牛頓望遠鏡

　 　折射望遠鏡的巔峰

　　折射望遠鏡曾經為天文學帶來了眾多的新發現。對此，我們可以再次從伽利略說起。1610年，伽利略從望遠鏡中看到，土星兩側仿佛各有一個附屬物。他想，也許它們是土星的衛星吧？然而，日復一日，這兩個附屬物卻越縮越小，兩年後，竟然完全消失不見了。更使伽利略大惑不解的是，1616年，那些奇怪的附屬物又在他的望遠鏡中出現了。這位科學老人終其一生也沒弄明白那究竟是什麼東西。

　　1629年在海牙出生的惠更斯熱衷于研磨透鏡，並得到猶太裔的荷蘭著名哲學家、技藝高超的磨鏡行家斯賓諾莎的幫助。惠更斯的望遠鏡遠勝于伽利略的那些，這使他在1656年終于看清，那些奇怪的附屬物原來是環繞土星的一圈光環。惠更斯正確地解釋了土星光環形狀不斷變化的原因︰它以不同的角度朝向我們，當我們朝它的側邊看去時，薄薄的光環便仿佛消失不見了。

　　1655年3月25日，惠更斯發現了土星的第一顆衛星，它被命名為泰坦。泰坦是一個巨人神族。他們都是天神和地神的孩子，每個成員又各有自己的名字。後來，新發現的土衛越來越多了，泰坦被編號為土衛六。它是一顆巨大的衛星，每16天就繞土星轉一圈。今天我們知道，其大氣組成成分與地球大氣相仿。

　　然後，卡西尼于1671年10月發現了土衛八，1672年12月發現了土衛五，1684年3月又發現了土衛三和土衛四。1675年，卡西尼發現土星光環中有一道又細又暗的縫隙，後來稱為卡西尼環縫。環縫外側的那部分光環叫做A環，環縫里側的部分則叫B環。1837年，恩克又發現A環內部還有一道縫隙，後來稱為恩克環。

　　1898年，美國天文學家威廉?亨利?皮克林發現了土衛九。它到土星的距離遠達1300萬千米，為月球到地球距離的33倍有余。它是19世紀發現的最後一顆衛星，也是人們使用照相方法發現的第一顆衛星。

　　19世紀初，年輕的德國光學家夫瑯和費制成一塊直徑24厘米的優質透鏡，用它造出了當時世界上最大最好的折射望遠鏡。望遠鏡裝在一根軸上，使之可以俯仰；軸又裝在一個輪子上，使之可沿水平方向轉動。夫瑯和費為它設計的平衡裝置非常精妙，以至于用一個手指就可以推動這架鏡身長4.3米的折射鏡。

　　也是在19世紀上半期，一個只有幾十年歷史的新興國家——美國加入了天文望遠鏡的競賽。一位鐘表匠威廉?克蘭奇?邦德自學成材，于1847年被任命為哈佛學院天文台台長。他是天體照相技術的先驅，致力于將天體的像聚焦到照相底片上，而不是聚焦在眼楮的視網膜上。1849年12月18日，他用一架公眾捐款建造的38厘米折射望遠鏡，拍攝了月球照片。在20分鐘曝光期間，望遠鏡靠鐘表機構帶動，始終對準月球。這張照片太逼真了！他的兒子喬治?菲利普斯?邦德把它帶到在倫敦“水晶宮”舉辦的第一屆萬國博覽會上，引起了巨大的轟動。

　　以肖像畫為業的美國人阿爾萬?克拉克渴望磨制透鏡。他仔細考察了邦德那架38厘米的折射鏡，並檢測了它與理想狀況的微小偏離。然後，他關閉畫室，潛心研究怎樣才能磨制出比它更好的透鏡。後來，他在兒子阿爾萬?格雷厄姆?克拉克的幫助下開了一家工廠。1870年，克拉克父子接下美國海軍天文台建造66厘米折射望遠鏡的定單。它的透鏡重達45千克，鏡身長13米，質量極佳。

