望远镜的400年历史回顾

东升西点

2008年10月13日，新浪科技发表了一篇文章，“太空之眼：八具最伟大空间望远镜”。它谈到了世界上最先进的观测太空的技术。今年是发明望远镜400周年。本文将从另一个角度谈望远镜，着重于个阶段的成就和对未来的展望。

尽管公元前3500年左右腓尼基人在沙漠上烹煮食物时就于无意中发现了玻璃的制造方法，但直到5000年后，人类才掌握了将玻璃磨成透镜并进而制成望远镜的方法。在13世纪时，放大镜已经非常普及。

利柏黑的专利申请的一页

没有人确切知道谁发明了望远镜。1608年9月25日，荷兰制眼镜匠汉斯·利伯希 (Hans Lippershey, 1570 - 1619) 在一封信中说他发明了一个能把物体的景象放大的仪器，10月2日，他递交了他发明望远镜的专利申请。荷兰政府没有批准他的申请，但他因为这个申请而赢得了后人公认他为望远镜的发明人。雅可比·梅提斯 (Jacob Metius) 的申请比他晚了几个星期。萨卡瑞斯·杨森(Sacharias Janssen)可能更早(1600年以前)，但没有任何文件能够证明。

最早的望远镜示意图。

利伯希时代的望远镜都没有保存下来，甚至没有留下一张图。1609年8月一位叫作吉奥凡帕啼斯塔·波尔塔(Giovanpattista della Porta)的女士在一封信中画了世界上第一个望远镜的草图。

伽利略 (Galileo Galilei) 组装和使用的折射望远镜

1609年，伽利略在听到利伯希有关望远镜的工作的消息后不久，就自行制造出了一架小的天文望远镜。这架望远镜只能提供30倍的放大率，而且视野非常狭窄。事实上，如果不调整望远镜的位置的话，伽利略只能看到1/4张月亮的脸。但是，伽利略还是利用它观测到了月球陨石坑、太阳黑子、木星的4颗卫星、土星环，并指出银河实际上是由许多恒星构成的。 在1609年8月25日，伽利略在梵谛冈示范了他制作的望远镜。在1610年1月7日，他用望远镜观察到了木星的三个小卫星；他最早的天文观测的论文则是在1610年3月（题目是：Sidereus Nuncius）。同年，开普勒(Johannes Kepler)知道了伽利略使用望远镜，也开始使用望远镜，他用望远镜观察了木星(Jupiter)的四颗最大的卫星并在1611年发表了关于望远镜的理论。

牛顿 (Newton) 提出反射望远镜

1672年，牛顿 (Isaac Newton) 提出了一种新的望远镜设计概念。区别于伽利略的折射望远镜，牛顿的新望远镜使用一面凹透镜将光线聚集并反射到焦点上，因此被称为反射望远镜。反射望远镜的反射镜就像一个水桶一样，水桶越大，装的水越多，反射镜越大，能够收集到的光也越多。这种设计使望远镜的放大倍率达到了数百万倍，远远超过了折射望远镜所能达到的极限。

19世纪最大的望远镜

虽然基本原理一直不变，但牛顿使用的6英寸直径小铜镜却在随后的岁月里逐渐被更大口径的折射镜所取代。1845年，威廉·帕森思（William Parsons）在爱尔兰建成了一架口径为72英寸(183厘米) 的反射望远镜。直到1917年为止，它一直占据着世界最大的反射望远镜的宝座。

胡克望远镜(Hooker Telescope)

1917年，胡克望远镜在美国加利福尼亚的威尔逊山天文台 (Mount Wilson Observatory) 建成。它的主反射镜口径为100英寸。正是使用这座望远镜，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）发现了宇宙正在膨胀的惊人事实。

施密特-卡塞格伦望远镜(Schmidt-Cassegrain Telescope)

1930年，德国天文学家伯哈德·施密特(Bernhard Schmidt)将折射望远镜和反射望远镜的优点(折射望远镜像差小但有色差而且尺寸越大越昂贵，反射望远镜没有色差、造价低廉且反射镜可以造得很大，但存在像差)结合起来，制成了第一台折反射望远镜。这种望远镜被称为施密特-卡塞格伦望远镜，是目前最流行的天文望远镜。

