望远镜——望向未来

刘畅

“地球都有男朋友了，你还是单身吗？”

2015年7月23日，美国国家航空航天局（以下简称NASA）在音频新闻发布会上宣布，天文学家通过开普勒太空望远镜确认在宜居带（指行星距离恒星远近合适的区域，在这一区域内，恒星传递给行星的热量适中，既不会太热也不太冷，能够维持液态水的存在。）发现第一颗与地球大小相似的太阳系外行星开普勒一452b。这颗被NASA称为“地球2.0”的星球是迄今为止最接近“另一个地球”的外系行星，但它比地球体积更大，寿命更长。

开普勒-452b的发现是人类朝着寻找“另一个地球”迈出的重要一步，从一定意义上说，地球或许己不再“孤独”。

在人类探索太空的历史中，开普勒太空望远镜发挥了至关重要的作用——迄今为止，人类发现的系外行星总数超过1800颗，其中开普勒望远镜确认的就超过1000颗。

地球的“男朋友”如伺被发现？

开普勒太空望远镜（KEPLER）是世界上首个用于探测太阳系外类地行星的飞行器，于美国东部时间2009年3月6日22时49分57秒465毫秒（北京时间7日11时49分57秒465毫秒），从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地17-B发射台发射升空，它将是美国宇航局发射的首颗探测类地行星的探测器。在至少3年半的任务期内，“开普勒”太空望远镜将对天鹅座和天琴座中大约10万个恒星系统展开观测，寻找类地行星和生命存在的迹象。美国航天局公布的资料显示，“开普勒”太空望远镜携带的光度计装备有直径为95厘米的透镜，它将通过观测行星的“凌日”现象搜寻太阳系外类地行星。

开普勒太空望远镜探测行星的依据在于：当恒星系统中的行星运行到开普勒望远镜与恒星之间时，由于行星的遮挡，开普勒望远镜光度计传感器接收到的恒星亮度会变弱。地面科学家可以根据恒星亮度周期性的微弱变化来推算出行星的大小和轨道周期等数据。开普勒望远镜能探测到的这种亮度微弱变化可以小到百万分之十左右。这一技术方法已经被科学家采用了大约十年，并帮助了天文学家发现了300多颗较大的行星。而开普勒望远镜将目标对准更小的行星，像地球一般大的宜居住行星，它们都围绕其母恒星运转。

开普勒望远镜是世界上第一个真正能发现类地行星的太空望远镜，它将发现宜居住区围绕恒星运转的行星。

在开普勒望远镜三年半多的任务结束之前，它将让我们更好地了解其它类地行星在我们银河系到底是多还是少，这将是回答“我们是否是宇宙中的惟一”这个长久问题的关键一步。

开普勒望远镜具有太空最大的照相机，有一个95兆像素的电荷偶合器（CCD）阵列，这就像我们日常使用的数码相机中的CCD -样。并且通过定位在地日系统的第二拉格朗日点，围绕太阳运转，所以可以全时段检测目标天区。

望远镜的偶然发现

17世纪初，在荷兰的米德尔堡小城，眼镜匠利珀希几乎整日在忙碌着为顾客磨镜片。在他开设的店铺里各种各样的透镜琳琅满目，以供客户配眼镜时选用。当然，丢弃的废镜片也不少，被堆放在角落里的废镜片则成了利珀希三个儿子的玩具。

一天，当三个孩子在阳台上玩耍的时候，小弟弟双手各拿一块镜片靠在栏杆旁前后比划着看前方的景物，突然发现远处教堂尖顶上的风向标变得又大又近，他欣喜若狂地叫了起来，两个小哥哥争先恐后地夺下弟弟手中的镜片观看房上的瓦片、门窗、飞鸟……它们忽然变得十分清晰，仿佛是近在眼前。利珀希对孩子们的叙述感到不可思议，他半信半疑地按照儿子说的那样进行试验，手持一块凹透镜放在眼前，把凸透镜放在前面，手持镜片轻缓平移距离，当他把两块镜片对准远处景物时，利珀希惊奇地发现远处的视物被放大了，似乎就在眼前触手可及。

这一有趣的现象被邻居们知道了，观看后也颇感惊异。此消息一经传开，米德尔堡的市民们纷纷来到店铺要求一饱眼福，不少人愿出一副眼镜的代价买下可观看物景变近的镜片独自享用，结果废镜片成了“宝贝”。受此启示，利珀希意识到这是一桩有利可图的买卖，于是向荷兰国会提出发明专利申请。

