文汇报：望远镜400年 改变人类宇宙观

    1608年，一个荷兰眼镜商发明了第一架小望远镜。次年,伽利略用自制的望远镜第一次观测星球,从此人类踏上了探索宇宙的新征程。400年来,凝聚了人类雄心勃勃的追求与智慧,望远镜从小口径到大口径,从光学望远镜到全电磁波段望远镜,从地面望远镜到空间望远镜,以及全电磁波段接收机与探测器的进步,不仅使天文学发生了革命,而且深刻地影响了其它科学的发展,乃至整个人类社会的进步,改变了人类的宇宙观!

    “天外有天”    在伽利略之前，沉迷于夜空世界的天文学者只能用他们的肉眼来观察天空。伽利略自制的望远镜所放大的倍率在今天看来小得可怜，但在人类科学史上却引发了一场革命。从那以后，望远镜口径的每一次增大，都导致我们认识宇宙眼界的扩展。

    人类对天空的关注同文明的历史一样久远。为了知道日期，季节，何时播种，何时过冬，人们总是仰望苍穹，从闪闪的星空寻找答案。为了便利地观测天象，古代天文学家修建了观象台，借助各种记录天体方位的仪器，记下了他们所看到的日月星辰的位置、运动以及日食、彗星，新星等特殊天象。

    观测天象不仅有实用的目的，更重要的是星空从来都是人类好奇心和想象力的源泉。

    1608年，荷兰人里帕席发明了一种奇妙的“光管”能够把远处物体放大，并为此申请了专利。

    1609年，意大利物理学家伽利略听说此事后，经过研究独立制成一架口径4.4厘米，长1.2米，放大率32倍的望远镜。当他把望远镜指向天空时，很快就发现银河原来由数不清的星星组成，月亮并不是亚里士多德所说的那样完美，而是有山有谷，木星有4个围绕着它运转的卫星，而不是地心说主张的那样，所有天体都围绕地球运行。

    望远镜的威力来源于它收集光线的面积远远超过人眼的瞳孔，望远镜口径越大，看得就越远，也越清楚。这就是后来望远镜越做越大的原因。

    借助望远镜，荷兰人惠更斯发现了土星的最大卫星，而且他正确地观测到土星的光环是与土星分开的；法国天文学家卡西尼在1675年发现并确认了土星光环中有个缝，这个环缝在今天以他的名字命名为卡西尼环缝。

    英国科学家牛顿使天文学发生了一场革命，他发现了万有引力定律和光的色散，发明了镜筒短、无色差、后来成为主流的反射式望远镜。100年以后，威廉·赫歇尔用自制的望远镜发现了天王星，他还建成了当时世界上最大的反射望远镜，首次通过观测证实了银河系的恒星呈扁平状分布。

    后来在爱尔兰，罗斯伯爵三世又建了一个更大的望远镜，1845年它被建在比尔城堡的两面石墙之间，正是这架望远镜发现了第一个不是模糊一团，而是有结构的星云。

    19世纪中叶以后，随着科学技术的发展和工艺制造水平的提高，使人们建造大型精密的望远镜成为了可能。天文观测水平相应大幅提高，天文学家发现水星近日点运动中存在牛顿力学无法解释的部分。电磁现象的研究也使经典物理学的绝对时空观遇到了前所未有的困难。时代造就了天才的爱因斯坦，他提出的狭义相对论和广义相对论，对20世纪人类科学的飞速发展产生了深远影响，同时也为解决太阳和恒星能源之谜、追溯宇宙起源和演化等20世纪天文学的重大成就，奠定了坚实的理论基础。

    19世纪末20世纪初，天文学还得到了两个革命性的工具，一个是光谱学，通过分析天体的光谱人们就可以知道它的物理性质、化学组成和运动速度。另一个是照相术，它比目测更具积累性和客观性。1920年代，埃德温·哈勃正是借助这两种工具，从威尔逊山的2.5米望远镜中发现，仙女座星云其实是由大量恒星组成的，而且距离远远超过银河系的尺度。人们终于知道银河系外“天外有天”的事实了。

    三次飞跃

    哈勃为现代宇宙学奠定了观测基础；射电望远镜的发明，为如同被关在黑屋子里窥探外界的人类打开了一扇大窗；而空间望远镜的发射，更激发了无数人对探索宇宙的渴望。

    1929年，哈勃在威尔逊山天文台观察了18个星系的光谱，发现都明显向红端移动，说明这些星系都在以极大速度离我们而去，而且星系离我们越远，退行速度越快，这意味着宇宙正在膨胀。哈勃的这一重要发现，为现代宇宙学奠定了观测基础。

