艾薩克·牛頓的反射望遠鏡。| 圖片來源:Matt Brown/Flickr
1672年1月11日,英國皇家學會會員觀看了艾薩克·牛頓(Isaac Newton)的反射望遠鏡的演示,這個望遠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,英國皇家學會的會員認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鏡的時間,又比牛頓晚了半個多世紀。
反射望遠鏡的光學原理可以追溯到亞歷山大港的希羅(Hero of Alexandria)的反射光學,希羅是公元一世紀的一位數(shù)學家、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。
在中世紀伊斯蘭光學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世紀波斯學者伊本·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世紀才被重新發(fā)現(xiàn)。希羅是意大利文藝復興時期的藝術(shù)家工程師們最喜歡的作家,因此反射望遠鏡的原理再次出現(xiàn)在列奧納多·達芬奇(Leonardo da Vinci)未出版的手稿中絲毫不奇怪。但達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鏡。
建造望遠鏡的“榮譽”屬于意大利天文學家尼科洛·祖奇(Niccolò Zucchi),他在《光學哲學》(Optica philosophia,1652)中表示,他在1616年建造了一臺帶有曲面銅鏡的望遠鏡。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)折射望遠鏡所制作的目鏡,通過讓光線穿過這種目鏡來達到放大效果,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鏡的一個主要問題:磨削和拋光曲面的金屬制望遠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。)
即使這個望遠鏡能正常工作,祖奇的望遠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鏡。所有真正的反射望遠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鏡外的副鏡。法國數(shù)學家和物理學家馬林·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。他的望遠鏡足以觀察到木星的四顆大衛(wèi)星。它和當時的許多折射望遠鏡一樣強大,而且更加小巧。
就在牛頓公開展示他的望遠鏡的前幾年,蘇格蘭數(shù)學家和物理學家詹姆斯·格雷戈里在《光學進展》(Optica promota,1663)中發(fā)表了一個略有不同的反射望遠鏡設(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)計過一個反射望遠鏡??ㄈ窳值那闆r鮮為人知,包括他或其他人是否在17世紀試圖制造出他所設(shè)計的望遠鏡。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。盡管與折射式望遠鏡相比,反射式望遠鏡有諸多優(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上需要進一步探究的問題。
早期的折射望遠鏡存在兩個主要的光學問題,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世紀技術(shù)可以達到的唯一可能類型,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,但這種解決方案導致望遠鏡變得越來越長,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。但在折射望遠鏡中,紅光的圖像與藍光的圖像之間就會出現(xiàn)一點距離,以此類推,導致模糊的彩色條紋出現(xiàn)。
○ 牛頓望遠鏡的光路徑示意圖。| 圖片來源:Wikipedia
沒有透鏡的反射望遠鏡比簡單的折射望遠鏡能產(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鏡(并且沒有采用牛頓設(shè)計的球面鏡)。英國皇家學會的成員用克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)的120英尺長的折射望遠鏡對它進行了測試,并宣布這臺牛頓反射望遠鏡性能優(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鏡。更重要的是,他能夠向當時領(lǐng)先的儀器制造師傳授一種可重復的方法,來磨削和拋光金屬反射鏡,從而能夠批量生產(chǎn)高質(zhì)量的望遠鏡。
今天,包括哈勃太空望遠鏡在內(nèi)的許多主要天文臺都使用反射望遠鏡。我們應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鏡成為了現(xiàn)實?所有這些人的貢獻都必不可少,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到的經(jīng)驗遠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(科學史學者,現(xiàn)居德國。)