從誕生到應(yīng)用，望遠鏡改變?nèi)祟愑钪嬗^

“天外有天”

在伽利略之前，沉迷于夜空世界的天文學者只能用他們的肉眼來觀察天空。伽利略自制的望遠鏡所放大的倍率在今天看來小得可憐，但在人類科學史上卻引發(fā)了一場革命。從那以后，望遠鏡口徑的每一次增大都會使我們認識宇宙的眼界得到擴展。

人類對天空的關(guān)注同文明的歷史一樣久遠。為了知道日期、季節(jié)、何時播種、何時過冬，人們總是仰望蒼穹，從閃閃的星空尋找答案。為了便利地觀測天象，古代天文學家修建了觀象臺，借助各種記錄天體方位的儀器，記下了他們所看到的日月星辰的位置、運動以及日食、彗星等特殊天象。

1608年，荷蘭人里帕席發(fā)明了一種能夠把遠處物體放大的“光管”，并為此申請了專利。

1609年，意大利物理學家伽利略聽說此事后，經(jīng)過研究獨立制成一架口徑4.4厘米、長1.2米、放大率32倍的望遠鏡。當他把望遠鏡指向天空時，很快就發(fā)現(xiàn)銀河原來是由數(shù)不清的星星組成的，月亮并不像亞里士多德所說的那樣完美，而是有山有谷，木星有4個圍繞著它運轉(zhuǎn)的衛(wèi)星，而不是地心說主張的那樣，所有天體都圍繞著地球運行。

望遠鏡的威力來源于它收集光線的面積遠遠超過人眼的瞳孔，望遠鏡口徑越大，看得就越遠，也越清楚。這就是后來望遠鏡越做越大的原因。

借助望遠鏡，荷蘭人惠更斯發(fā)現(xiàn)了土星的最大衛(wèi)星，而且他正確地觀測到土星的光環(huán)是與土星分開的；1675年，法國天文學家卡西尼發(fā)現(xiàn)并確認土星光環(huán)中有個縫，這個環(huán)縫以他的名字命名為“卡西尼環(huán)縫”。

英國科學家牛頓使天文學發(fā)生了一場革命，他發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律和光的色散，發(fā)明了鏡筒短、無色差、后來成為主流的反射式望遠鏡。100多年以后，英國天文學家威廉·赫歇爾用自制的望遠鏡發(fā)現(xiàn)了天王星，他還建成了當時世界上最大的反射式望遠鏡，首次通過觀測證實了銀河系的恒星呈扁平狀分布。

后來，在愛爾蘭，羅斯伯爵三世又建了一個更大的望遠鏡。1845年，它被建在比爾城堡的兩面石墻之間，正是這架望遠鏡發(fā)現(xiàn)了第一個不是模糊一團，而是有結(jié)構(gòu)的星云。

19世紀中葉以后，隨著科學技術(shù)的發(fā)展和工藝制造水平的提高，人們建造大型精密望遠鏡成為可能。當時，天文觀測水平大幅提高，天文學家發(fā)現(xiàn)水星近日點運動中存在牛頓力學無法解釋的部分。電磁現(xiàn)象的研究也使經(jīng)典物理學的絕對時空觀遇到了前所未有的困難。時代造就了天才愛因斯坦，他提出的狹義相對論和廣義相對論對20世紀人類科學的飛速發(fā)展產(chǎn)生了深遠影響，同時也為探索太陽和恒星能源之謎、追溯宇宙起源和演化等20世紀天文學的重大課題奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。

19世紀末20世紀初，天文學還得到了兩個革命性的工具。一個是光譜學，人們通過分析天體的光譜就可以知道它的物理性質(zhì)、化學組成和運動速度。另一個是照相術(shù)，它比目測更具積累性和客觀性。20世紀20年代，美國天文學家哈勃正是借助這兩種工具從威爾遜山天文臺的2.5米望遠鏡中發(fā)現(xiàn)，仙女座星云其實是由大量恒星組成的，而且其距離遠遠超過銀河系的尺度。基于此，人們終于知道銀河系外“天外有天”的事實了。

