图解天文望远镜发展史（2）

文/ 叶楠

天文望远镜的诞生与日心说的崛起

在欧洲中世纪末期，关于太阳系大行星的运行，地心说依然占据着绝对的统治地位。虽然有关日心说的观测证据越来越多，但地心说依附在腐朽的教会统治下依然是当时的主流学说。不过随着几代天文学家的前赴后继，在天文望远镜诞生以后越来越多的观测证据面前，地心说的统治即将走向终点。

《天体运行论》

天文学家哥白尼从1506 年回到波兰任教后开始写《天体运行论》，并在自己任职的地方修建了小型天文台，利用自制的仪器进行天文观测和计算。1536 年《天体运行论》完成，但由于书中日心说的观点为当时的宗教统治所不容，出版人只好伪造了一篇没有署名的前言，说书中的理论并不是描述天体的真实运动，而只是一种人为设计，这样这本书才得以顺利出版。1543 年，临终前的哥白尼终于见到了出版的著作。这篇前言在半个多世纪里确实骗过了许多人，直到1616 年，罗马教廷才将《天体运行论》列为禁书，不过这并不能阻碍地心说被日心说所取代。图为《天体运行论》中关于太阳系行星围绕太阳运行的插图。

支持日心说的殉道者——布鲁诺

布鲁诺是文艺复兴时期著名的哲学家，他曾经在《论无限、宇宙和诸世界》中提出过宇宙是物质的、统一的、无限的和永恒的观点，认为在太阳系之外还有无数个天体系统。从1593 年起，布鲁诺因为异端罪名受到罗马宗教法庭的审问，指控包括他否认数项天主教核心信条等。最终宗教法庭判其有罪，并于1600 年在罗马鲜花广场处以火刑。现在我们都知道布鲁诺因其支持日心说而闻名，并在后世被当作科学烈士加以纪念。但是在历史学家眼里，宗教法庭对他施以酷刑的原因究竟是因为其神学观点还是因为对日心说的支持，依旧是有争议的。不过布鲁诺仍然是关于自由思想和科学思想发展历史中的重要人物。图为矗立在罗马鲜花广场上的布鲁诺雕像。

望远镜的诞生

早在公元前2 世纪，托勒密就有过关于透镜的反射、折射和颜色等光学性质的记录。12 世纪的欧洲，已经出现了阅读石，或者现在称为放大镜，以及利用聚光进行取火的透镜。到了13 世纪，透镜已经有了广泛应用，能够矫正视力的眼镜也在这个时期诞生。1608 年，荷兰眼镜商人利普赛申请了一种可以将远方的物体看成仿佛就在近处的仪器的专利。利普赛的设计是利用一个凸透镜和一个凹透镜的组合，能够将物体放大3 倍。不过，由于还有其他眼镜商人都自称是望远镜的发明者，也都开始申请专利，所以利普赛并没有得到专利权，但是新发明的消息很快从荷兰传遍了整个欧洲。图为诗人布吕纳于1624 年创作的版画《荷兰望远镜》。

伽利略

伽利略是科学史上的重要人物之一，他被誉为现代物理学之父、现代科学之父以及现代观测天文学之父等。他在比萨斜塔上扔下两种不同质量的球以证明物体下落时间与其质量无关的故事大家都耳熟能详。1609 年，当望远镜发明的信息传到伽利略耳朵里时，他对荷兰商人的望远镜进行了改良，将望远镜的放大倍率增加到了9 倍，后来又增加到了30 倍。伽利略开始将他的望远镜指向夜空，开启了观测天文学历史上最重要的一次变革。

木星卫星的发现

1610 年1 月7 日，伽利略利用望远镜发现在木星周围有3 个天体，虽然暗弱，但它们的位置和木星呈一条直线。而到了第二天，他发现这3 个天体的相对位置发生了改变，那么它们一定不是恒星。1 月10日，伽利略又发现3 个天体只能观测到2 个，他敏锐地意识到消失的那一颗应该是藏到了木星的背后。1 月13 日，他又在木星旁边发现了第4 颗这样的天体。随后伽利略公布了他的结论，认为这4 颗天体是木星的卫星，它们都围绕木星公转。但这一发现并不符合亚里士多德的宇宙观，当然也与宗教所支持的地心说相悖。木星卫星的发现点燃了一场不仅仅是天文学领域的革命。为纪念这一发现，后人将木星的这4 颗卫星统称为“伽利略卫星”。图为木星与“伽利略卫星”。