　　美國金融家利克在1849年加利福尼亞黃金熱期間，在不動產方面賺了不少錢。他渴望為自己樹碑立傳，便于1874年宣稱，將留下70萬美元—— 這在當時遠比現在值錢得多，用來建造一架比當時所有的天文望遠鏡都更大更好的望遠鏡。工作主要由小克拉克承擔，14年後，一塊口徑91厘米的透鏡終于制成，並裝入長18.3米的鏡筒。這架折射望遠鏡被命名為利克望遠鏡，于1888年1月3日正式啟用。利克幾年前就去世了，根據他臨終時的要求，他的遺體埋在安裝望遠鏡的基墩里。它所在的那個天文台坐落于加利福尼亞州北部聖何塞以東21千米的漢密爾頓山上，被命名為利克天文台。

　　1892年，天文學家巴納德使用利克望遠鏡發現了木星的第五顆衛星，即木衛五。它的直徑只有110千米，還不及北京到天津那麼長。木衛五離木星表面僅108000千米。發現這樣又小又暗的天體——況且它又如此接近木星本身佔壓倒優勢的光輝，必須擁有極好的透鏡和極敏銳的眼楮，巴納德很幸運地兩者兼備了。木衛五是用眼楮發現的最後一個太陽系天體。此後，這類發現就要歸功于望遠鏡上的照相設備以及空間時代更新穎的技術了。

　　南加利福尼亞大學想要擁有一架比利克望遠鏡更好的折射望遠鏡，遂向克拉克訂購一塊102厘米的透鏡。但是，在克拉克為此投入2萬美元之後，這所大學卻無法籌齊所需的資金。幸好，天文學家喬治?埃勒里?海爾這時前來解圍了。

　　當時，海爾才20多歲，是芝加哥大學天體物理學助理教授。他獲悉金融家查爾斯?葉凱士控制了整個芝加哥的交通，用不甚正當的手段賺得了巨額錢財。為什麼不想法把這種不義之財用來發展科學呢？于是，從1892年起，海爾就盯上了葉凱士這個獵物。

　　海爾生于1868年6月29日，從小愛讀文學名著和詩。他意志堅強又嫻于辭令，在他的不斷游說下，葉凱士不由得把錢一點一點地掏出了腰包。最後這位金融家為新望遠鏡和安裝它的新天文台提供的款項總額達到了349000美元。這個數字的實際價值要比今天高得多！

　　海爾在芝加哥西北約130千米處選了一個地點，葉凱士天文台就建在那里。1895年10月，年逾花甲的小克拉克為海爾磨好了102厘米的透鏡，它重達230千克，裝在一架長逾18米的望遠鏡里。整個望遠鏡重達18噸，但是平衡極佳，用很小的推力就可以讓它轉動並瞄準天空的任何部分。

　　1897年5月21日，這架折射望遠鏡首次啟用。小克拉克在目睹折射望遠鏡的這一輝煌勝利之後三個星期去世了。今天，葉凱士望遠鏡和利克望遠鏡依然在世界上保持著折射望遠鏡的冠軍和亞軍稱號。

　　事實上，折射望遠鏡已經達到它的巔峰，它的路也走到了盡頭。首先，極難得到可供制造透鏡的尺寸很大而又完美無暇的光學玻璃。整個19世紀和20 世紀的技術進展，並未使造出一塊足以超越葉凱士折射望遠鏡的透鏡玻璃變得更容易些。其次，因為光線必須透過整塊玻璃，所以透鏡只能在邊緣上支承。巨型透鏡分量很重，得不到支撐的透鏡中央部分就會往下凹陷，整塊透鏡就會變形。透鏡的尺寸越大，問題也就越嚴重。

　　那麼，另一方面，反射望遠鏡的情形又如何呢？

　　 從“列維亞森”到帕洛馬山

　　 “列維亞森”的時代

　　威廉.赫歇爾的金屬鏡面大型反射望遠鏡尚“健在”時，就有人決心要在這方面超過他，後者就是愛爾蘭人威廉?帕森斯。

　　威廉?帕森斯1800年6月17日生于英國的約克，1841年，他子襲父位，成為第三代羅斯伯爵，後世天文學家普遍稱他為羅斯。1845年，愛爾蘭將他選進上議院。他是一位真正的貴族，在著名天文學家中，出自如此“高貴門第”的人為數極少。

