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望远镜的发明故事



  望远镜开阔了人们的视野,在科技、军事、经济建设及生活领域中有着广泛的应用,天文望远镜有“千里眼”美誉之称。

  那么,望远镜是怎样发明出来的呢?让我们追溯历史,去寻觅天文望远镜在发展进程中留下的足迹。

  早先的望远镜是玩具

  17世纪初,在荷兰的米德尔堡小城,眼镜匠利珀希几乎整日在忙碌着为顾客磨镜片。在他开设的店铺里各种各样的透镜琳琅满目,以供客户配眼镜时选用。当然,丢弃的废镜片也不少,被堆放在角落里的废镜片成了利珀希三个儿子的玩具。

  一天,三个孩子在阳台上玩耍,小弟弟双手各拿一块镜片靠在栏杆旁前后比划着看前方的景物,突然发现远处教堂尖顶上的风向标变得又大又近,他欣喜若狂地叫了起来,两个小哥哥争先恐后地夺下弟弟手中的镜片观看房上的瓦片、门窗、飞鸟……它们都很清晰,仿佛是近在眼前。利珀希对孩子们的叙述感到不可思议,他半信半疑地按照儿子说的那样试验,手持一块凹透镜放在眼前,把凸透镜放在前面,手持镜片轻缓平移距离,当他把两块镜片对准远处景物时,利珀希惊奇地发现远处的视物被放大了,似乎就在眼前触手可及。

  这一有趣的现象被邻居们知道了,观看后也颇感惊异。此消息一传开,米德尔堡的市民们纷纷来到店铺要求一饱眼福,不少人愿出一副眼镜的代价买下可观看物景变近的镜片,买回去后当作“成人玩具”独自享用,结果废镜片成了“宝贝”。受此启示,具有市场经济头脑的利珀希意识到这是一桩有利可图的买卖,于是向荷兰国会提出发明专利申请。

  1608年10月12日,国会审议了利珀希的申请专利后给予了回复,受理的官员指着样品对发明人提出改进要求:能够同时用两只眼睛进行观看;“玩具”是大类,申请专利的这个玩具应有具体的名称,利珀希很快照办了。接着他又在一个套筒上装上镜片,并把两个套筒联结,满足了人们双眼观看的要求,又经过冥思苦想将这个玩具取名为“窥视镜”。这一年的12月5日,经改进后的双筒“窥视镜”发明专利获得政府批准,国会发给他一笔奖金以示鼓励。

  伽利略天文望远镜问世

  1609年6月,意大利天文学家和物理学家伽利略在威尼斯收到朋友寄来的一封信,告诉他有个荷兰眼镜商造出“窥视镜”,利用镜片的组合可看清远处的景物。

  伽利略获得信息后意识到它具有在天文学上的应用价值,立即返回帕多瓦集中精力研究光学和透镜,反复琢磨并亲自动手将镜片安装在铜筒的两端,铜筒则被定置在固定架上。最初望远镜只能放大3倍,在此基础上,伽利略不断地摸索改进,使望远镜能够放大32倍,第一台天文望远镜就这样问世了。

  从1609年末到1610年初,伽利略在佛罗伦萨用这台划时代的天文仪器进行天体观测:发现月球表面布满了凹坑和环形山;寻找到木星有四颗卫星,像月亮绕地球转动一样;看到银河系是由无数星体组成;还观测到太阳的黑子、金星的盈亏、土星的光环等。为把天象观察结果公之于众,伽利略于1610年3月在威尼斯出版了《星空使者》一书,揭示了这一系列重大的天文发观而轰动了欧洲。

  不久,德国天文学家开普勒也制造出一台新的望远镜,这台望远镜的物镜和目镜都是用凸透镜组成,前端凸镜为物镜,用来收集光线,后面的凸镜为目镜则再次将景物放大。因此这台天文望远镜观察到的景物是倒立的,他发明的这台望远望被称为“开普勒望远镜”。

  开普勒用新的望远镜观测天象,将恩师——丹麦天文学家第谷观测到的777颗恒星扩展为1005颗,1627年编制并出版了《鲁道夫星表》,因精确度高被视为标准星表。在整理第谷长达30年的天文观测资料时,发现了行星运动的三大定律,后人赞颂开普勒是“宇宙的立法者”。

  天文望远镜打开了宇宙的大门,伽利略发现了新宇宙,开普勒则为星空制定了法律。

  牛顿与反射式望远镜

  伽利略的天文望远镜与荷兰利珀希发明的望远镜一样,都是由凹凸两透镜组成的,包括开普勒望远镜,均被称为“折射式望远镜”。由于镜片的色散作用,“折射式望远镜”看到的景物都带有彩色的边缘,如何消除透镜的“色差”这一缺陷呢?英国科学家牛顿试图解决这个难题。

  牛顿用三棱镜做科学实验,观察发现玻璃能把白光分解成七色,这意味着镜片可以把不同颜色的光聚集到不同的点,从而产生一种模糊而带色的影像。牛顿在研究光的折射课题后,提出了“反射现象”的思路来设计望远镜。他认为光本身是一种折射率不同的复杂混合物,它是有规律的,一旦光线的反射角等于它们的入射角的时候,假如以反射现象为媒介,而且只要能够找到一种反射材料,就可避免“色差”的缺陷。