凯克望远镜(W. M. Keck Observatory)

1948年，当帕罗玛海尔反射望远镜完工时，许多人都认为它是地面天文望远镜的一个极限，因为更大的镜面会因为太重而变形。90年代，技术进步使建造更轻的更大的(8米)镜面成为可能，但它要依靠计算机不断调整支撑点，以保证镜面不会被自身的重量扭曲。后来，在加州大学圣克鲁兹分校粒子物理学家杰瑞·尼尔森的启发下，凯克望远镜改变了思路。凯克天文台位于美国夏威夷州的毛纳基山4145米的顶峰，它拥有的世界上口径最大的光学/近红外线望远镜，由两台相同的望远镜组成，每台口径都是10米，由36片口径1.8米的六角形镜片组合而成。就把镜面自重问题很好地解决了。

哈勃空间望远镜 (Hubble Space Telescope)

避免大气层和人类活动的干扰的最好办法就是离开地球。哈勃空间望远镜 (Hubble Space Telescope) 就是基于这个思想建造的。1990年，NASA将哈勃太空望远镜送入轨道。它由NASA和ESO合作共同管理。由于镜面故障，直到1993年宇航员完成太空修复并更换了透镜后，哈勃望远镜才开始全面发挥作用。由于可以不受地球大气的干扰，哈勃望远镜的图像清晰度是地球上同类望远镜拍下图像的10倍，被视为全球最大和最精确的天文望远镜，10多年来解开很多宇宙的谜团。去年(2007年)12月，美国宇航局宣布将对“哈勃”太空望远镜进行升级。随着哈勃的组件日渐老化，退役是迟早问题。美国太空总署的詹姆士·韦伯望远镜定于2011年发射升空，预计2013年面世。

顺便提一句，中国计划在“十一五”期间发射自己的空间太阳望远镜。

韦伯太空望远镜 (James Webb Space Telescope)

詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope，缩写JWST）是计划中的红外线太空望远镜。作为将于2010年结束观测活动的哈勃太空望远镜的后续机，现计划于2013年发射升空。它是欧洲空间局(ESA)和美国宇航局(NASA)的共享计划，放置於太阳─地球的第二拉格朗日点。不像哈勃空间望远镜那样是围绕地球上空旋转，而是飘荡在从地球背向太阳的后面150万千米的空间。主要的任务是调查作为大爆炸理论的残余红外线证据（宇宙微波背景辐射），即观测今天可见宇宙的初期状态。计划中的詹姆斯韦伯太空望远镜的质量为6.2吨，约为哈勃空间望远镜（11吨）的一半。主反射镜由铍制成，口径达到6.5米，面积为哈勃太空望远镜的5倍以上。

斯必泽空间望远镜 (Spitzer Space Telescope)

斯必泽空间望远镜耗资8亿美元，原名为空间红外望远镜设备（SIRTF），2003年12月，经过公众评选，该卫星以空间望远镜概念的提出者、美国天文学家莱曼·斯必泽（Lyman Spitzer, Jr.）的名字命名。望远镜工作在波长为3-180微米的红外线波段，以取代先前的红外线天文卫星（IRAS）。斯必泽空间望远镜虽然不比它口径大很多，但得益于红外探测设备的快速发展，性能上有了显著的提高。2003年8月25日，斯必泽空间望远镜在美国佛罗里达扛7b的卡纳维尔角由德尔塔Ⅱ型火箭发射升空，运行在一条位于地球公转轨道后方、环绕太阳的轨道上，并以每年0.1天文单位的速度逐渐远离地球，这使得一旦出现故障，将无法使用航天飞机对其进行维修。最近(2008年7月)德国天文学家利用美国航空航天局的“斯必泽(Spitzer)”红外线宇宙望远镜银河系中心位置观测到了一颗巨型星，它的体积是太阳的100万倍，重量为太阳的150万倍。

