遙望宇宙深處的“眼睛”

胡平 湯樂明

時間如何開始？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)展進步、不斷壯大的天文望遠鏡。

望遠鏡的誕生：

伽利略與開普勒的創(chuàng)新

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

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處的景物，由此制成第一架望遠鏡。當(dāng)時的望遠鏡并沒有用于天文觀測，而是作為艦隊軍事裝備。

1609年，意大利科學(xué)家伽利略研制出第一臺應(yīng)用于天文觀測的光學(xué)望遠鏡，發(fā)現(xiàn)望遠鏡具有增強聚光能力和放大視角的作用。最初他制作的簡易望遠鏡只能放大3倍，經(jīng)過幾個月的改進，伽利略制成了可放大32倍的望遠鏡。伽利略用這個劃時代的天文儀器觀測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鏡。這種望遠鏡的目鏡在物鏡焦點之后，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，折射望遠鏡不可避免地存在色差。17世紀，解決色差的辦法是把焦距加長：當(dāng)焦距足夠長時，色差就變得可以忽略了。然而，焦距決定了鏡筒的長度，使得當(dāng)時最長的望遠鏡有45米。這便是早期的透射式光學(xué)望遠鏡。

望遠鏡的發(fā)展：

大口徑反射式望遠鏡時代

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

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

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

望遠鏡的意義：

以天之語，解物之道

天文學(xué)家在宇宙觀測時獲取信息的通道有：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年我國墨子號量子科學(xué)實驗衛(wèi)星專項的星地高速量子密鑰分發(fā)實驗中，中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所研制的4個地面站（望遠鏡）對量子密鑰分發(fā)實驗起到了至關(guān)重要的作用。實驗中，衛(wèi)星捕捉到地面站發(fā)來的光束（信標(biāo)光），并將該光束會聚到探測器中心;捕獲完成后，衛(wèi)星發(fā)出一光束，該光束準(zhǔn)確地指向地面望遠鏡;地面望遠鏡接收到光束，完成捕獲過程，使得衛(wèi)星和地面站最終達到通信連接狀態(tài)。

太陽大氣探測也是如今天文學(xué)以及天體物理學(xué)領(lǐng)域的一個重要問題。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，同時預(yù)防太陽對地球的危害。望遠鏡的其他應(yīng)用還有衛(wèi)星成像、激光雷達等。

“路曼曼其修遠兮，吾將上下而求索。”畏葸不前只會錯失良機。我們相信，作為人類對話宇宙的利器，望遠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》2020年第18期）

訓(xùn)練

1.伽利略望遠鏡與開普勒望遠鏡有什么區(qū)別？

答：

2.現(xiàn)代天文望遠鏡主要有哪些用途？

答：

【孫俊強/供稿】