谁架起了我们与星空的桥梁？
文章来源：原理
艾萨克·牛顿的反射望远镜。|图片来源：MattBrown/Flickr艾萨克·牛顿的反射望远镜。|图片来源：MattBrown/Flickr
1672年1月11日，英国皇家学会会员观看了艾萨克·牛顿(IsaacNewton)的反射望远镜的演示，这个望远镜使用的是镜面成像，而不是自伽利略时代以来就一直使用的透镜成像。后来，英国皇家学会的会员认为牛顿是这一神奇的新仪器的发明者，直到现在牛顿的名字还和这种望远镜联系在一起。
然而，这种线性的历史叙述掩盖了一段更有趣、更复杂的故事。牛顿的说法立即遭到了另外两位竞争者詹姆斯·格雷戈里(JamesGregory)和洛朗·卡塞格林(LaurentCassegrain)的质疑。更令人困惑的是，最早使用曲面镜聚焦光线的概念比牛顿早了1500多年，而人们最终制造出实用的反射望远镜的时间，又比牛顿晚了半个多世纪。
反射望远镜的光学原理可以追溯到亚历山大港的希罗(HeroofAlexandria)的反射光学，希罗是公元一世纪的一位数学家、工程师和发明家。他演示了一个弯曲的抛物面镜能够聚焦平行入射光线，从而产生图像。没有证据表明希罗真的建造了反射镜。不过今天，我们经常看到希罗的概念出现在建筑物的屋顶上，也就是卫星电视天线，它将无线电传输集中到一个紧密的信号焦点上。
在中世纪伊斯兰光学仪器制造者的作品中，再次出现了与曲面镜聚焦特性有关的知识，最有名的是10世纪波斯学者伊本·萨赫勒(IbnSahl)的《论取火镜和镜片》(OnBurningMirrorsandLenses)中。不幸的是，伊本·萨赫勒的作品似乎没有造成什么影响，直到20世纪才被重新发现。希罗是意大利文艺复兴时期的艺术家工程师们最喜欢的作家，因此反射望远镜的原理再次出现在列奥纳多·达芬奇(LeonardodaVinci)未出版的手稿中丝毫不奇怪。但达芬奇的兴趣仍然限于假想，他并没有实际尝试建造这样一个望远镜。
建造望远镜的“荣誉”属于意大利天文学家尼科洛·祖奇(NiccolòZucchi)，他在《光学哲学》(Opticaphilosophia，1652)中表示，他在1616年建造了一台带有曲面铜镜的望远镜。由这面镜子在焦点处形成的图像需要放大才能看得见。祖奇利用了为传统的(基于透镜的)折射望远镜所制作的目镜，通过让光线穿过这种目镜来达到放大效果，但是他发现最终的图像被扭曲得无法识别。他意识到了反射望远镜的一个主要问题：磨削和抛光曲面的金属制望远镜反射镜是一项棘手的工作，因为反射镜表面的任何误差都会导致畸变，这种畸变程度是透镜中类似误差所产生的6倍。(在透镜中，光线的弯曲会减弱缺陷的影响，而镜子则会放大缺陷的影响。)
即使这个望远镜能正常工作，祖奇的望远镜里所包含的也只是一面镜子而已，所以它并不是一个完整的反射望远镜。所有真正的反射望远镜都至少有两面反射镜：一个是形成图像的主镜，另一个是将图像投影到望远镜外的副镜。法国数学家和物理学家马林·梅森(MarinMersenne)在《宇宙和谐》(Harmonieuniverselle，1636)中，首次提出了双镜反射望远镜的设计方案。不过他从未试图将他的设计变为现实，可能是他意识到了制造抛物面镜会遇到许多艰巨的问题。
○任意直线(L)、焦点(F)和顶点(V)的抛物线。进入抛物面镜的平行光线聚焦在F点。顶点为V，对称轴穿过V和F。对于偏轴的反射望远镜(只有部分抛物面在P1点和P3点之间)，接收点仍放置在抛物面的焦点处，但它不会投影到反射望远镜上。|图片来源：Wikipedia○任意直线(L)、焦点(F)和顶点(V)的抛物线。进入抛物面镜的平行光线聚焦在F点。顶点为V，对称轴穿过V和F。对于偏轴的反射望远镜(只有部分抛物面在P1点和P3点之间)，接收点仍放置在抛物面的焦点处，但它不会投影到反射望远镜上。|图片来源：Wikipedia