  1668年,牛顿把这个设想变成了现实,制成了世界上第一台反射式望远镜,这台轻巧的望远镜镜筒直径约有25毫米,全长约为150毫米。不久,牛顿又对望远镜进行改进,于1671年制成了第二台反射式望远镜,这台闪烁人类智慧之光的珍贵望远镜,至今仍保存完好,被英国皇家学会图书馆永久收藏。

  牛顿研制的望远镜是用一个反射镜代替物镜,消除色差之后,推动了望远镜的发展。

  琴师赫歇耳的重大贡献

  1757年秋天,法国军队占领了德国,威廉?赫歇耳和他妹妹离开故土,漂泊流浪到英国,靠街头和酒吧卖艺维持生计,过着艰辛的生活。可是,苦中有乐,这对兄妹对天文观察有着浓厚的兴趣,为了观测星空,他们决定自己动手研制大口径的反射望远镜。

  望远镜的物镜是一块采用青铜材料的反射镜,为了提高望远镜的取光作用和分辨能力,他们用手工将这块青铜磨成高精度的抛物形镜面;目镜是一块透镜,由玻璃琢磨制成。兄妹俩经过数年的努力,终于制成了两台当时世界上最大的天文望远镜,其中一台望远镜口径为1.2米,焦距长达12米。

  1781年春的一个晴朗的夜晚,兄妹俩来到望远镜旁观察天象。当镜筒对准双子星座,此时有一颗不寻常的六等小星进入他们的视线,引起了赫歇耳的注意。对星空非常熟悉的赫歇耳立即判断它是一颗未知的新星,经过连续半个月的跟踪观察,终于确定它是太阳系的一颗新行星——天王星,这一天是3月13日。为了嘉奖威廉?赫歇耳发现天王星,英皇乔治三世御封他为英国皇家天文学家。

  在天文望远镜的发展进程中,赫歇耳的功绩是首创了抛物形镜面,依据它的原理,为后来获得广泛使用的折反射式天文望远镜制造奠定了基础。同时,赫歇耳开了制造大口径反射式望远镜的先河,从那以后,科学家为了观测到更多的星体,又制造出了口径更大的反射式望远镜。1845年,英国天文学家罗斯造出了口径为1.84米的反射式望远镜。

  历史总在不断地前进,1913年,美国威尔逊天文台装备的反射式望远镜口径增大到2.54米。由于望远镜口径的增大,致使人们对宇宙的观测和研究也逐步深入起来。美国在1948年制造出了口径达5.08米的反射式望远镜,它那镀银的抛物面玻璃反射镜竟重达14.5吨,这台望远镜被定置在帕洛马山天文台;1975年,苏联制造出了一台口径达6米的反射式望远镜,这台巨型望远镜仅转动部分就重达800吨,是目前世界上最大的反射式望远镜。

  沿着科学发展的现代望远镜

  1930年,德国光学家施密特发明了折反射式天文望远镜,这台望远镜装有设计十分奇特的改正透镜,其前面是平的,后面则是一个中间凸两边凹的曲面,它可消除几种主要象差,以获得相对大的口径及大的视场,用来拍摄天空广大区域。

  现代望远镜的研制仍在继续,美国工程师雷伯是无线电爱好者,1937年,他在芝加哥郊区的寓所后院,安装了一台直径为9.45米的抛物面反射器,以其代替透镜;1938年初,雷伯开始用它进行观测,并接收来自太阳和其他天体的射电波,世界上第一台射电望远镜研制成功。

  第二次世界大战后,随着科学技术水平的日趋提高,射电望远镜极大地扩展了人们的视野。巨碗似的天线能收集来自宇宙深处的微弱电波,当电波由天线传入接收机后,接收机屏幕则将波形放大,并自动记录供天文学家进行研究分析,由此揭开了一个又一个的宇宙之谜。20世纪60年代,天文学家发现的星际有机分子、类星体、脉冲星以及微波背景辐射等,都是射电望远镜创建的功绩。

  为了揭开宇宙深处的奥秘,望远镜再创辉煌。美国在1962年策划了“空间望远镜”的研制。1990年4月25日,航天飞机“发现号”将一台名为“哈勃”的空间光学望远镜发射进入太空轨道。这台空间望远镜由光学望远镜、科学仪器舱及保障系统三大部分组成,其外形呈圆柱形,长为13.3米,直径为4.3米,总重量达12.5吨,先进的航天技术可确保“哈勃”空间望远镜在太空中飞行15年。

  空间望远镜避免了大气对天文观测的干扰,可以看到地面望远镜7倍的深空、弱50倍恒星及扩展350倍宇宙空间,其灵敏度和分辨率比地面望远镜强10倍,可为天文学家发现地面无法观测到的天体现象和搜寻宇宙中出现的任何蛛丝马迹。

  随着当代科学技术的飞速发展,我国古代的“千里眼”传说已不再是美妙的幻想,现代天文望远镜已将神话变成现实。


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