　　羅斯的最大嗜好，就是建造世界上最大的望遠鏡。他有足夠的金錢，有充裕的時間，有必要的技術知識，還可以訓練佃戶來干活。他將望遠鏡安置在自家的領地上，那里的地名叫比爾，幾乎位于愛爾蘭島的正中央。遺憾的是，當地氣候不佳，故對天文觀測很不相宜。

　　羅斯花了5年時間，才研究出一種適合制造反射鏡的銅錫合金。他從1827年開始，先造了一面直徑38厘米的反射鏡，接著又造了直徑61厘米的，1840年又造出一面91厘米的反射鏡。1842年，羅斯開始鑄造一塊直徑1.84米的反射鏡，它的面積是赫歇爾那架最大的望遠鏡的2.25倍。那年 4月13日，反射鏡鑄成，然後緩慢地冷卻了16個星期。鏡面磨好後，剛要裝到望遠鏡上就開裂了。羅斯只好重新鑄造，直到第五次才大功告成。

　　這架望遠鏡的鏡筒用厚木板制成，並用鐵箍加固。鏡筒長17米，直徑2.4米。為了擋風，鏡筒安置在兩道高牆之間。每道牆高17米，長22米，沿南北走向，因此望遠鏡基本上只能沿南北方向觀測，在東西方向最多只能偏轉15o。

　　這塊反射鏡重達3.6噸，把它裝進鏡筒很不容易，直到1845年2月才能測試和使用。為了與赫歇爾一比高下，羅斯觀測了赫歇爾曾經研究過的各種星雲。他發現梅西葉表中的M51看上去像是旋渦狀的，遂使人們在1845年知道了第一個“旋渦星雲”。1848年，羅斯發現梅西葉表中的頭號天體M1內部貫穿著許多不規則的明亮細線。羅斯覺得它很像一只螃蟹，故稱其為“蟹狀星雲”，這個名字一直沿用至今。日後的事實證明，這兩項發現都具有頭等重要的意義。

　　羅斯這架巨大的望遠鏡，通常以“列維亞森”(Leviathan)著稱。“列維亞森”原是《聖經?舊約》中描述的一種海怪，中文版《聖經》將它譯為“鱷魚”。它鱗甲堅固，牙齒可畏，鼻孔冒煙，刀槍不入，力大無窮；它視鐵為干草、銅為爛木，實為水族之王。後來，英語中就用“列維亞森”來稱呼那些龐然大物，例如巨型輪船、強大的國家或極有權勢的人。

　　英國釀酒師拉塞爾也想建造大的反射望遠鏡，就在1844年參觀了羅斯的領地，考察“列維亞森”是如何制造的。拉塞爾造了一架口徑61厘米的望遠鏡，繼而又造了一架1.22米的反射望遠鏡。他的鏡子不如羅斯的那麼大，但在另外兩方面卻超過了羅斯。

　　首先，拉塞爾率先把夫瑯和費裝在折射望遠鏡上的那種裝置用到了反射望遠鏡上，從而使操作變得非常方便。此外，他強烈地意識到，天文台必須建造在大氣條件適宜觀測的地方，于是把自己的儀器運到當時的英國屬地馬耳他島。

　　羅斯的“列維亞森”存在了60年，它老了，變得搖搖晃晃。1908年，他的一個孫子把它卸了下來。它沒有做出太多的天文發現，但為它的制造者增添了生活樂趣。

　 　海爾的杰作

　　金屬鏡面很重，價格昂貴，易于腐蝕，而且隨環境溫度變化還會顯著變形。于是人們又想到了玻璃，它的重量比較輕，價格低廉，耐腐蝕，比金屬更容易研磨成形，經過拋光可以變得非常光潔。但問題在于玻璃很透明，怎樣用它來制造反射鏡呢？

　　人們發明了在玻璃上鍍銀的方法。沉積在玻璃上的銀膜很牢固，可以輕輕地拋光，從而可以高效地反射光線。20世紀初葉，鍍鋁技術取代了鍍銀。鋁膜可以將落到它上面的光反射82%，新鍍的銀膜卻只能反射65%。

　　1908年，海爾建成一架口徑153厘米的反射望遠鏡。當然，其鏡面是玻璃的。它安裝在加利福尼亞州帕薩迪納附近的威爾遜山天文台上。該台于1905年落成，海爾親任台長。