对太空望远镜感兴趣的网友可以继续阅读Zhang Bo的精彩博文“早期天文卫星回顾”。

介于地面观测和外层空间观测，还有一个办法就是航空观测。NASA和德国联合设计制造的SOFIA航空天文观测飞机(SOFIA)就是一个例子。NASA希望它可以在明年(2009年)正式投入使用，以取代已经退役了的柯伊伯(Kuiper)。关于SOFIA，可以读我以前的介绍。

SOFIA航空天文观测飞机

自太空时代开始初期，天文学家们就一直梦想在月球远离地球的一端安设望远镜以及其他探测设备。这个计划一旦实现，不仅能够避免地球大气层对望远镜等科考设备无线电信号的干扰，同时巨大的月球还能遮挡住从地球传播出的各种无线电信号。而且，只有在月球远离地球的一端，无线电望远镜才能收集到来自外太空最微弱的信号，不至于被地球的传播频道淹没。但是要这个任务的难度已经超出阿波罗登月计划的能力，目前的登月机器人也没有这个能力，因此这种望远镜的研发一度处于搁置状态。然而，随着NASA宣布计划在2019年再次送宇航员上月球，关于在月球远离地球一端安装无线电望远镜的设想再次活跃起来。

目前，世界上最大的光学天文望远镜是1993年开始投入使用的夏威夷莫纳克亚山上的凯克望远镜，它的主透镜的口径达到了10米。

大型双管望远镜(LBT)

世界最大双管望远镜如今正式在美国亚利桑那州东南部的格雷厄姆山上开始工作，拍摄令人叫绝的数百万光年之外的天体图片。尽管现有的巨大望远镜能看到部分不可见光谱，从低频率的无线电波到高频率的伽马射线。但该望远镜的电子仪器可纠正图像错误，清晰度是太空中任何传统光学望远镜所无法媲美的，甚至哈勃太空望远镜也没办法同其抗衡。该望远镜耗资1.2亿美元，耗时20年才建成，是美国亚利桑那州大学的格雷厄姆山国际天文台里的掌上明珠。格雷厄姆山矗立于奇瓦瓦 (Chihuahuan)沙漠，海拔10500英尺，这是在此山顶上修建的第三架望远镜，另外二架是赫恩里奇-赫兹（Heinrich-Hertz）亚毫米波望远镜和梵蒂冈高科技望远镜。

太空望远镜可以避免大气造成的镜像扭曲不利局面，而且它能观测到比同等口径“山顶望远镜”更为细致的景象。不过，人类还不可能如同烧钱般地在太空领域内布置望远镜；火箭的载重量有限，难以携带大口径太空望远镜。现实情况迫使人类选择更为实际的“山顶望远镜”来探索宇宙的本质，来揭开暗物质和暗能量的秘密。各国天文学家们正在制订计划，制造有史以来体积和功率最大的天文仪器。超大型天文望远镜制造热预计将在今后10年里展开，将带来空前的清晰度和放大倍数的科技进展。这些仪器将帮助人类深入探索宇宙。

20米口径的大麦哲伦望远镜（Giant Magellan Telescope，简称GMT）

大麦哲伦望远镜将采用一个直径80英尺（20米）的镜面，造价约为5亿美元，竣工时间定在2015年，被安放在智利的拉斯坎帕纳斯。大麦哲伦望远镜的思路与凯克望远镜是类似的。它的主镜面将由6块大的圆形镜面围绕一个中心镜面构成。“大麦哲伦”计划被业内人士看成是一场不折不扣的“豪赌”。虽然其成功将为天文学界带来一个里程碑式的跨越，使人们能够直接观测遥远星系的行星，寻找类似太阳系或地球的宇宙环境及潜在的智慧生命，但就项目组目前的资金及科技水平，没有人能保证这个梦想最终能实现。

30米口径的“加利福尼亚极大望远镜”（California Extremely Large Telescope，简称CELT）

美国加利福尼亚理工学院、加利福尼亚大学和加拿大大学天文学会计划制造一台30米口径望远镜，造价将为11．7亿美元。加利福尼亚极大天文望远镜则与大麦哲伦望远镜的思路不同。在理查德·艾里斯及其同事的设想中，30米口径的镜面很可能会由数千块六角形的小镜面所构成。 如果一切顺利，加利福尼亚极大天文望远镜将在2012年投入使用。

