400年来，人类是如何用光学技术窥探天体的？探寻望远镜的前世今生

400年来，人类是如何用光学技术窥探天体的？探寻望远镜的前世今生

从伽利略的双镜望远镜到现代射电望远镜，人类对宇宙的探索从未停止。本文将带你穿越400年的时光，见证望远镜技术的发展历程，以及它如何帮助我们窥探宇宙的奥秘。

自人类产生智慧以来，便从未停止探索未知的脚步。抬头仰望星空，望远镜的问世让我们看得更远；低头凝视万物，显微镜的诞生给人类打开了微观世界的大门。

望远镜是一种可以让我们看到遥远天体的神奇工具，它的原理是利用透镜或反射镜等光学器件，将远处物体的光线收集并放大，形成清晰的像。望远镜有两个主要的作用：一是放大远处物体的张角，使人眼能看清更小的细节；二是增加光线的亮度，使人眼能看到更暗弱的物体。

站在巨人的肩膀上

世界上第一架望远镜是由“近代科学之父”伽利略（1564年2月15日~1642年1月8日）发明的双镜望远镜，这种双镜望远镜由一个凹透镜和一个凸透镜构成。就是这架在今天看起来像地摊上的玩具一样的望远镜，伽利略靠它观测到了月球陨石坑、太阳黑子、木星卫星和土星环，成为了支持哥白尼非日心说的有力证据。

望远镜发展史上的第二位重要人物，正是开普勒太空望远镜所纪念的科学家--约翰内斯·开普勒（1571年12月27日~1630年11月15日）。这位被称为“天空立法者”的杰出科学家，是现代实验光学的奠基人。开普勒基于不同于伽利略望远镜的另一种光学成像原理--光的折射，设计了一种全新的望远镜，因此得名为折射望远镜。

这种望远镜由两个凸透镜组成，使视野更加宽阔。至今为止，所有的折射式天文望远镜利用的都是开普勒式光学系统。折射式望远镜一经发明，在19世纪初迅速成为天文学界的主力“观察员”，肩负了当时的许多研究热点，比如天体测量、邻近恒星的位置测定等。

但折射望远镜设计方面有一个无法避免的缺陷，透镜的焦距被缩短了，因此需要大大增加镜片的厚度，于是便出现了色散与相差的问题。这个问题的解决者就是望远镜发展史上第三个里程碑式人物，他用自己被苹果砸过的脑瓜，为整个物理界铺设了一块基石--经典力学，这个人就是艾萨克·牛顿（1643年1月4日~1727年3月31日）。

牛顿曾说过：“如果说我比别人看得远些的话，是因为我站在巨人的肩膀上。”开普勒无疑是他所指的巨人之一。牛顿发明的反射式望远镜，一举解决了色差的问题。反射望远镜的原理是使用一面凹透镜将光线聚集并反射到焦点上，因此反射镜的镜面越大，收集到的光越多，放大的倍率越大。这种望远镜的放大倍率甚至可以达到数百万倍，远远地将折射望远镜甩在后面。

进入施密特望远镜时代

1930年，美国科学家乔治·里奇（George Ritchey，1864—1945）和法国天文学家亨利·克里斯丁（Henri Chrétien，1879—1956）合作发明Ritchey-Chrétien望远镜（又称为组合望远镜，Compound telescope）。常用的望远镜有三种：反射望远镜（这是牛顿的设计）；折射望远镜（最为简单常用）；组合望远镜。

组合望远镜不仅大大地缩短望远镜镜管的长度，而且可以减少镜片的误差。期间他又提出了分块式望远镜的设计：把望远镜的镜子分拆成多块拼装，这即可降低制作成本又可提高精度。今天的大型望远镜用的都是这种设计。

凭籍威尔士山望远镜天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble，1889—1953）发现了星球光谱红移的现象。光谱红移源自奥地利科学家里斯琴·多普勒（Christian Doppler，1803—1853）发现的多普勒效应。根据多普勒效应，当救护车向着我们呼啸而来时，由于警报声速度与汽车速度的叠加，我们会听见警报声的频率会越来越高。同理，当救护车离我们而去时，我们会听见警报声的频率越来越低。