　　在此之前，海爾已經說服一位洛杉磯商人胡克投資建造一架口徑212厘米的大型反射望遠鏡。胡克急于將自己的名字與世界上最大的望遠鏡聯系在一起，並且不希望很快就被別人超過，所以甚至主動增加了贈款，希望將望遠鏡的口徑增大到254厘米，即恰好100英寸。

　　第一次世界大戰延誤了計劃，但後來總算順利。這架望遠鏡全重達90噸，于1917年11月啟用。它操作方便，能以很高的精度跟蹤恆星。長達30年之久，它一直是世界上的反射望遠鏡之王，並為天文學作出了卓越的貢獻。

　　1923年，海爾因身體欠佳退休了。隨著帕薩迪納、尤其是洛杉磯的迅速發展，夜晚的城市燈光嚴重地威脅著威爾遜山的天文觀測。“退休”的海爾又到威爾遜山東南約145千米處另覓了一處台址，它在帕洛馬山上，當時人類尚未開發這塊處女地。他決定在那兒建一架口徑508厘米(200英寸)的反射望遠鏡，1929年從洛克菲勒基金會獲得一筆款子，他便著手干了起來。

　　人們為這項浩大的工程付出了史詩般的巨大努力。508厘米的反射鏡比先前任何望遠鏡使用的鏡子更大、更厚、也更重。在這麼一大塊玻璃中，即使很小的溫度變化也會因膨脹或收縮而影響反射鏡面的精度。為此，整塊玻璃的背面澆鑄成了蜂窩狀，這使鏡子的重量比一個矮胖的實心圓柱減小了一半以上；這種結構使整塊反射鏡內的任何一點離玻璃表面都不超過5厘米，溫度變化將較為迅速地在整塊玻璃中達到均衡。澆鑄好的玻璃毛坯，在嚴格的溫度控制下花了10個月時間慢慢地冷卻；在冷卻過程中，附近河流泛濫，鏡坯死里逃生，而且它還經受了一次輕微地震的考驗。鏡坯是在紐約州的康寧玻璃廠生產的，它必須橫越整個美國，運到加利福尼亞的帕洛馬山；為了穩妥起見，火車晝行夜宿，時速從不超過40千米；它走的是一條專線，以減少遇上橋梁和隧道的麻煩。這塊玻璃連同它的裝箱，寬度顯著地超出5米，經過不少地方時，允許通行的空間往往只剩下了區區幾厘米。接下來是長時間的研磨和拋光，總共用掉了31噸磨料。最後成型時，反射鏡本身重達14.5噸，鏡筒重140噸，整個望遠鏡的可動部分竟重達530噸！

　　海爾于1938年2月21日在帕薩迪納與世長辭，未能目睹這架望遠鏡竣工。1948年6月3日，人們終于為這具碩大無朋的儀器舉行了落成典禮。後來，人們在帕洛馬山天文台的門廳中塑了一座海爾半身像，銅牌上寫著︰

　　“這架200英寸望遠鏡以喬治?埃勒里?海爾命名，他的遠見卓識和親自領導使之變成了現實。”

　　1969年12月，威爾遜山和帕洛馬山兩座天文台重新命名，統稱為海爾天文台。

　　 全新的思路

　　天文望遠鏡的口徑越大，收集到的光就越多，就能探測到越遠越暗的天體。與此同時，一架望遠鏡的口徑越大，分辨細節的本領也就越高。這對天文觀測來說，同樣至關重要。

　　不過，大也有大的難處。大型反射望遠鏡僅僅對它直接指向的那一小塊天空，才能形成優質的星像，才能拍下極其清晰的照片。在這一小塊天空以外，拍攝的照片都將因失真太大而無法使用。通常，望遠鏡的口徑越大，每次能夠高精度地進行觀測的天空範圍也就越小。例如，用威爾遜山上那架口徑254厘米的胡克望遠鏡，每次只能觀測像滿月那麼大小的一塊天空。海爾望遠鏡的視場甚至比這更小。如果用大型反射望遠鏡拍攝星空，每次一小塊一小塊地拼起來，直到覆蓋整個天空，那就需要拍攝幾十萬甚至幾百萬次。大望遠鏡的這一弱點，使它們難以勝任“巡天”觀測。

