原来历史上发明第一台望远镜的人是他……

原来历史上发明第一台望远镜的人是他……

2009年被联合国定为国际天文年(International Year of Astronomy)，之所以选择这一年，是因为2009年是伽利略发明天文望远镜400周年。400年来，天文学家、物理学家还有各类工程师们对天文望远镜的不断改进和创新，使得天文学得以飞跃发展，从而让人类能够领略并惊叹于宇宙的大美！本文就来简单讲讲望远镜这400年的历史。早期的望远镜现在公认的第一台天文望远镜是由意大利天文学家伽利略于1609年发明的(有些英国人不认可，他们觉得第一台天文望远镜是英国人发明的)，但第一台望远镜要比这个早一年。1608年，一位名叫Hans Lippershey的荷兰眼镜工匠把一块凸透镜和一块凹透镜对准了放在一起后发现远方的物体变近变大了，这便是有记录可查的第一台望远镜。虽然这个原始模型的望远镜的放大倍率只有3倍，但这个发明迅速在欧洲流传开来。1609年，在威尼斯的伽利略听说了这件事后立即着手进行改进然后只用了一天就做出来一个放大倍率达到30的望远镜。他迫不及待地给议员们展示他的发明，议员们看完后就给了伽利略在Padua大学的终身教习职位并把伽利略的工资涨了一倍(顺便提一下Padua大学是全世界历史最悠久的大学之一，Padua大学的天文系是最早的天文学研究机构之一，对近现代科学的发展起了非常重要的作

用)。伽利略在给议员们展示他发明的天文望远镜伽利略把他的望远镜指向了天空，于是天文望远镜在这一刻诞生了。他成为了人类历史上第一个看到木星的卫星的人(木星的四颗明亮的卫星因此也被称为伽利略卫星)、第一个看到土星光环的人、第一个观察到金星跟月亮一样有盈亏的人、第一个看到月亮表面的环形山和山谷的人、第一个通过观察太阳黑子证明了太阳在自转的人、第一个发现银河是由无数恒星组成的人、第一个。。。他的仪器也第一次被叫做'telescope'，并且后来专门把他这种折射望远镜叫做'伽利略望远镜'。据说伽利略亲手做出的那一批天文望远镜中的其中一个经由传教士带到中国后流落在广州民间。由于不同波长的光在介质中有着不同的折射率，折射望远镜不可避免的存在色差(chromatic aberration)的问题。在17世纪，人们想到的解决色差的办法就是把焦距加长，当焦距足够长的时候，色差就变得可以忽略了。卡西尼在1672年用焦距11米的望远镜发现了土星的第五颗卫星Rhea。对于折射望远镜来说，焦距有多长镜筒就必须要有多长。当时造出的最长镜筒的折射望远镜的焦距达到45米，因为镜筒太长所以在观测的时候需要吊车才能把它固定住，而且由于材质和工艺的问题稍微有一些晃动都会导致镜筒折断等事故。后来惠更斯等人抛弃了镜筒制造出一个直径20厘米焦距达64米的望远镜，Adrien Auzout更是搞出了180米焦距的无镜筒望远镜，但这些怪物很难使用基本

上等于无用。红绿蓝的光线经过透镜后聚焦在不同的位置，导致色差的出现最长镜筒的望远镜，需要吊车帮助指向和固定终于，牛顿出现了！牛顿指出光线通过透镜折射导致色差是无法避免的，那我们就不要用折射了嘛，反射也可以啊。于是，在1669年牛顿制造出第一台镜面(mirror)反射望远镜，被称为‘牛顿式望远镜’。牛顿版的反射镜用的是球面，后来改进为抛物面，之后卡塞格林把第二块反射镜面由平面镜改成了曲面镜大大缩短了镜筒而且并没有牺牲焦距。牛顿式望远镜光路图牛顿式望远镜复制品牛顿那个时代没有镀膜技术，反射镜面都是用金属制作，受材料和工艺的限制发射式望远镜没有得到更大的发展。反而，由于消色差透镜的发明，折射望远镜开始越造越大。1773年，第一台用不同折射率材料制成的组合透镜望远镜被制造出来，色差问题被大大改进了。两个不同材料的透镜组合能减小色差使得不同颜色的光线聚焦在一起近现代大型望远镜折射望远镜需要镜筒来固定镜片，当望远镜做得很大的时候，镜片自身的重量导致镜筒无法支撑和固定它。于是大型折射望远镜在进入20世纪后就停止制造了。投入实际使用的最大折射望远镜是芝加哥大学叶凯士(Yerkes)天文台的40英寸(1.02米)望远镜。历史上不同时期制造出的最大的折射望远镜而反射望远镜由于只需要一面来反射光线，另一面可以跟支撑系统接触，并且得益于20世纪的真空镀膜技术，大型反射望远镜代替