    哈勃的成就激励了全世界建造更大望远镜的决心，可是一个偶然的发现，改变了人们建造望远镜的思路。

    1932年，美国贝尔电话公司的卡尔·央斯基为了要找出无线电长途电话的干扰来源，无意中发现了来自银河系中心的无线电波，天文学家对宇宙无线电波产生了兴趣，可惜不久后爆发了第二次世界大战。科学研究只能暂停下来。

    第二次世界大战是人类的劫难，但是战争也促进了军事技术的革新，从而带动了科学的进步。比如英国人为了预警德国飞机的袭击发明了雷达。1942年2月，他们发现雷达信号会受到来自太阳黑子和耀斑的干扰。这样，战后雷达变身为射电望远镜，给天文望远镜的发展带来了第二次飞跃。

    在过去几百年中，天文观测仍脱离不了“可见光”的范围。事实上除了可见光之外，宇宙仍存在着各种射线如γ射线、X射线、紫外线、红外线和无线电波如长波、短波及超短波等等。仅无线电可以观测的有效波长区就是可见光的109倍。人们形容用可见光的波长来观测宇宙，就如同被关在黑屋子里的人从门缝看房子外面的一切。射电望远镜的发明，犹如给这间黑屋开了一扇大窗子。它们以类星体、脉冲星、宇宙微波背景、星际分子等一系列卓越的发现，谱写了二战后天文学发展最辉煌的一章。

    不过由于地球大气的影响，大部分短波长的紫外线及X射线无法到达地面。为了要观测它们，惟一的办法是到大气层外去。航天技术给望远镜带来了第三次也是最彻底的一次飞跃。

    1970年12月美国天文学家贾可尼领导发射了一个名为“自由号”的X射线卫星，随着它和后来的“爱因斯坦天文台”发射升空，数千个新的X射线源被发现，而这些发射X射线的天体中，便包含着宇宙中最神秘的“黑洞”现象。

    下一个具里程碑意义的空间望远镜发射于1990年4月25日，由美国宇航局主持建造的巨型空间天文台——口径2.4米、工作波长从紫外到近红外的哈勃空间望远镜，由航天飞机运载升空。它耗资30亿美元，是目前所有天文观测项目中规模最大、投资最多、最受公众注目的一项。尽管由于人为的差错，不得不在1993年12月2日进行了规模浩大的修复工作，但成功修复的哈勃望远镜，性能甚至超过了原先设计的目标。观测结果表明它的分辨率比地面的大型望远镜高出几十倍。

    哈勃空间望远镜不仅取得了丰硕的科学研究成果，还以它拍摄的令人称奇的宇宙照片激发了无数人对探索宇宙的渴望。

    地面望远镜的发展也在一日千里地进步，为了随时校正镜面的重力和温度变形，镜面背后安装了一排排计算机指挥的传感器。而位于智利的由4台8米望远镜组成的VLT望远镜，甚至在激光星的帮助下，使镜面产生相应形变来补偿大气扰动的影响。这些称为“主动光学”和“自适应光学”的新技术使望远镜的分辨率达到和空间望远镜媲美的水平，使人类的视野能够达到遥远的宇宙边缘。

    未来“巨无霸”

    现在仍在空间轨道上运转的望远镜，如哈勃、斯必泽、钱德拉等，仍然会不断取得令人惊叹的数据。而未来的太空望远镜，在得到“自适应光学技术(AO)”支撑的时候，将迎来巨无霸时代。

    400年来，望远镜的巨大进步不断扩展着我们的视野，引导了人类宇宙概念的革命，推动了科学技术和社会的发展。

    21世纪，人类又有了更新更宏伟的望远镜建造计划：

    大麦哲伦望远镜(GMT)

    由美国的华盛顿卡内基研究所等8个单位与澳大利亚国立大学合作的望远镜计划，由7面8.4米口径反射镜片构成，每一个镜片的大小都与已在使用的大双筒望远镜(LBT)的相同。

    当24.5米口径的GMT把所有的光都集中起来时，其光力相当于其前辈、智利拉斯康帕纳斯天文台6.5米口径Walter Baade望远镜和Landon Clay望远镜所能达到聚光力的11倍。使用了自适应光学技术后，其探测暗弱天体的速度要快出130倍。

    GMT望远镜最后也将落户于拉斯康帕纳斯，台址海拔2516米，计划2016年落成。

    30米望远镜(TMT)

    下一个十年的中期，拥有492个巨大组件的30米望远镜(TMT)睁开它的巨眼的时候，它能收集到比10米凯克望远镜强9倍的星光，拍摄的天体星等更要暗上2.5等(也就是10倍)，分辨率则要高出3倍。