　　那麼，“巡天”究竟是什麼意思呢？

　　天文學上最普遍的“巡天”，相當于對天體進行“戶口普查”，它為大量天文研究工作提供最基本的素材。正如普查人口之後，就可以根據不同的特征 ——性別、民族、年齡等，對“人”進行分門別類的統計研究那樣，對天體進行“戶口普查”後也可以根據不同的特征——亮度、距離、光譜類型等，對它們進行分門別類的統計研究。

　　要想在不太長的時間內完成一次天體的“戶口普查”，望遠鏡的視場就不能太小，因而其口徑就不能太大。另一方面，為了看清很暗的天體，望遠鏡又必須足夠地大。這兩者是有矛盾的。那麼，有沒有可能“魚與熊掌得兼”，造出一種口徑既大、視場也大的新型天文望遠鏡呢？

　　早在20世紀20年代，旅德俄國光學家施密特就開始朝這個方向邁出了第一步。施密特生于1879年3月30日，他接受的正規教育十分有限，但自學光學很有成績。施密特早年就喜歡做實驗，並為此付出了高昂的代價。他把火藥塞進一根鋼管，然後點燃它，爆炸效果令人滿意，但是卻炸掉了他的右手和右前臂。後來，他不得不用一條胳膊來研磨他的透鏡和反射鏡。

　　施密特想出一種同時使用反射鏡和透鏡的方案。1930年，他研制成功第一架“折反射望遠鏡”︰用球面反射鏡作為主鏡，在它的球心處安放一塊“改正透鏡”。改正透鏡的形狀特殊，中間最厚，邊緣較薄，最薄的地方則介于中間與邊緣之間。改正透鏡設計得使透過它的光線經過折射以後恰好能彌補反射鏡引起的球差，同時又不會產生明顯的色差和其他像差。這就是所謂的“施密特望遠鏡”，它使望遠鏡的有效視場增大了許多。世界上最大的施密特望遠鏡安裝在德國的陶登堡天文台，其主鏡和改正透鏡的口徑分別為2.03米和1.34米。

　　施密特望遠鏡的視場寬闊，使它在“巡天”工作中起到了無可替代的巨大作用。例如，美國的帕洛馬山天文台，以及位于澳大利亞的英澳賽丁泉天文台各用一架主鏡口徑1.22米的施密特望遠鏡巡天，記錄了全天約10億個天體的位置、形狀等信息。

　　施密特望遠鏡使用了透鏡，這使它也像折射望遠鏡那樣不可能做得太大。那麼，能不能用一塊“改正反射鏡”來代替“改正透鏡”呢？

　　如何研制“反射式施密特望遠鏡”，正是20世紀90年代以來國際天文界共同關心的問題。只有做到這一點，才能將整個望遠鏡的口徑和視場同時做得很大。我國天文學家在這方面的研究處于比較先進的地位。預期在2010年前，反射式施密特望遠鏡就將成為現實。

　　在一架施密特望遠鏡拍攝的單張底片上，所包含的星像可多達上百萬顆。如果在某張底片上發現了什麼特別有趣或者可疑的東西，這時就該進而利用巨型反射望遠鏡來更加精細地考察它們了。

　　因此，即使有了施密特望遠鏡，我們也還需要越來越大的反射望遠鏡。但是，不少科學家認為，材料、設計、工藝、結構等多方面的重重困難，似乎已經使制造更大的反射望遠鏡成了鏡花水月。例如，制造大塊光學玻璃本身就是一大難題，而且它只要有極微小——例如溫度變化所致——的形變，就會使星像變得模糊，從而使望遠鏡的威力大減。因此，海爾望遠鏡在落成後的30年內，始終仿佛鶴立雞群，沒有任何新的望遠鏡可以與之媲美。

　　甦聯人曾經造出一架口徑6米的反射望遠鏡，其鏡體重77噸，長25米，整個可動部分重達800噸。1976年，這架6米望遠鏡終于竣工，可惜其性能並不盡如人意。

　　然而，人類的認識能力和創造能力是無窮的，天文望遠鏡的前景依然光明，關鍵在于設計思想的革命。