金星相位的发现

1610 年9 月，伽利略经过长期观测发现金星的相位与月球有许多相似之处，在不同日期，金星会像月球一样呈现出类似新月、上弦月、盈凸月、亏凸月、下弦月、残月等形状。但是，根据托勒密地心说模型，金星轨道在太阳轨道内侧围绕地球旋转，是不可能出现类似凸月或满月的相位的。在同一时期，许多天文学家也发现了这一现象，但都采取各种新的模型去对托勒密的地心说进行“缝缝补补”，并没有完全否定地心说，而伽利略却直接将目光投向了日心说。图为不同日期金星相位的对比照片以及伽利略的手稿记录。

伽利略的其他发现

利用自己制作的天文望远镜，伽利略对天上诸多天体都进行了观测。那些曾经模糊、暗弱的天体在望远镜中变得清晰、明亮，甚至利用望远镜还能看到曾经完全看不到的天体。伽利略在观测土星时发现了它的光环，在观测太阳时发现了太阳黑子，在观测月球时发现月面上那些奇怪的斑点实际上是月面的某种地质结构。伽利略不是第一个利用望远镜观测月球的人，但却是第一个利用光影原理解释环形山结构的人。他还将望远镜指向了银河，发现曾经被认为是云雾的银河是由一颗颗恒星组成的集团。甚至伽利略还观测到了海王星，但遗憾的是他并没有发现这是一颗行星。天文望远镜对于天文学后续发展的影响是不言而喻的。图为陈列在格里菲斯天文台的伽利略望远镜的复制品。

伽利略与日心说

伽利略是日心说的坚定捍卫者。1616 年，他上书罗马教廷不要禁止哥白尼思想，但得到的结果却是《天体运行论》的下架和教廷对伽利略的警告，警告他可以将日心说当成数学模型和科幻，但如果敢宣扬日心说是物理现实，那后果将是极其严重的。16 年后的1632 年，因为新上任的教宗乌尔班八世一直非常尊重伽利略并和他有着很深厚的友谊，伽利略《关于托勒密与哥白尼两大世界体系的对话》（如图）一书才能够得以出版。但这一举动却引发了政敌的攻击，这本书也成为了伽利略攻击地心说的证据，同年伽利略受到罗马教廷的审判。1634 年，伽利略在朋友的帮助下被允许回到家乡度过余生，并在软禁期间完成了他的经典著作之一《两种新科学》。

开普勒

开普勒从小就对天文学有着浓厚的兴趣，在大学时期，他学习了有关行星运动的托勒密地心说体系和哥白尼日心说学说，并成为哥白尼的支持者。1600年开普勒见到了第谷，从此影响天文学及人类文明发展的重大标志性发现开始孕育。1601 年底，在第谷突然逝世之后，开普勒成为了他的继任者。开普勒对第谷的火星长期观测数据进行了细致的研究，在此期间发现了开普勒第一、第二定律，包含这些结果在内，开普勒在1609 年发表了《新天文学》。第三定律则是发现于1618 年。开普勒将椭圆引入行星公转轨道之中，物理学方法也开始进入天文学研究之中，这彻底解决了行星运动之谜，也彻底摧毁了托勒密的宇宙体系。图为《新天文学》中在地心坐标系下火星运行轨迹的图示。

1604 年，开普勒发表了《天文学的光学需知》，在这篇文章里他对光的反射、光强与距离的关系、视差与天体大小等等问题进行了深入研究，被认为是现代光学的开篇之作。与此同时，开普勒也开始对望远镜光学原理展开研究。1611 年，《折射光学》发表，开普勒提出了望远镜的理论基础，以及如何制作伽利略望远镜。他还对伽利略望远镜进行了改进，利用两个凸透镜取代了伽利略的凸凹透镜组合，这样的望远镜虽然成像是颠倒的，但是却拥有更长的焦距和放大倍率，而颠倒成像对于天文观测来说是无所谓的。现代的折射望远镜大都继承了这种设计，也被称为开普勒式折射望远镜。

从日心说的提出到开普勒三定律的证明，在欧洲科学革命的第一阶段，天文望远镜的出现扮演着至关重要的角色。它彻底改变了天文观测的方式，也进一步将天文学从占星术的桎梏中解放出来，天文学从一门自文明诞生之初就服务于统治阶级的学说，脱胎换骨成真正研究宇宙天体的自然科学。整个科学革命一直持续到18 世纪末，对人类生产力的提高以及人类社会的组织结构都产生巨大的影响，从此开启了人类文明新的篇章。在此期间，天文望远镜的发展也极为迅速，下期我们将介绍当时发明制造的具有代表性的天文望远镜。