    TMT的主要目标是在近红外波段用前所未有的精度穿透宇宙深处。巨大的薄镜面阵列将巧妙排列以便可以使用自适应光学技术。TMT的分辨率将达到哈勃望远镜的10倍。

    该项目由美国加州理工学院和加拿大大学天文研究协会合作，估计总投资约10亿美元。

    欧洲超大望远镜(E－ELT)

    它巨大的镜面跨度42米，由906块六边形的小镜片组成。它是100多位欧洲南方天文台(ESO)天文学家集体智慧的结晶，估计“开光”要到2017年。

    欧空局100米望远镜计划

    欧洲空间局计划投资10亿欧元建设口径100米，聚光面积大于6000平方米的世界上最大的光学/红外望远镜。

    中国研制中的大型望远镜

    目前世界上最大的单口径射电望远镜是美国建造的口径305米阿雷西博望远镜，而中国准备利用贵州天坑建设口径500米，比阿雷西博更大、技术更先进的FAST望远镜。建成后，它将成为世界上规模最大、灵敏度最高的单口径射电望远镜，预计2014年投入使用。

    睁开巨眼 坐观星河

    相关链接：望远镜的诞生

    英语“望远镜”(telescope)一词，由tele和scope两个部分组成，它们分别源自希腊语中的tele(意为“遥远”)和skopein(意为“注视”、“视野”等)。

    人类很早就注意到了光的折射现象。一根笔直的棍子斜着插进水里，它仿佛就在空气和水的分界面上弯折了。但事实上，弯折的并不是棍子，而是光。

    把玻璃抛光成两面凸起的形状，它就成了一块凸透镜。光线通过凸透镜就会朝中心方向弯折，向焦点或焦点附近会聚。相反，凹透镜则会使通过它的光线往外发散。

    1608年，荷兰眼镜商汉斯·利帕希将两块透镜固定在一个金属管子里，制成了最早的望远镜。

    1609年，消息传到伽利略那里，他很快就研制出望远镜，并用它开始了对天体的观测。到1609年底或1610年1月初，伽利略先后制造过4架望远镜，都是折射望远镜，物镜是正透镜，目镜是负透镜，成正像，视场小，最后一架物镜有效口径3.8cm，焦距169cm,30倍。从1609年到1611年间，伽利略用这些望远镜先后发现了月面是粗糙的且有山和谷、木星有4颗卫星、银河中有许多星星、金星有盈亏、太阳有黑子等，开创了天文学研究的新时代。

    相关链接：月基望远镜

    以月球为基地的天文台称为“月基天文台”，安装在那里的望远镜则称为“月基望远镜”。

    月球表面没有大气，那里处于超真空状态。在地球上进行天文观测时地球大气层造成的一切干扰，对于月基望远镜已然不复存在。

    月球如地球一样，对天文望远镜而言，是一个巨大、稳定、而且极其坚固的“平台”，它面临的技术问题要比处于失重状态下的空间望远镜简单得多，造价亦远为低廉。

    月球上绝对无风，这对建造巨型设备也更加有利。月球上没有像地壳那样的板块运动，月球的内核也已经凝结成固态。因此，月球上“月震”活动的强度仅约为地球上地震活动的亿分之一。那里对于天文观测十分安全，尤其适宜建立基线长达几十千米甚至几百千米的光学、红外和射电干涉系统。

    地球每24小时自转一周，造成了天体东升西落的周日运动，所以通常很难长时间地跟踪观测同一个天体。月球大约每27天才自转一周，月球上每个白昼或黑夜差不多都有地球上的两个星期那么长，因而在那里持续跟踪观测一个目标可以长达300多个小时。而且，月球上没有大气，太阳光不会遭到散射，所以纵然烈日当空，照样还是繁星满天，依然可以用光学望远镜观测天体。

    当然，月基望远镜的优越性还远远不止于此。如今，要把望远镜送上月球，在技术上并没有不可逾越的障碍。在未来的岁月中，随着月球资源开发利用水平的不断提高，月基实验室和月基工厂将会越来越多。迟早会有一天，人们将能在月球上就地取材，利用月球本身的资源来兴建月基望远镜和月基天文台。

    21世纪伊始，欧洲天文学家们就曾构想如何建造口径大到100米的光学天文望远镜。这架设想中的望远镜英文名缩写为OWL，而英语单词owl的原意为“猫头鹰”。将来，人类如果能在月球上就地取材，造出一大群“月基猫头鹰”来，它们为揭示宇宙奥秘作出的贡献，必将比自从伽利略时代以来人类业已兴建的所有望远镜更加宏伟，更加辉煌!

    （本版资料由中科院国家天文台资料提供，卞毓麟、苏定强等执笔）