1608年10月12日，国会审议了利珀希的申请专利后给予了回复，受理的官员指着样品对发明人提出改进要求：能够同时用两只眼睛进行观看并且“玩具”要有具体的名称，利珀希在一个套筒上装上镜片，把两个套筒联结，满足了人们双眼观看的要求，经过冥思苦想将这个玩具取名为“窥视镜”。这一年的12月5日，经改进后的双筒“窥视镜”发明专利获得政府批准，国会发给他一笔奖金以示鼓励。

伽利略天文望远镜问世

1609年6月，意大利天文学家和物理学家伽利略在威尼斯收到朋友寄来的一封信，告诉他有个荷兰眼镜商造出“窥视镜”，利用镜片的组合可看清远处的景物。

伽利略获得信息后意识到它在天文学上的应用价值，立即返回帕多瓦集中精力研究光学和透镜，反复琢磨并亲自动手将镜片安装在铜筒的两端，铜筒则被定置在固定架上。最初望远镜只能放大3倍，在此基础上，伽利略不断地摸索改进，使望远镜能够放大32倍，第一台天文望远镜就这样问世了。

从1609年末到1610年初，伽利略在佛罗伦萨用这台划时代的天文仪器进行天体观测：他发现月球表面布满了凹坑和环形山，也寻找到木星有四颗卫星；看到银河系是由无数星体组成；还观测到太阳的黑子、金星的盈亏、土星的光环等。为把天象观察结果公之于众，伽利略于1610年3月在威尼斯出版了《星空使者》一书，揭示了这一系列重大的天文发观而轰动了欧洲。

不久，德国天文学家开普勒也制造出一台新的望远镜，这台望远镜的物镜和目镜都是用凸透镜组成，前端凸镜为物镜，用来收集光线，后面的凸镜为目镜则再次将景物放大。因此这台天文望远镜观察到的景物是倒立的，他发明的这台望远望被称为“开普勒望远镜”。

开普勒利用新的望远镜观测天象，将恩师——丹麦天文学家第谷观测到的777颗恒星扩展为1005颗，1627年编制并出版了《鲁道夫星表》，因精确度高被视为标准星表。在整理第谷长达30年的天文观测资料时，发现了行星运动的三大定律，后人赞颂开普勒是“宇宙的立法者”。

天文望远镜打开了宇宙的大门，伽利略发现了新宇宙，开普勒则为星空制定了法律。

牛顿与反射式望远镜

伽利略的天文望远镜与荷兰利珀希发明的望远镜一样，都是由凹凸两透镜组成的，包括开普勒望远镜，均被称为“折射式望远镜”。由于镜片的色散作用，“折射式望远镜”看到的景物都带有彩色的边缘，如何消除透镜的“色差”这一缺陷呢？英国科学家牛顿试图解决这个难题。

牛顿用三棱镜做科学实验，观察发现玻璃能把白光分解成七色，这意味着镜片可以把不同颜色的光聚集到不同的点，从而产生一种模糊而带色的影像。牛顿在研究光的折射课题后，提出了“反射现象”的思路来设计望远镜。他认为光本身是一种折射率不同的复杂混合物，并具有规律，一旦光线的反射角等于它们的入射角，并且可以找到一种反射材料，就可避免“色差”的缺陷。

1668年，牛顿把这个设想变成了现实，制成了世界上第一台反射式望远镜，不久，牛顿又对望远镜进行改进，于1671年制成了第二台反射式望远镜，这台闪烁人类智慧之光的珍贵望远镜，至今仍保存完好，并且被英国皇家学会图书馆永久收藏。

牛顿研制的望远镜是用一个反射镜代替物镜，消除色差之后，推动了望远镜的发展。

琴师赫歇耳的重大贡献

1757年秋天，法国军队占领了德国，威廉赫歇耳和他妹妹离开故土，漂泊流浪到英国，靠街头和酒吧卖艺维持生计，过着艰辛的生活。可是，这对兄妹对天文观察有着浓厚的兴趣，为了观测星空，他们决定自己动手研制大口径的反射望远镜。