说到这里，艾萨克·牛顿才在这个故事里出现。1668年左右，牛顿用自己设计的铜锡砷合金制成的镜子，成功地制造出了一台能正常工作的反射望远镜。他做了一点“小手脚”，制造了一个球面镜，虽然这个球面镜无法产生完全精确的图像，但它比抛物面镜更容易磨削和抛光。然而，不要低估牛顿作为一个工匠的能力。他的望远镜足以观察到木星的四颗大卫星。它和当时的许多折射望远镜一样强大，而且更加小巧。
就在牛顿公开展示他的望远镜的前几年，苏格兰数学家和物理学家詹姆斯·格雷戈里在《光学进展》(Opticapromota，1663)中发表了一个略有不同的反射望远镜设计，使用的是抛物面主镜和椭球面副镜。不像梅森，他试图建造出这个设备，他的设计也和祖奇的有所不同，那是一个完整的双镜反射望远镜。尽管格雷戈里聘请了伦敦最好的镜片制造师理查德·里夫(RichardReeve)来制作镜子，但他还是无法达到产生可用图像所需的质量。
据说，牛顿的竞争对手罗伯特·胡克(RobertHooke)在1674年成功地制造出了一个功能正常的格雷戈里望远镜，但它只是个“孤品”，而且没有被保存下来。两年前，是胡克把格雷戈里对牛顿的指控转告给了牛顿。同样是在1672年，医生让-巴蒂斯特·丹尼斯(Jean-BaptisteDenys)在法国一家杂志上发表了一封信，声称他的同胞朗洛·卡塞格林在反射望远镜上享有“优先权”，卡塞格林也曾设计过一个反射望远镜。卡塞格林的情况鲜为人知，包括他或其他人是否在17世纪试图制造出他所设计的望远镜。他的设计使用了抛物面主镜和双曲面副镜，在磨削上特别复杂。
格雷戈里和卡塞格林的设计并没有立即带来可用的仪器。而牛顿的设计同样没有。尽管与折射式望远镜相比，反射式望远镜有诸多优点，但牛顿的球面镜无法有效地放大，这使它成为了一个在科学上需要进一步探究的问题。
早期的折射望远镜存在两个主要的光学问题，即球差和色差。首先，一个简单的透镜，它的曲面是一个球的一部分，这是17世纪技术可以达到的唯一可能类型，这种曲面不会把光线聚焦在一个点上，所以它一定会产生畸变图像。这种球差可以通过使用焦距非常长的透镜来减小，但这种解决方案导致望远镜变得越来越长，越来越笨重。第二个问题是色差，这是最初促使牛顿发展反射望远镜的原因。每种颜色的光在通过透镜时都会以略微不同的角度弯曲。这种现象在彩虹里很美。但在折射望远镜中，红光的图像与蓝光的图像之间就会出现一点距离，以此类推，导致模糊的彩色条纹出现。
○牛顿望远镜的光路径示意图。|图片来源：Wikipedia○牛顿望远镜的光路径示意图。|图片来源：Wikipedia
没有透镜的反射望远镜比简单的折射望远镜能产生更清晰的图像。然而，直到1721年，也就是在牛顿制造出第一台望远镜的50多年后，英国发明家约翰·哈德利(JohnHadley)才成功地制造出了一台大型牛顿反射望远镜(并且没有采用牛顿设计的球面镜)。英国皇家学会的成员用克里斯蒂安·惠更斯(ChristiaanHuygens)的120英尺长的折射望远镜对它进行了测试，并宣布这台牛顿反射望远镜性能优异。哈德利接着又制造了一台能正常工作的格雷戈里望远镜。更重要的是，他能够向当时领先的仪器制造师传授一种可重复的方法，来磨削和抛光金属反射镜，从而能够批量生产高质量的望远镜。
今天，包括哈勃太空望远镜在内的许多主要天文台都使用反射望远镜。我们应该把这份功劳记在谁的头上?是希罗的构想，是祖奇在建造上的尝试，还是牛顿的成功的原型?又或者，是哈德利让反射望远镜成为了现实?所有这些人的贡献都必不可少，但这不是任何人可以单独完成的工作。
从这个故事中我们学到的经验远不止适用于这一个事例。对于几乎所有的设备来说，声称一个人是发明者或许都有些问题。概念、演示和实现可能非常不同，连接它们的路径通常不是一条直线，而是一条富有挑战性的、漫长而曲折的道路。
撰文：ThonyChristie(科学史学者，现居德国。)
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