望远镜的故事 望远镜是如何发明的

伽利略的望远镜

人们总是对不了解的事物充满了好奇,比如遥远天体的真面目究竟是什么样子的。于是,人们幻想有一种千里眼,能看清遥远的东西,1608年,千里眼终于被发明出来,这就是望远镜。

这一年,在荷兰的一个眼镜作坊里,一名学徒在玩耍,当他用一前一后两块镜片观察物体时,发现远处的物体离自己很近,受此启发他发明了望远镜。他的老板不失时机地将这一发明转化成商品,并把这一发明献给政府。有了这些望远镜的帮助,弱小的荷兰海军打败了强大的西班牙舰队,使荷兰人获得了独立。

荷兰人对这个发明采取了严密的封锁,但是有关望远镜的消息还是让伽利略知道了,他立刻意识到这种东西的价值和作用。经过细心研究,伽利略也独立发明出自己的望远镜。当这架天文望远镜缓缓扫过天空时,现代科学的帷幕缓缓拉开,有关天文学最基本的事实一个个被发现出来。人们说;“哥伦布发现新大陆,伽利略发现新宇宙。”

伽利略的望远镜十分简单,它有两个镜片组成,前面的叫物镜,是一个边缘薄中间厚的透镜。具有放大功能。后面的叫目镜,镜片的中间薄周边厚,具有缩小功能。这样两个镜片配合一个圆筒组合在一起,就是一架最简单的望远镜。伽利略用它发现了木星的周围总是有四颗小星陪伴在左右,这就是木星的四颗卫星,又叫做伽利略卫星;他还发现土星好像长着一对大耳朵,那是土星的光环;他还仔细观察了月球的环形山。由于有了望远镜,人们终于知道,天上的银河原来是由无数的星星组成。这些新发现,成为哥白尼日心说的有力证据。

开普勒的望远镜

使望远镜进一步有所发展的是开普勒,它把望远镜的目镜由凹透镜改换成了凸透镜,这样前后两个镜片都具有放大作用,提高了望远镜的放大倍率。它所呈的像是倒立的,但用在天文观测上基本没有什么影响,这种望远镜叫做开普勒望远镜。

如果凸透镜对着太阳,那么它在地上就会出现一个非常亮的焦点,这个焦点距透镜中心的距离就叫做透镜的焦距,对于开普勒望远镜来说,用物镜的焦距除以目镜的焦距,就得到了它的放大倍率。开普勒望远镜的镜筒一般都很长,这也使它的放大倍率提高了不少。

使开普勒望远镜获得大发展的是威廉・赫歇尔,也就是发现天王星的那一位,他一生磨制了许多大型望远镜的镜片,他的望远镜看起来就像一门巨炮指向天空。这使他的观测手段一直优于别人,也给他带来了许多学术成果。在他的带领下,他的妹妹和儿子也都成为天文学家。

牛顿的望远镜

伽利略和开普勒的望远镜都属于折射望远镜,它们都由两个镜片组成,工作原理并不复杂,但它们的缺点却是明显的,伽利略望远镜的放大倍率太小,而开普勒望远镜的镜筒太长。有没有办法使一种望远镜既有较大的倍率镜筒又不长呢?反射望远镜就有这个优点。

反射望远镜细分起来,又有许多种类,最常见的就是牛顿式反射望远镜。它是由英国物理学家牛顿在1671年发明的。它的物镜是一片凹面镜,而不是凸透镜,它装在望远镜筒的后边,而不是前边。它的表面镀银,可以把光线汇聚到前边,在焦点处固定有一面镜子,这个镜子把物镜的图像掉转90度,射在望远镜的筒壁上,在筒壁上,设置有一个目镜,严格说来,它是一个目镜组,是由好几个镜片组成的,相当于一个目镜,这样可以提高图像质量。用这种望远镜观测天体的时候,观测者不是在望远镜的后边,而是在望远镜的侧面。由于它的反射平面镜固定起来很复杂,所以它的镜筒也并不是标准的圆形,而是中部有段鼓起,就像葫芦一样,所以又叫宝葫芦望远镜。

