艾薩克·牛頓的反射望遠(yuǎn)鏡。| 圖片來(lái)源：Matt Brown/Flickr
1672年1月11日，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員觀看了艾薩克·牛頓（Isaac Newton）的反射望遠(yuǎn)鏡的演示，這個(gè)望遠(yuǎn)鏡使用的是鏡面成像，而不是自伽利略時(shí)代以來(lái)就一直使用的透鏡成像。后來(lái)，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的會(huì)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(shuō)法立即遭到了另外兩位競(jìng)爭(zhēng)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(shí)用的反射望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間，又比牛頓晚了半個(gè)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(gè)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(méi)有證據(jù)表明希羅真的建造了反射鏡。不過(guò)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(wú)線電傳輸集中到一個(gè)緊密的信號(hào)焦點(diǎn)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(shí)，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(méi)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(shí)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(méi)有實(shí)際嘗試建造這樣一個(gè)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(tái)帶有曲面銅鏡的望遠(yuǎn)鏡。由這面鏡子在焦點(diǎn)處形成的圖像需要放大才能看得見(jiàn)。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(guò)讓光線穿過(guò)這種目鏡來(lái)達(dá)到放大效果，但是他發(fā)現(xiàn)最終的圖像被扭曲得無(wú)法識(shí)別。他意識(shí)到了反射望遠(yuǎn)鏡的一個(gè)主要問(wèn)題：磨削和拋光曲面的金屬制望遠(yuǎn)鏡反射鏡是一項(xiàng)棘手的工作，因?yàn)榉瓷溏R表面的任何誤差都會(huì)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(huì)減弱缺陷的影響，而鏡子則會(huì)放大缺陷的影響。）
即使這個(gè)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(gè)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(gè)是形成圖像的主鏡，另一個(gè)是將圖像投影到望遠(yuǎn)鏡外的副鏡。法國(guó)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(jì)方案。不過(guò)他從未試圖將他的設(shè)計(jì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，可能是他意識(shí)到了制造拋物面鏡會(huì)遇到許多艱巨的問(wèn)題。
○ 任意直線（L）、焦點(diǎn)（F）和頂點(diǎn)（V）的拋物線。進(jìn)入拋物面鏡的平行光線聚焦在F點(diǎn)。頂點(diǎn)為V，對(duì)稱軸穿過(guò)V和F。對(duì)于偏軸的反射望遠(yuǎn)鏡（只有部分拋物面在P1點(diǎn)和P3點(diǎn)之間），接收點(diǎn)仍放置在拋物面的焦點(diǎn)處，但它不會(huì)投影到反射望遠(yuǎn)鏡上。| 圖片來(lái)源：Wikipedia
說(shuō)到這里，艾薩克·牛頓才在這個(gè)故事里出現(xiàn)。1668年左右，牛頓用自己設(shè)計(jì)的銅錫砷合金制成的鏡子，成功地制造出了一臺(tái)能正常工作的反射望遠(yuǎn)鏡。他做了一點(diǎn)“小手腳”，制造了一個(gè)球面鏡，雖然這個(gè)球面鏡無(wú)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(gè)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(shí)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(kāi)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(gè)略有不同的反射望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)，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(gè)設(shè)備，他的設(shè)計(jì)也和祖奇的有所不同，那是一個(gè)完整的雙鏡反射望遠(yuǎn)鏡。盡管格雷戈里聘請(qǐng)了倫敦最好的鏡片制造師理查德·里夫（Richard Reeve）來(lái)制作鏡子，但他還是無(wú)法達(dá)到產(chǎn)生可用圖像所需的質(zhì)量。
據(jù)說(shuō)，牛頓的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手羅伯特·胡克（Robert Hooke）在1674年成功地制造出了一個(gè)功能正常的格雷戈里望遠(yuǎn)鏡，但它只是個(gè)“孤品”，而且沒(méi)有被保存下來(lái)。兩年前，是胡克把格雷戈里對(duì)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(guó)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(jì)過(guò)一個(gè)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(jì)的望遠(yuǎn)鏡。他的設(shè)計(jì)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(jì)并沒(méi)有立即帶來(lái)可用的儀器。而牛頓的設(shè)計(jì)同樣沒(méi)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(diǎn)，但牛頓的球面鏡無(wú)法有效地放大，這使它成為了一個(gè)在科學(xué)上需要進(jìn)一步探究的問(wèn)題。
早期的折射望遠(yuǎn)鏡存在兩個(gè)主要的光學(xué)問(wèn)題，即球差和色差。首先，一個(gè)簡(jiǎn)單的透鏡，它的曲面是一個(gè)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(huì)把光線聚焦在一個(gè)點(diǎn)上，所以它一定會(huì)產(chǎn)生畸變圖像。這種球差可以通過(guò)使用焦距非常長(zhǎng)的透鏡來(lái)減小，但這種解決方案導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡變得越來(lái)越長(zhǎng)，越來(lái)越笨重。第二個(gè)問(wèn)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(guò)透鏡時(shí)都會(huì)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(huì)出現(xiàn)一點(diǎn)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(lái)源：Wikipedia
沒(méi)有透鏡的反射望遠(yuǎn)鏡比簡(jiǎn)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(tái)望遠(yuǎn)鏡的50多年后，英國(guó)發(fā)明家約翰·哈德利（John Hadley）才成功地制造出了一臺(tái)大型牛頓反射望遠(yuǎn)鏡（并且沒(méi)有采用牛頓設(shè)計(jì)的球面鏡）。英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的成員用克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）的120英尺長(zhǎng)的折射望遠(yuǎn)鏡對(duì)它進(jìn)行了測(cè)試，并宣布這臺(tái)牛頓反射望遠(yuǎn)鏡性能優(yōu)異。哈德利接著又制造了一臺(tái)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(shí)領(lǐng)先的儀器制造師傳授一種可重復(fù)的方法，來(lái)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(tái)都使用反射望遠(yuǎn)鏡。我們應(yīng)該把這份功勞記在誰(shuí)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(shí)？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(dú)完成的工作。
從這個(gè)故事中我們學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)遠(yuǎn)不止適用于這一個(gè)事例。對(duì)于幾乎所有的設(shè)備來(lái)說(shuō)，聲稱一個(gè)人是發(fā)明者或許都有些問(wèn)題。概念、演示和實(shí)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(zhǎng)而曲折的道路。
撰文：Thony Christie（科學(xué)史學(xué)者，現(xiàn)居德國(guó)。）