100米口径的绝大望远镜（Overwhelming Large Telescope，简称OWL）

由欧洲南方天文台倡议、多个欧洲国家共同参与、建造在智利塞罗·帕拉纳（Cerro Paranal）的100米口径绝大望远镜显得更有创意。欧洲南方天文台的天文学家罗伯特·吉尔默兹（Robert Gilmozzi）称，100米是在一颗邻近恒星的地球大小的行星上搜寻生命所需的最小望远镜镜面口径。为了实现这个目标，天文学家们将采取一种创新的手段来建造这架望远镜。首先，绝大望远镜将会被设计为球形，这样，它就有了不断扩大的空间，并且也可以分阶段的建造。望远镜主镜面的所有部分都是一致的，天文学家们会先建造一个60米口径的望远镜，看它是否能够正常工作，然后再将其他的部分逐渐拼接上去，组成一个100米口径的望远镜。

联合国教科文组织（UNESCO）将2009年订为国际天文学年（International Year of Astronomy），期望能再次带动年轻人对科学和天文学研究的热情。这个国际天文学年可以从2009年一直庆祝到2010年的3月，以纪念伽利略的1610年3月的论文。

GLAST大型伽马射线太空望远镜(Gamma-ray Large Area Space Telescope，GLAST)更名为费米(Fermi)伽玛射线太空望远镜

6月11日，美国使用“德尔它”-2（Delta II ）火箭从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射了新一代伽马射线太空望远镜(GLAST)。GLAST是一台功能强大的太空望远镜，这台望远镜长约2.8米，直径约2.5米，能每隔90分钟绕地球一周。它是第一个每天都能“巡天”观测的伽马射线观测台。设计观测寿命为5~10年。GLAST由美国航空航天局联合美国能源部建造，法国、德国、意大利、日本和瑞典5国政府机构及科研组织给予了资金和技术支持。项目总耗资约为6.9亿美元，美国出资6亿美元。

LAMOST天文望远镜

在中国，值得一提的是，2008年10月16日，外形怪异的庞然大物LAMOST天文望远镜 (LAMOST)，即“大天区面积多目标光纤光谱望远镜”，在国家天文台河北兴隆观测站宣告正式落成，成为望远镜发明400周年最美好的纪念。

除了地面上、空间中建造望远镜以外，我们还可以在哪里建造呢？答案是“月球”。一组国际著名的天文学家和光学专家声称可能发现了一种极其简单的方法，在月球上制造“无限大”的望远镜。加拿大魁北克Laval大学光学实验室教授Ermanno F. Borra说，“太简单了。艾萨克牛顿知道任何液体，如果被放在浅容器内，让它旋转，会自然的呈现抛物面──望远镜镜片需要此种形状去聚焦星光。这可能是制造巨型月球天文台的关键。”Borra从1992年起就开始研究液体透镜望远镜，他和NASA Ames研究中心主管Simon P.“Pete”Worden，及其他成员正在实现这一设想。在地球上，如果能保证容器平稳，空气轴承旋转时震动和摩擦力都较低，液体望远镜可以做的极其光滑和完美。当然这要等人类重返地球之后了。

400百年前(1609年)，伽利略把自己制造的新型望远镜指向了太空，从夏天、秋天到冬天，他认真地研究了行星、月亮和恒星。他用新式的望远镜进行天文观测，发现太阳上有黑子，月亮表面的坑洞，并根据其边缘影子的长度测算它们的高度。他还发现银河是由许多的恒星组成。此外，伽利略还发现了金星的相，即金星也跟月球一样有相位的变化，会从新月状逐渐变为满月；他也发现了木星的四颗卫星。这些发现都支持哥白尼的日心说，并严重地挑战了当时罗马教会所认可的托勒密古希腊天文观与地心说。

为了纪念伽利略在400年前的伟大发现，联合国宣布2009年为“国际天文年 (International Year of Astronomy, IYA)。联合国科教文组织(UN ESCO)作为领导机构，国际天文联合会 (International Astronomical Union, IAU) 负责执行，协调世界各天文组织共同参与。东升特编写此博文以示祝贺！