艾薩克·牛頓的反射望遠(yuǎn)鏡。| 圖片來源：Matt Brown/Flickr
1672年1月11日，英國皇家學(xué)會會員觀看了艾薩克·牛頓（Isaac Newton）的反射望遠(yuǎn)鏡的演示，這個望遠(yuǎn)鏡使用的是鏡面成像，而不是自伽利略時代以來就一直使用的透鏡成像。后來，英國皇家學(xué)會的會員認(rèn)為牛頓是這一神奇的新儀器的發(fā)明者，直到現(xiàn)在牛頓的名字還和這種望遠(yuǎn)鏡聯(lián)系在一起。
然而，這種線性的歷史敘述掩蓋了一段更有趣、更復(fù)雜的故事。牛頓的說法立即遭到了另外兩位競爭者詹姆斯·格雷戈里（James Gregory）和洛朗·卡塞格林（Laurent Cassegrain）的質(zhì)疑。更令人困惑的是，最早使用曲面鏡聚焦光線的概念比牛頓早了1500多年，而人們最終制造出實用的反射望遠(yuǎn)鏡的時間，又比牛頓晚了半個多世紀(jì)。
反射望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)原理可以追溯到亞歷山大港的希羅（Hero of Alexandria）的反射光學(xué)，希羅是公元一世紀(jì)的一位數(shù)學(xué)家、工程師和發(fā)明家。他演示了一個彎曲的拋物面鏡能夠聚焦平行入射光線，從而產(chǎn)生圖像。沒有證據(jù)表明希羅真的建造了反射鏡。不過今天，我們經(jīng)?？吹较Ａ_的概念出現(xiàn)在建筑物的屋頂上，也就是衛(wèi)星電視天線，它將無線電傳輸集中到一個緊密的信號焦點上。
在中世紀(jì)伊斯蘭光學(xué)儀器制造者的作品中，再次出現(xiàn)了與曲面鏡聚焦特性有關(guān)的知識，最有名的是10世紀(jì)波斯學(xué)者伊本·薩赫勒（Ibn Sahl）的《論取火鏡和鏡片》（On Burning Mirrors and Lenses）中。不幸的是，伊本·薩赫勒的作品似乎沒有造成什么影響，直到20世紀(jì)才被重新發(fā)現(xiàn)。希羅是意大利文藝復(fù)興時期的藝術(shù)家工程師們最喜歡的作家，因此反射望遠(yuǎn)鏡的原理再次出現(xiàn)在列奧納多·達(dá)芬奇（Leonardo da Vinci）未出版的手稿中絲毫不奇怪。但達(dá)芬奇的興趣仍然限于假想，他并沒有實際嘗試建造這樣一個望遠(yuǎn)鏡。
建造望遠(yuǎn)鏡的“榮譽(yù)”屬于意大利天文學(xué)家尼科洛·祖奇（Niccolò Zucchi），他在《光學(xué)哲學(xué)》（Optica philosophia，1652）中表示，他在1616年建造了一臺帶有曲面銅鏡的望遠(yuǎn)鏡。由這面鏡子在焦點處形成的圖像需要放大才能看得見。祖奇利用了為傳統(tǒng)的（基于透鏡的）折射望遠(yuǎn)鏡所制作的目鏡，通過讓光線穿過這種目鏡來達(dá)到放大效果，但是他發(fā)現(xiàn)最終的圖像被扭曲得無法識別。他意識到了反射望遠(yuǎn)鏡的一個主要問題：磨削和拋光曲面的金屬制望遠(yuǎn)鏡反射鏡是一項棘手的工作，因為反射鏡表面的任何誤差都會導(dǎo)致畸變，這種畸變程度是透鏡中類似誤差所產(chǎn)生的6倍。（在透鏡中，光線的彎曲會減弱缺陷的影響，而鏡子則會放大缺陷的影響。）
即使這個望遠(yuǎn)鏡能正常工作，祖奇的望遠(yuǎn)鏡里所包含的也只是一面鏡子而已，所以它并不是一個完整的反射望遠(yuǎn)鏡。所有真正的反射望遠(yuǎn)鏡都至少有兩面反射鏡：一個是形成圖像的主鏡，另一個是將圖像投影到望遠(yuǎn)鏡外的副鏡。法國數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家馬林·梅森（Marin Mersenne）在《宇宙和諧》（Harmonie universelle，1636）中，首次提出了雙鏡反射望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計方案。不過他從未試圖將他的設(shè)計變?yōu)楝F(xiàn)實，可能是他意識到了制造拋物面鏡會遇到許多艱巨的問題。
○ 任意直線（L）、焦點（F）和頂點（V）的拋物線。進(jìn)入拋物面鏡的平行光線聚焦在F點。頂點為V，對稱軸穿過V和F。對于偏軸的反射望遠(yuǎn)鏡（只有部分拋物面在P1點和P3點之間），接收點仍放置在拋物面的焦點處，但它不會投影到反射望遠(yuǎn)鏡上。| 圖片來源：Wikipedia
說到這里，艾薩克·牛頓才在這個故事里出現(xiàn)。1668年左右，牛頓用自己設(shè)計的銅錫砷合金制成的鏡子，成功地制造出了一臺能正常工作的反射望遠(yuǎn)鏡。他做了一點“小手腳”，制造了一個球面鏡，雖然這個球面鏡無法產(chǎn)生完全精確的圖像，但它比拋物面鏡更容易磨削和拋光。然而，不要低估牛頓作為一個工匠的能力。他的望遠(yuǎn)鏡足以觀察到木星的四顆大衛(wèi)星。它和當(dāng)時的許多折射望遠(yuǎn)鏡一樣強(qiáng)大，而且更加小巧。