三次飛躍

天文望遠鏡的發(fā)展經(jīng)歷了三次飛躍：哈勃的發(fā)現(xiàn)為現(xiàn)代宇宙學奠定了觀測基礎(chǔ)，射電望遠鏡的發(fā)明為如同被關(guān)在黑屋子里窺探外界的人類打開了一扇大窗，而空間望遠鏡的發(fā)射更激發(fā)了無數(shù)人對探索宇宙的渴望。

1929年，哈勃在威爾遜山天文臺觀察了18個星系的光譜，發(fā)現(xiàn)都明顯向紅端移動，說明這些星系都在以極大速度離我們而去，而且星系離我們越遠，退行速度越快，這意味著宇宙正在膨脹。哈勃的這一重要發(fā)現(xiàn)為現(xiàn)代宇宙學奠定了觀測基礎(chǔ)。

哈勃的成就激勵了全世界建造更大望遠鏡的決心，而一個偶然的發(fā)現(xiàn)改變了人們建造望遠鏡的思路。

1932年，美國貝爾電話公司的卡爾·央斯基為了找出無線電長途電話的干擾來源，無意中發(fā)現(xiàn)了來自銀河系中心的無線電波。天文學家對宇宙無線電波產(chǎn)生了興趣，可惜不久后爆發(fā)了第二次世界大戰(zhàn)，科學研究只能暫停下來。

第二次世界大戰(zhàn)是人類的劫難，但是戰(zhàn)爭促進了軍事技術(shù)的革新，從而帶動了科學的進步。比如，英國人為了預(yù)警德國飛機的襲擊發(fā)明了雷達。1942年，他們發(fā)現(xiàn)雷達信號會受到來自太陽黑子和耀斑的干擾?；诖?，戰(zhàn)后雷達變身為射電望遠鏡，給天文望遠鏡的發(fā)展帶來了第二次飛躍。

在此之前的幾百年中，天文觀測脫離不了“可見光”的范圍。事實上，除了可見光之外，宇宙還存在著各種射線，如γ射線、X射線、紫外線、紅外線和無線電波等。其中，無線電波可以觀測到的有效波長區(qū)是可見光的109倍。人們曾這樣形容，用可見光的波長來觀測宇宙就如同被關(guān)在黑屋子里的人從門縫看房子外面的一切。射電望遠鏡的發(fā)明猶如給這間黑屋子開了一扇大窗，它們以類星體、脈沖星、宇宙微波背景、星際分子等一系列卓越的發(fā)現(xiàn)譜寫了天文學發(fā)展史上輝煌的一章。

由于地球大氣的影響，大部分短波長的紫外線及X射線無法到達地面。為了觀測它們，唯一的辦法是去大氣層外。航天技術(shù)給望遠鏡帶來了第三次也是最徹底的一次飛躍。

1970年12月，美國天文學家賈可尼領(lǐng)導發(fā)射了一個名為“自由號”的X射線衛(wèi)星，隨著它和后來的愛因斯坦衛(wèi)星發(fā)射升空，數(shù)千個新的X射線源被發(fā)現(xiàn)。

1990年4月，由美國宇航局主持建造的巨型空間天文臺——口徑2.4米、觀測波段從紫外線延伸到近紅外線的哈勃空間望遠鏡由航天飛機運載升空。盡管由于人為差錯，哈勃空間望遠鏡不得不在1993年進行了規(guī)模浩大的修復(fù)工作，但成功修復(fù)的望遠鏡性能超過了原先設(shè)計的目標。觀測結(jié)果表明，它的分辨率比地面的大型望遠鏡高出幾十倍。

哈勃空間望遠鏡不僅取得了豐碩的科學研究成果，而且以它拍攝的令人稱奇的宇宙照片激發(fā)了很多人對探索宇宙的渴望。

星空從來都是人類好奇心和想象力的源泉，隨著天文望遠鏡的誕生、發(fā)展和應(yīng)用，人類對于宇宙的認知變得更加清晰。

來源|《文匯報》