了折射望远镜成为了天文台的主力军，而且开始安放在山顶等不受城市光污染的地区。例如1908年建成的1.5米海尔(Hale)望远镜和1917年建成的胡克(Hooker)望远镜都安置在威尔逊山天文台(Mount Wilson Observatory)。1948年建造完成并安置在帕洛玛山(Mount Palomar)的5米海尔(Hale)望远镜成为了当时世界上最大的望远镜，直到1975年被苏联的6米望远镜BTA-6所超越(BTA-6由于诸多设计问题未能发挥太大作用)。用单块刚性玻璃制作望远镜主镜面有一些技术性限制，直径很难超过八米。因此，蜂巢式拼接镜面成为了建造更大望远镜的既经济又可行的方法。1993年建成的凯克一号和1996年完成的凯克二号望远镜主镜面直径到达了10米。进入21世纪后，大型望远镜的制造实现了跨越式的发展，各种超大型望远镜纷纷被立项建造。下图对众多已经完成和规划中的大型望远镜的大小做了对比，请注意左下角的网球场和右下角的篮球场。大型望远镜大小对比图望远镜的直径越大分辨率就越高，但分辨率还受限于一个我们人类没法控制的因素，那就是大气。1980年代，两种新技术的诞生帮助地面天文观测一定程度上克服了大气扰动的影响，那就是主动光学(active optics)和自适性光学(adaptive optics)。主动光学通过在主镜面背后安装推进器改变镜面的形状从而修正诸如风、温度以及机械装置对望远镜带来的影响。而自适性光学则是通过分析入射光线的波前扭曲情况从而修正望

远镜的辅镜面来达到消除大气扰动的目的。自适性光学系统运作的时候会选择一颗恒星作为参考星，或者干脆向天空打一束激光来人造一颗导星。主动光学所修正的是1赫兹的低频大幅度扰动，而自适性光学所修正的是100-1000赫兹的高频小幅度扰动。安装在镜面背后的推进器自适性光学系统射向天空的激光束哈勃空间望远镜谈望远镜不能不谈一下大名鼎鼎的哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope)，从民间到科学界，人们都不吝于任何美好的词句来赞扬它，比如“哈勃望远镜是人类制造的最有用的科学仪器”“人类历史上最高产的科学设备”“哈勃把遥远的星系带到了你的后院”“哈勃拍摄的图片让人产生一种敬畏和奇迹感”“它给世界带来了一个充满美妙的星系星云和行星的艺术画展”太空中的哈勃望远镜让我们来欣赏一下哈勃望远镜25周年的时候评选出来的最美哈勃图片吧哈勃太空望远镜拍摄的精美照片哈勃太空望远镜拍摄的精美照片哈勃望远镜让我们触及到了宇宙的极早期画面哈勃望远镜于1990年4月24日升空，升空后就发现了对焦问题，然后与1993年进行了第一次维修。最后一次维修(HST-SM4)是在2009年，我在约翰霍普金斯大学读书期间有幸参加了SM4的宇航员与公众的见面会。哈勃的继任者--詹姆士韦伯望远镜(JWST)将于明年2018年升空，而NASA也把哈勃的服役期延长至2021年。原本，NASA计划用航天飞机将退役的哈勃望远镜接回并陈列于博物馆

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