坊里，一名学徒在玩耍，当他用一前一后两块镜片观察物体时，发现远处的物体离自己很近。作坊老板李波尔赛意识到这是一项新的发现，他马上把两块镜片装入一个筒内，组装成了世界上第一架望远镜。而且李波尔赛不失时机地将这一发明转化成商品，并把这一发明献给政府。

正是有了望远镜的帮助，荷兰舰队能在敌舰发现他们之前就先行发现敌舰的动向，取得了战争的主动权，使荷兰成为一个海上强国。

折射式望远镜的发展

李波尔赛发明望远镜后的第二年，消息传到了意大利，著名物理学家、天文学家伽利略意识到这一发明对天文观测的重大意义。他动手制作了一架口径4.2厘米、长约1.2米的望远镜，用平凸透镜作为物镜、凹透镜作为目镜。这种光学系统被称为“伽利略式望远镜”。伽利略用这架望远镜指向天空，观测到了木星最大的4颗卫星和月球上的环形山等一系列重要成果。天文学从此进入了望远镜时代。

1611年，德国天文学家开普勒用两片双凸透镜分别作为物镜和目镜，使放大倍数有了明显的提高。人们将这种光学系统称为“开普勒式望远镜”。

现在，人们用的折射式望远镜还是这两种形式，天文望远镜普遍采用“开普勒式望远镜”。

19世纪末，随着制造技术的提高，制造较大口径的折射式望远镜成为可能，随之就出现了一个制造大口径折射式望远镜的高潮。最有代表性的是1897年建成的口径102厘米的叶凯士望远镜和1886年建成的口径91厘米的里克望远镜。

折射式望远镜的优点是焦距长、底片比例尺大、对镜筒弯曲不敏感，最适合于做天体测量方面的工作。但是，它总是有残余的色差，同时对紫外、红外波段的辐射吸收很厉害。而且巨大的光学玻璃浇制也十分困难，到1897年叶凯士望远镜建成，折射式望远镜的发展达到了顶点。

反射式望远镜的发展

科学“大咖”牛顿多次磨制非球面的透镜均告失败后，决定采用球面反射镜作为主镜。他用金属磨制成一块凹面反射镜，并在主镜的焦点前面放置了一个与主镜成45°角的反射镜，使经主镜反射后的会聚光再经反射镜以90°角反射出镜筒后到达目镜。它被称为“牛顿望远镜”。牛顿望远镜的原理并不是采用玻璃透镜使光线折射或弯曲，而是使用一个弯曲的镜面将光线反射到一个焦点之上，属于反射式望远镜。用反射代替折射，不存在色差，能让人们“看”得更清。而且这种方法比使用透镜将物体放大的倍数要提高数倍，让人们“看”得更远。

之后，科学家集中反射镜和透镜的优点，发明了折反射式望远镜。主镜是球面反射镜，副镜是一个透镜，用来矫正主镜的像差。此类望远镜视场大、光力强，适合观测流星、彗星以及巡天寻找新天体。

射电望远镜的发展

美国人雷伯在1937年制造成功人类历史上第一台射电望远镜。射电望远镜通过观测和研究来自天体的射电波，进而“看”到遥远的天体。射电望远镜的基本原理和光学反射式望远镜相似，投射来的电磁波被一精确镜面反射后，同相到达公共焦点。用旋转抛物面作镜面，易于实现同相聚集。因此，射电望远镜的天线大多是抛物面。

此后，射电望远镜的历史便是不断提高分辨率和灵敏度的历史，以期“看”得更远、“看”得更清。目前，世界上“看”得最远、“看”得最清的射电望远镜是坐落在我国贵州的“观天巨眼”——FAST，口径达500米，是当前世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜。

射电波可以穿过光波无法通过的气体、尘埃，观测到光学方法所不能观测到的地方。例如，银河系中心方向存在大量的气体尘埃，现在关于银河系旋涡结构的图像，就是通过射电望远镜观测取得的。

但人类追求进步的脚步从未停歇，为了减少大气层在天文观测时的干扰作用，人们又把望远镜送上了太空。

太空望远镜

哈勃空间望远镜以美国天文学家爱德温·哈勃为名，于1990年4月成功发射。由于它位于地球大气层之外，因此具有地基望远镜所没有的好处：影像不受大气湍流的扰动、视相度绝佳，且无大气散射造成的背景光，还能观测到会被臭氧层吸收的紫外线。作为人类第一台空间望远镜，哈勃空间望远镜为人类的宇宙探索事业贡献了无数珍贵的照片。

为了接替即将“退休”的哈勃空间望远镜，2021年12月，新一代功能更强大的詹姆斯·韦布空间望远镜发射升空并于2022年7月正式工作，期待它有更远、更清、更美的新发现。

从第一架望远镜诞生至今虽然只有短短400多年，但是“望远”理论的创新和“望远”技术的进步推动着望远镜实现了跨越式的发展，人们更清楚地“看”到了更远的地方。当然，人类的奋斗不会停止，会向“看”得更远、“看”得更清而努力，也一定会“看”得更远、“看”得更清。