就在牛頓公開展示他的望遠(yuǎn)鏡的前幾年，蘇格蘭數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家詹姆斯·格雷戈里在《光學(xué)進(jìn)展》（Optica promota，1663）中發(fā)表了一個略有不同的反射望遠(yuǎn)鏡設(shè)計，使用的是拋物面主鏡和橢球面副鏡。不像梅森，他試圖建造出這個設(shè)備，他的設(shè)計也和祖奇的有所不同，那是一個完整的雙鏡反射望遠(yuǎn)鏡。盡管格雷戈里聘請了倫敦最好的鏡片制造師理查德·里夫（Richard Reeve）來制作鏡子，但他還是無法達(dá)到產(chǎn)生可用圖像所需的質(zhì)量。
據(jù)說，牛頓的競爭對手羅伯特·胡克（Robert Hooke）在1674年成功地制造出了一個功能正常的格雷戈里望遠(yuǎn)鏡，但它只是個“孤品”，而且沒有被保存下來。兩年前，是胡克把格雷戈里對牛頓的指控轉(zhuǎn)告給了牛頓。同樣是在1672年，醫(yī)生讓-巴蒂斯特·丹尼斯（Jean-Baptiste Denys）在法國一家雜志上發(fā)表了一封信，聲稱他的同胞朗洛·卡塞格林在反射望遠(yuǎn)鏡上享有“優(yōu)先權(quán)”，卡塞格林也曾設(shè)計過一個反射望遠(yuǎn)鏡?？ㄈ窳值那闆r鮮為人知，包括他或其他人是否在17世紀(jì)試圖制造出他所設(shè)計的望遠(yuǎn)鏡。他的設(shè)計使用了拋物面主鏡和雙曲面副鏡，在磨削上特別復(fù)雜。
格雷戈里和卡塞格林的設(shè)計并沒有立即帶來可用的儀器。而牛頓的設(shè)計同樣沒有。盡管與折射式望遠(yuǎn)鏡相比，反射式望遠(yuǎn)鏡有諸多優(yōu)點，但牛頓的球面鏡無法有效地放大，這使它成為了一個在科學(xué)上需要進(jìn)一步探究的問題。
早期的折射望遠(yuǎn)鏡存在兩個主要的光學(xué)問題，即球差和色差。首先，一個簡單的透鏡，它的曲面是一個球的一部分，這是17世紀(jì)技術(shù)可以達(dá)到的唯一可能類型，這種曲面不會把光線聚焦在一個點上，所以它一定會產(chǎn)生畸變圖像。這種球差可以通過使用焦距非常長的透鏡來減小，但這種解決方案導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡變得越來越長，越來越笨重。第二個問題是色差，這是最初促使牛頓發(fā)展反射望遠(yuǎn)鏡的原因。每種顏色的光在通過透鏡時都會以略微不同的角度彎曲。這種現(xiàn)象在彩虹里很美。但在折射望遠(yuǎn)鏡中，紅光的圖像與藍(lán)光的圖像之間就會出現(xiàn)一點距離，以此類推，導(dǎo)致模糊的彩色條紋出現(xiàn)。
○ 牛頓望遠(yuǎn)鏡的光路徑示意圖。| 圖片來源：Wikipedia
沒有透鏡的反射望遠(yuǎn)鏡比簡單的折射望遠(yuǎn)鏡能產(chǎn)生更清晰的圖像。然而，直到1721年，也就是在牛頓制造出第一臺望遠(yuǎn)鏡的50多年后，英國發(fā)明家約翰·哈德利（John Hadley）才成功地制造出了一臺大型牛頓反射望遠(yuǎn)鏡（并且沒有采用牛頓設(shè)計的球面鏡）。英國皇家學(xué)會的成員用克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）的120英尺長的折射望遠(yuǎn)鏡對它進(jìn)行了測試，并宣布這臺牛頓反射望遠(yuǎn)鏡性能優(yōu)異。哈德利接著又制造了一臺能正常工作的格雷戈里望遠(yuǎn)鏡。更重要的是，他能夠向當(dāng)時領(lǐng)先的儀器制造師傳授一種可重復(fù)的方法，來磨削和拋光金屬反射鏡，從而能夠批量生產(chǎn)高質(zhì)量的望遠(yuǎn)鏡。
今天，包括哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在內(nèi)的許多主要天文臺都使用反射望遠(yuǎn)鏡。我們應(yīng)該把這份功勞記在誰的頭上？是希羅的構(gòu)想，是祖奇在建造上的嘗試，還是牛頓的成功的原型？又或者，是哈德利讓反射望遠(yuǎn)鏡成為了現(xiàn)實？所有這些人的貢獻(xiàn)都必不可少，但這不是任何人可以單獨完成的工作。
從這個故事中我們學(xué)到的經(jīng)驗遠(yuǎn)不止適用于這一個事例。對于幾乎所有的設(shè)備來說，聲稱一個人是發(fā)明者或許都有些問題。概念、演示和實現(xiàn)可能非常不同，連接它們的路徑通常不是一條直線，而是一條富有挑戰(zhàn)性的、漫長而曲折的道路。
撰文：Thony Christie（科學(xué)史學(xué)者，現(xiàn)居德國。）