望远镜的物镜是一块采用青铜材料的反射镜，为了提高望远镜的取光作用和分辨能力，他们用手工将这块青铜磨成高精度的抛物形镜面；目镜是一块透镜，由玻璃琢磨制成。兄妹俩经过数年的努力，终于制成了两台当时世界上最大的天文望远镜，其中一台望远镜口径为1.2米，焦距长达12米。

1781年春的一个晴朗的夜晚，兄妹俩来到望远镜旁观察天象。当镜筒对准双子星座，此时有一颗不寻常的六等小星进入他们的视线，引起了赫歇耳的注意。对星空非常熟悉的赫歇耳立即判断它是一颗未知的新星，经过连续半个月的跟踪观察，终于确定它是太阳系的一颗新行星一一天王星，这一天是3月13日。为了嘉奖威廉赫歇耳发现天王星，英皇乔治三世御封他为“英国皇家天文学家。”

在天文望远镜的发展进程中，赫歇耳首创了抛物形镜面，为后来获得广泛使用的折反射式天文望远镜制造奠定了基础。同时，赫歇耳开了制造大口径反射式望远镜的先河。自此，科学家为了观测到更多的星体，又制造出了口径更大的反射式望远镜。1845年，英国天文学家罗斯造出了口径为1.84米的反射式望远镜。

历史总在不断地前进，1913年，美国威尔逊天文台装备的反射式望远镜口径增大到2.54米。由于望远镜口径的增大，致使人们对宇宙的观测和研究也逐步深入起来。美国在1948年制造出了口径达5.08米的反射式望远镜，它那镀银的抛物面玻璃反射镜竞重达14.5吨，这台望远镜被定置在帕洛马山天文台；1975年，苏联制造出了一台口径达6米的反射式望远镜，这台巨型望远镜仅转动部分就重达800吨，是目前世界上最大的反射式望远镜1930年，德国人施密特（BernhardSchmidt）将折射望远镜和反射望远镜的优点（折射望远镜像差小但有色差而且尺寸越大越昂贵，反射望远镜没有色差、造价低廉且反射镜可以造得很大，但存在像差）结合起来，制成了第一台折反射望远镜。

直至2014年6月18日，智利将夷平赛罗亚马逊（Cerro Amazones）山的山顶，用以安置世界上功率最大的望远镜“欧洲特大天文望远镜”（英文缩写EELT）。又称“世界最大的天空之眼”，宽近40米，重约2500吨，其亮度比现存望远镜高15倍，清晰度是哈勃望远镜的16倍。该望远镜造价8.79亿英镑，有望于2022年正式投入使用。

随着当代科学技术的飞速发展，我国古代的“千里眼”传说己不再是美妙的幻想，现代天文望远镜己将神话变成现实。

望远镜的用途

除了在探索宇宙空间发挥着巨大作用之外，望远镜在军事领域和生活的作用也不可小觑。

在生活中，当人们观看音乐会、戏剧表演、足球等大场地的户外比赛时，可以选用放大倍率为7-8倍，外形紧凑的望远镜；天文爱好者可以选用放大倍率在10倍左右的产品，因为较大的物镜直径可以带来更明亮和更宽广的视野。

在军事上，望远镜发挥的作用更为重要。

军事望远镜多用于观察战场、研究地形地物和侦察目标，还可用右目镜中的密位分划进行简易测量。

早期的军用望远镜都是伽利略结构，此种望远镜虽然结构简单，透光率高，但倍数和观测视场都很小。在19世纪末20世纪初在军用望远镜己用普罗棱镜结构成功解决了倍数和视场的问题，在冷战和后冷战时代，军用望远镜的使用环境发生了巨大的变化，望远镜的设计思想也有了较大的改变。首先是机械化的实现，使用者经常要在颠簸车的上使用望远镜，这就对望远镜的观测稳定性有了更高的要求。其次是核生化战争的阴影让人们设计望远镜时不得不考虑配带防毒面具时的使用，可以翻折的目镜罩越来越多的出现在军用望远镜中，这种设计也迅速的被民用望远镜采用，以方便戴眼镜的用户。进入信息时代后，军用望远镜没有出现质的飞跃和变化，但在可以预知的未来，作为一种近距离观测仪器，军用望远镜仍会继续发挥着重要作用。

望远镜的出现，让人类拥有了全新的视角来探索宇宙。过去的历史无法复原，但人类却利用望远镜望向了未知的太空领域，寻找着人类的未来。