胡平 湯樂明

時(shí)間如何開始？宇宙如何起源？生命從何而來，又向何處去？人類是否是宇宙中唯一的智慧生命？外星人存在嗎？如果存在他們又在哪兒呢？占宇宙質(zhì)量絕大部分的暗物質(zhì)和暗能量，它們的本質(zhì)是什么？古往今來，人們孜孜不倦地思考著這些問題。這些問題的研究和突破依賴于已歷經(jīng)400年發(fā)展進(jìn)步、不斷壯大的天文望遠(yuǎn)鏡。

望遠(yuǎn)鏡的誕生：

伽利略與開普勒的創(chuàng)新

古人的智慧是偉大的，早在東漢時(shí)期，天文學(xué)家張衡就發(fā)明了世界上最早的天文望遠(yuǎn)鏡——渾天儀;元代天文學(xué)家郭守敬1276年創(chuàng)制的簡(jiǎn)儀，是最早的赤道經(jīng)緯儀?，F(xiàn)代光學(xué)天文觀測(cè)從何而起呢？

1608年，荷蘭眼鏡商漢斯·李普希偶然發(fā)現(xiàn)凹透鏡和凸透鏡組合可以看清遠(yuǎn)處的景物，由此制成第一架望遠(yuǎn)鏡。當(dāng)時(shí)的望遠(yuǎn)鏡并沒有用于天文觀測(cè)，而是作為艦隊(duì)軍事裝備。

1609年，意大利科學(xué)家伽利略研制出第一臺(tái)應(yīng)用于天文觀測(cè)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡具有增強(qiáng)聚光能力和放大視角的作用。最初他制作的簡(jiǎn)易望遠(yuǎn)鏡只能放大3倍，經(jīng)過幾個(gè)月的改進(jìn)，伽利略制成了可放大32倍的望遠(yuǎn)鏡。伽利略用這個(gè)劃時(shí)代的天文儀器觀測(cè)到一些令人驚奇的現(xiàn)象：奪目的太陽上竟然有黑子;月亮上有的地方平原千里，有的地方卻高山聳峙;木星有四個(gè)小衛(wèi)星圍繞其旋轉(zhuǎn)，而且它們的位置是經(jīng)常變化的，就像月亮圍繞地球旋轉(zhuǎn)一樣。

1611年，德國(guó)科學(xué)家開普勒發(fā)明了物鏡和目鏡均采用凸透鏡的另一種折射式望遠(yuǎn)鏡。這種望遠(yuǎn)鏡的目鏡在物鏡焦點(diǎn)之后，可以放置十字絲。由于不同的光在介質(zhì)中有著不同的折射率，折射望遠(yuǎn)鏡不可避免地存在色差。17世紀(jì)，解決色差的辦法是把焦距加長(zhǎng)：當(dāng)焦距足夠長(zhǎng)時(shí)，色差就變得可以忽略了。然而，焦距決定了鏡筒的長(zhǎng)度，使得當(dāng)時(shí)最長(zhǎng)的望遠(yuǎn)鏡有45米。這便是早期的透射式光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。

望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展：

大口徑反射式望遠(yuǎn)鏡時(shí)代

近代以來，大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展才真正意義上將反射式望遠(yuǎn)鏡和透射式望遠(yuǎn)鏡徹底分開，并占據(jù)統(tǒng)治地位。反射式大口徑望遠(yuǎn)鏡同透射式大口徑望遠(yuǎn)鏡相比，具有無色差、對(duì)材料均勻性要求低、重量較輕、尺寸相對(duì)較小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易運(yùn)行和維護(hù)等優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)然，在望遠(yuǎn)鏡的大家族里，并不只有光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，還有射電望遠(yuǎn)鏡。射電望遠(yuǎn)鏡的原理與反射式光學(xué)望遠(yuǎn)鏡相似，入射的電磁波被反射鏡面反射后，同相到達(dá)公共焦點(diǎn)。用旋轉(zhuǎn)拋物面作為鏡面易于實(shí)現(xiàn)同相聚焦，因此，我們看到的射電望遠(yuǎn)鏡鏡面往往是拋物面。

不論是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，還是射電望遠(yuǎn)鏡，在未來，更大口徑依然是望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，研究者也在尋求更好的平臺(tái)，如空間、月球以及其他星系等。

望遠(yuǎn)鏡的意義：

以天之語，解物之道

天文學(xué)家在宇宙觀測(cè)時(shí)獲取信息的通道有：電磁波、宇宙線、中微子、引力波。其中，電磁波是獲取信息的主要通道。

在激光通信領(lǐng)域，2016年我國(guó)墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星專項(xiàng)的星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)中，中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所研制的4個(gè)地面站（望遠(yuǎn)鏡）對(duì)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)起到了至關(guān)重要的作用。實(shí)驗(yàn)中，衛(wèi)星捕捉到地面站發(fā)來的光束（信標(biāo)光），并將該光束會(huì)聚到探測(cè)器中心;捕獲完成后，衛(wèi)星發(fā)出一光束，該光束準(zhǔn)確地指向地面望遠(yuǎn)鏡;地面望遠(yuǎn)鏡接收到光束，完成捕獲過程，使得衛(wèi)星和地面站最終達(dá)到通信連接狀態(tài)。

太陽大氣探測(cè)也是如今天文學(xué)以及天體物理學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要問題。太陽是距離地球最近的恒星，如果能更加了解它，就有助于我們探索宇宙的奧秘，同時(shí)預(yù)防太陽對(duì)地球的危害。望遠(yuǎn)鏡的其他應(yīng)用還有衛(wèi)星成像、激光雷達(dá)等。

“路曼曼其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索?！蔽份卟磺爸粫?huì)錯(cuò)失良機(jī)。我們相信，作為人類對(duì)話宇宙的利器，望遠(yuǎn)鏡及其傳奇故事必將繼續(xù)演繹下去，譜寫出新的篇章。

（選自《百科知識(shí)》2020年第18期）

訓(xùn)練

1.伽利略望遠(yuǎn)鏡與開普勒望遠(yuǎn)鏡有什么區(qū)別？

答：

2.現(xiàn)代天文望遠(yuǎn)鏡主要有哪些用途？

答：

【孫俊強(qiáng)/供稿】