折射和反射的竞赛

第三节　折射和反射的竞赛

无论是伽利略望远镜还是开普勒望远镜，都是由两块透镜组成。这种主镜是透镜的望远镜称作折射望远镜。

我们知道，一束光通过三棱镜时会分解成七种颜色，这是由于玻璃对不同颜色的光折射率不同的缘故。由于这一特性，折射望远镜产生了令人讨厌的色差，星星看起来五颜六色，看起月亮也像镶了一个彩色的边。许多天文学家致力于解决这一问题，但都没有什么大的进展。

另一个让人头痛的问题是望远镜的球差。透镜一般是磨成球面，这使得离光轴远的光汇聚得近一些，而离光轴近的光汇聚得远一些。这使得球面镜的像成不到一点上，因而影响了成像质量。解决球差的一个办法是把透镜磨成抛物面的，但这意味着需要高超的磨镜技巧，当时许多人试过，但没有成功。

后来，荷兰天文学家惠更斯发现，只要将透镜磨得很平，即表面曲率很小，成像的质量就会提高，球差和色差都会减弱。因此天文学家们纷纷把望远镜做得很长。

惠更斯本人制作了一架口径5cm，长3.6米的望远镜，能放大50倍，1655年，他用这架望远镜发现了土星最大的卫星提坦。1656年，他公布了这一发现。与此同时，他还发现了土星周围有一环状物，但不能肯定，后来他进一步改进了望远镜，确认了土星环的存在。

惠更斯的成就激励了欧洲天文学家们去做长筒望远镜。1673年，波兰的赫维吕斯制成一架长达46米的大望远镜，他用一根木头做镜架，吊在30多米高的桅杆上。镜筒限制了望远镜长度的增加，因此后来惠更斯干脆省掉了镜筒，将目镜和物镜分开安装，中间用细线连接。这种望远镜调节困难，并且周围杂散光线也影响了观测。

正光望远镜越做越长时，牛顿却没有去追赶这一潮流。他开始试图用磨制抛物面的方法来消除透镜的球差，但没有成功。后来他转而面对色差。他想到，白光被折射后分解成几种颜色是不可避免的，因而透镜的色差也就是其固有特性，无法消除。牛顿想到，能不能不用透镜呢？反射也能成像，并且不论什么颜色的光反射后都没有色差，那为什么不用反射来成像呢？于是他着手制造反射望远镜。1668年和1672年，他先后制成了两架。其中后一架至今仍在，它长仅15厘米，口径5厘米，用铜镜面做反射面，成像质量可与长2米的折射望远镜媲美。

折射望远镜的出现，改变了望远镜的面貌，许多天文学家纷纷摒弃了长筒的折射望远镜，改用了反射望远镜。由于折射望远镜的主镜在底部，安装固定性能好，因此可以做得很大。这里我们还要提及前面已多次提到的赫歇尔。他原是名音乐家，是位业余天文爱好者。反射望远镜就是经他而走向大型化的。1774年，他磨制了口径15厘米的反射望远镜，1781年用这架望远镜发现了天王星。这使他名声大噪，从此成为一名专职天文学家。他不断打破望远镜口径记录。1789年，他制成了一架口径1.22米，长12.2米的巨镜，这是当时世界上最大的望远镜，并保持这个记录达半个世纪之久，直到后来罗斯伯爵才将这一纪录打破。

现在反射望远镜有了很大发展，但其基本形式一般只有三种，即牛顿式、卡塞格林式和格雷高利式。大型望远镜为了方便照相机的安装，多采用卡塞格林式系统。

反射望远镜越做越大，质量越来越高，折射望远镜似乎渐渐被人们所淡忘了。但仍有人致力于折射望远镜的发展研究。

前面说过，想消除望远镜的球差，可将透镜磨制成非球面的。随着磨镜技术提高，人们已经能磨制这种消球差透镜了。但色差是一种更令人头痛的问题。牛顿曾认为，由于白光经透镜折射后必然会被分解为不同颜色，因此透镜的色差是不可消除的。

但并非没有人对牛顿这样的权威提出质疑，苏格兰数学家格里高里就是其中之一。他想到，人眼也是一个透镜，但为什么人看东西时没有色差呢？经研究后他认为，人眼中有各种液体，这些液体互相补偿各自之间的折光性，正好使色差得以消除。由人眼得到启示，天文学家们想到，若果把一片凸透镜和一片凹透镜组合在一起，让凹透镜发散光的能力弱一些，不足以抵消凸透镜对光线的汇聚，因此这种组合仍相当于一片凸透镜，在制作透镜时，刻意选择不同材料，使其中一种对红光折射率大而对紫光折射率小，另一种正好相反，结果两种透镜色差互相补偿，从而得到一个没有色差的透镜。

根据这一原理，英国的数学家霍尔制作了一片消色差透镜。他用普通窗玻璃做了凸透镜而用火石玻璃做了凹透镜，再将它们胶合在一起，从而制得了消色差透镜。1733年，他制成了第一架消色差折射望远镜，口径6.5厘米，焦距仅50厘米。