望远镜的发展

以上是较简单的三种望远镜的基本概况,对于较专业的天文观测来说,它们实在太简单了。远远满足不了观测需要。后来又有人发明了卡塞格林型,施密特性和马克苏托夫型望远镜,它们都以发明者的名字命名,光路原理也比较复杂。

人们往往追求望远镜的望远倍率,这一点是不可能无限扩大的。倍率太高,会影响它的成像质量。对于天文望远镜来说,倍率是一个次要的方面,人们追求的是物镜直径的大小,直径越大,它所收集的光子也越多,分辨能力也就越强。

美国曾经在1948年制造出了直径达5米的天文望远镜,它坐落在帕落马山天文台,它大大开拓了天文学家的视野,帮助他们拍摄了许多宇宙深空的照片,使美国天文学家的研究水平一下子提高了许多。不甘落后的苏联人坐不住了,于是他们造出了直径达6米的望远镜,但是这台当时世界上口径最大的望远镜成像质量很差。

现在人们已经认识到,望远镜的口径不能造得太大,过大的口径会使它的自重太大,这样就会造成镜片变形,而且它的自重也会把承载它运行的电动设备压的不能正常运作。继续提高望远镜分辨能力的新思路是制造许多小镜片,然后组合成一个大镜片。

在地球上,空气中的灰尘,不停地抖动着的大气,都成为影响望远镜观测质量的重要因素。现在的天文望远镜都建在晴朗少雨的高山上。但这还是不够理想,于是,人们又提出把望远镜放到太空去。哈勃望远镜就是目前工作最出色的一架太空望远镜,它像卫星那样围绕着地球运行,为我们提供了许多高精度的天体照片,被誉为天文学的“发现机器”。

望远镜的附件

星星在天上是一点一点地至东往西运行的,当你把望远镜对准了它以后,很快就会发现它移动了,这样就需要有一种自动跟踪设施。现在即使是天文爱好者使用的望远镜,也有自动跟踪装置。除此之外,还有导星镜,有了它的帮助,可以很容易找到目标。如果你想把看到的景象拍成照片,那么还有摄影接口,你想观测明亮的太阳,那么还有滤光镜,因为用望远镜观测太阳,会灼伤眼睛,伽利略晚年患有眼疾,就是他用望远镜观测太阳造成的。

现在望远镜的目镜通常由几组透镜组成,这样可以有不同的望远倍率,配上不同倍率的目镜组可以得到不同的观测结果,如果想要看宽广的视场,那么就用低倍率目镜组,如果想要看精细的结构,那么就用高倍率目镜组。

早期的望远镜,由于镜片制造工艺简单,常常出现像差和色差这两种毛病,它们使看到的东西或者变形,或者颜色失真。为了解决这个问题,人们就尽量延长望远镜的焦距。1722年,不拉德雷测定金星直径的望远镜,其物镜焦距长达65米,比百米短跑跑道的一半还长。后来,消色差望远镜诞生,它的目镜是由两个镜片组成,一凸一凹贴合在一起,这样就可以消除色差和球差等多种毛病。

从望远镜诞生到现在,已经历了好几代的演变,因此也就产生出许多故事。可以肯定的是,只要人们探索宇宙奥秘的好奇心存在,那么有关望远镜的故事也就永远没有结束。(国家航天局网特约撰稿/北辰)

背景知识:

色差:由白色物点向光学系统发出一束白光,经该光学系列折射后,组成该束白光的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色光,不能会聚于同一点,即白色物点不能结成白色像点,而结成一彩色像斑的成像误差,称为色差。

球差:由主轴上某一物点向光学系统发出的单色圆锥形光束,经该光学系列折射后,若原光束不同孔径角的各光线,不能交于主轴上的同一位置,以至在主轴上的理想像平面处,形成一弥散光斑(俗称模糊圈),则此光学系统的成像误差称为球差。

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