我们在地球上观察土星时也会有类似的结果：地球与木星都围绕着太阳旋转，但由于转速不同，木星有时会飞离地球，有时则飞近地球。当木星飞离地球时，我们会看见它的光谱向红色偏移，这就是红移。

哈勃当研究生时曾在耶克斯天文台工作，毕业后到了威尔士山天文台。他用的方法与上述计算星球距离的方法相似：对准一个星球拍摄一张照片，过6个月后再拍摄一张，比较星球在两张照片中的光谱。他发现遥远的星球都有红移。而且离地球越远的星星，红移得越快。据此他提出了宇宙膨胀理论。后来，科学家们进一步推论宇宙之初有一个大爆炸（big bang），从大爆炸开始至今，宇宙一直在膨胀。

1932年，贝尔实验室年轻的工程师卡尔·扬斯基（Karl G. Jansky，1905—1950）受命检测跨大西洋无线电通信的噪音问题。他搭建了一个简易的天线。

经过几个月的追踪，他注意到一个在天空中缓慢移动的噪音。这会是什么呢？他请教了一些天文学家，得出的结论是：这个噪音来自太空。他把这个结果写成文章发表并请求贝尔实验室投入资金继续研究。不过贝尔实验室以噪音对无线通信影响不大为由拒绝了他的申请，扬斯基也就没能做进一步的研究。然而他的文章却催生了射电望远镜（radio telescope）的研发，开创了射电天文学这个新领域。

2012年，美国天文学会新建成的大型射电天文望远镜阵列冠以他的名字，叫做“Karl G. Jansky Very Large Array”。

迎来射电望远镜时代

除了常规的光学望远镜，到了21世纪，迎来了射电望远镜的时代。自麦克斯韦于1865年创立电磁波理论之后，在1930年，卡尔·央斯基首次记录了来自银河系的无线电波，标志着射电天文学的诞生。到2015年，天文学家已开始计划向宇宙发射来自地球的信息，希望与太阳系其他生命取得联系。

我国目前使用中的射电望远镜FAST，利用贵州独特的喀斯特地貌而建设，其设计口径达到了500米，这台世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜，综合性能是著名的射电望远镜阿雷西博的十倍。截止2018年9月12日，这台500米口径的球面射电望远镜已发现59颗优质的脉冲星候选体，其中有44颗已被确认为新发现的脉冲星。FAST将在未来20-30年保持世界一流设备的地位。

地面上的望远镜口径越建越大、越来越先进，但是又出现了新的问题。地球的大气层使大部分短波长的紫外线和X射线都无法观测，大气抖动也会影响望远镜的分辨率，同时因为重力的作用，望远镜的自重也成为了限制其性能的因素之一。

为了突破大气层对于望远镜的束缚和干扰，利用航天技术将望远镜送到外太空的空间望远镜应运而生。高灵敏和高空间分辨率的空间红外、紫外、X射线和γ射线望远镜陆续研发升天，例如斯必泽红外空间望远镜、康普顿伽玛射电空间天文台、钱德拉X射线空间天文台等空间望远镜，它们在大气层之外多波段的宇宙空间内，为我们更深入、清晰地绘制着太空的模样。

望远镜400年的发展历程，伴随着光学知识不断交替循环的拓展与应用。望远镜里的观测对象从一开始月球这样的小小卫星，慢慢走出太阳系，发展到探索宇宙初始混浊、暗物质与暗能量、星系的演化。

望远镜的不断改造也见证了人类不断的自我认识，而恒久不变的是那颗仰望星空的初心，就像霍金在《时间简史》的序里写的：我也不知道研究宇宙的意义是什么，只是当我望向那个深色的天空就感觉它真的好美。

文章来源：北京科学中心，张庆乐413，杜如虚院士