消色差透镜的研制成功，折射望远镜又重新登上了天文学舞台，由于折射望远镜视场大，适宜于做寻天工作，因此它受到相当多天文学家的青睐。

正当欧洲处于一个科学的热潮之中时，大洋彼岸的美国人也正迅速崛起，一批科学家正在这片新大陆上崭露头脚。老克拉克（1804—1887）和他的儿子小克拉克（1832—1897）是这一时期出现的两位最著名的磨镜专家。他们在学习了欧洲的磨镜技术以后，于1862年制成了口径47厘米的折射望远镜，用它发现了亮度仅为天狼星万分之一的天狼伴星。1870年，克拉克父子花了几年时间，制造了一台口径66厘米的折射镜。1877年，天文学家霍尔在观测火星时，发现了火星的两个卫星。这两个卫星非常小，能观测到它们，有力地证明了这架望远镜的性能。

1874年，金融家里克愿出一笔钱做一架世界上最大的折射望远镜，由克拉克父子制造。1888年1月，这台望远镜正式启用。老克拉克于几个月前去世，未能亲眼目睹这台望远镜。这台巨镜口径91厘米，长18.3米。小克拉克并未就此停步。他打算使折射镜的口径突破一米大关。在天文学家海耳的主持和金融家叶凯士的支持下，1895年8月终于完成了透镜的磨制。这个巨大的透镜重达230公斤，安装在18米长镜筒里。1897年5月21日，这台望远镜在叶凯士天文台启用。小克拉克亲眼目睹了他这架巨镜的落成，于三周后去世。直到今天，直径102厘米和直径91厘米的折射望远镜仍是世界第一和第二大的望远镜。每当他们提起这两架巨镜，便会想起两个人，那就是克拉克父子。他们的名字也许永远会和世界上最大的折射望远镜联系在一起了。

折射镜视场大，成像清晰，贯穿本领强，是优秀的天文观测工具。但想将它做得更大，却十分困难了。折射镜焦距长，并且沉重的镜片要装在望远镜的前端，这要求镜筒很长并且有很好的刚性。制造这么大并且刚性又好的镜筒是很困难的。因此，自小克拉克制造了口径102厘米的折射望远镜之后，就再也没有人试图超过这一记录。

而反射望远镜的口径从未停止过增大。经赫歇尔之后，反射镜口径早已突破了一米大关。英国的罗斯伯爵制造了口径1.80米的巨镜。他把这架望远镜安放于两堵墙之间，用起来极不方便。曾主持过102厘米折射镜研制工作的海耳，经过5年努力，磨制成了一块直径1.53米的巨大镜片。它虽比罗斯的稍小，但由于操作灵活，表面反射率高，所以性能比1.80米的强得多。

在制作这架153厘米的望远镜时，海耳就盘算着制造一架更大的望远镜，使它直径超过两米。洛杉矶商人胡克为这一工作提供了资金。这架望远镜由于受了第一次世界大战影响，直到1918年才完成。由于采用了新镀铝技术，它的反射率达82%，成像质量极佳。它被命名为胡克望远镜，安装于加州威尔逊山天文台。

胡克望远镜的研究领域主要是银河系深处和河外星系。这就要求有很宁静的夜晚。随着距威尔逊山天文台不远处的洛杉矶市的发展，城市夜晚的灯光明显影响了胡克望远镜的观测，因此海耳决定再选新址建一座更大的望远镜。他选择了威尔逊山东南145公里处的帕洛玛山作为新台址。这里远离城市，空气清净，有良好的观测条件。他决定在此建造一台直径508厘米的望远镜。在石油大王洛克菲勒的资助下，海耳于1929年开始了新的进取。

巨镜的建造是艰难的，整个镜坯重达十五六吨，成型后镜面重达14.5吨。望远镜装好后，镜筒重达140吨，而整个可转动部分重达530吨。海耳以坚韧不拔的意志使这架巨镜得以完成，但他本人却未能亲眼目睹它的启用。由于第二次世界大战的影响，这架巨镜直到1948年6月3日才进行了揭幕。而这时海耳已去世10年了。帕落玛山天文台的门厅为海耳塑了半身像，铜牌上写着：“这架200英寸望远镜以乔治·埃勒里·海耳命名，他的远见卓识和亲自领导使之变成了现实。1969年2月，帕洛玛山天文台和威耳逊山天文台合并，改名为海耳天文台。

海耳望远镜保持世界纪录长达28年之久。直到1976年，苏联才在高加索山上建成一台口径6米的望远镜，使之超过了海耳望远镜。但这架6米望远镜由于设计不良，发生了塌陷等严重问题，所以观测能力反而不如海耳望远镜。

折射镜和反射镜的竞赛，以反射镜胜利而告终。但它们各有优缺点。折射镜视场大，成像清晰，但口径不能做得很大；反射镜口径大，但视场太小。能不能将这二者优点集于一身呢？

20世纪30年代，德国光学家施密特发明了一种称为折反射望远镜的新型望远镜。这种望远镜的主镜是一个球面反射镜，在这个反射镜前面加了一个形状奇特的改正镜。这种望远镜兼有折射镜视场大和反射镜无色差的优点，因此性能良好。折反射望远镜除施密特型外，还产生了弯月状改正透镜的马克苏托夫型及其他多种衍生型。它们多用于观测流星、慧星、人造卫星和弥漫星云等天体以及用于寻天摄影。

尽管经海耳之手天文望远镜的口径已达5米，但仍不能满足不断发展的观测需求。近几十年来，天文学家们经过不懈努力，设计建造了一批更强大的望远镜。