第二章 望远镜
第一节 折射望远镜
在科学研究中，使用望远镜是最令人感兴趣的事情。我想读者也一定很想了解望远镜到底是什么，用它能够看到什么。完整的望远镜，例如天文台上专用的，结构非常复杂，但是它的几个核心问题却只需细心留意便可大致掌握。了解这些之后再到天文台观察这些仪器时，能比对此一无所知的人获得更多乐趣和知识。
众所周知，望远镜的重要用途是能使远处的物体看上去很近，当我们看一个几千米之外的物体时竟感到它仿佛就在几米远处。产生这种效果是因为其中有一些类似我们平时使用的眼镜的很大且打磨精细的透镜。收集物体的光至少有两种方法：让光通过许多透镜，或者用凹面镜反射光。因此望远镜也分为两种：一种叫折射望远镜，另一种叫反射望远镜。我们从前者开始讲起，因为它更加常见。
望远镜的透镜
折射望远镜的镜头有两个组成部分，或者说有两个系统：一个是对物镜，有时简称物镜，它使远处的物体在望远镜的焦点上成像；另一个是目镜，有了它才能看见焦点上的成像。
物镜是望远镜上最复杂和精密的部分，其制作技术比制造其他所有部件都要精细。制作物镜所需要的非凡天赋从下面这个事例便可窥见一斑。几十年前，世界各地的天文学家相信全世界只有一个人有能力制作最大号的精良物镜。这个人就是阿尔万·克拉克（Alvan Clark），很快我们就会讲到此人。
物镜通常有两个大的透镜。望远镜的性能完全取决于透镜的直径，也叫望远镜的口径（aperture）。口径的大小不等，小到小型家用望远镜的三四英寸，大到耶基斯天文台（Yerkes Observatory）的大型望远镜的3英尺以上。为什么望远镜的性能取决于物镜的直径呢？原因之一是，为了看清放大了一定倍数的物体，在其自然亮度的基础上，所需要的光超过放大率的平方。比如，倘若我们有100倍的放大率，我们就需要10 000倍的光。我的意思不是任何时候都必须有这么多的光，并不是这样的，因为我们看一个物体，通常在比其自然光照弱的情况下便能看清。但是，我们仍然需要一定的光亮，否则就会太暗了。
为了在望远镜中清晰地看到远处的物体，最重要的一点是，物镜必须将来自被观察物体上的每一点的光线全部集中在一个焦点上。如果做不到这一点，不同的光线略微分散到不同的焦点上，那么物体看起来就是模糊的，就好像是透过一个不适合自己的眼镜看一般。现在我们知道，无论是用什么玻璃做成的透镜，单独一片都不能将光线集中在一个焦点上。读者一定都知道，无论是来自太阳的普通光线还是来自星星的普通光线，都有无数种不同的颜色，透过三棱镜这些颜色便可彼此分开。这些颜色的排列顺序，从红色一端起依次为黄色、绿色、蓝色和紫色。单片透镜将这些不同的光线发散到不同的焦点上；红色光发散得离物镜最远，紫色光离物镜最近。这种光线的分离叫作色散（dispersion）。
200年前的天文学家无法解决透镜的色散问题。直到大约1750年，伦敦一个叫多兰德（Dollond）的人发现使用两种不同的玻璃可以彻底解决这一弊端，这两种玻璃分别是冕玻璃和火石玻璃。这种方法的原理很简单。冕玻璃的折射率与火石玻璃的几乎是相同的，而色散率几乎是火石玻璃的2倍。于是，多兰德用两种透镜做了一个物镜，其剖面图如图10所示。先用冕玻璃做一个普通的凸透镜，再用火石玻璃做一个凹透镜。这两个透镜的曲度相反，对光产生的作用也恰好相反。冕玻璃使光聚集在一个焦点上，而火石玻璃由于是凹形的，使光是发散的。如果分别单独使用这两个透镜，光线穿过透镜后不仅不会聚焦在一个点上，反而是从一个焦点向不同方向越来越分散。现在，将火石玻璃的折射率做成只有冕玻璃的折射率的一半多一点。这一半的折射率足以抵消冕玻璃的色散率，却仍能保持一半以上的折射率。这两种透镜的联合使用，使得所有的光线穿过由二者制成的物镜后几乎全部集中于一个焦点，而且这个焦点要比单独使用冕玻璃产生的焦点远1倍。
图10 望远镜中物镜的一部分
我一直在说几乎集中于一个焦点，之所以强调“几乎”这个词，是因为很遗憾，两种玻璃结合使用并不能将所有不同颜色的光线完全集中在同一个焦点上。对于较明亮的光线，色散确实可以变得很微弱，但不能完全消除。望远镜越大，这一缺陷越严重。使用任何一架大型折射望远镜观测明亮的星星，都会看到星星周围有一圈蓝色或紫色的光晕。这便是两种透镜没有把蓝色光或紫色光聚焦到其他颜色的光线所集中的焦点上造成的。
通过物镜将光线集中在焦点上，远处的物体便得以在焦平面上成像。焦平面是经过焦点，与望远镜的视线或者视轴成直角的平面。
何为望远镜成像，我们在摄影师准备照相的时候和他一起往照相机的毛玻璃里看一看便可一目了然。你会在毛玻璃上看到一张面孔或者远处的风景。事实上，照相机就是一个小型望远镜，毛玻璃或者安装用于拍照的感光板的地方就是焦平面。我们也可以反过来说，望远镜就是一个大型长焦照相机，可以给天空拍摄照片，就像摄影师用照相机拍摄普通照片一样。
有时我们可以通过理解一件东西不是什么而更好地理解这件东西是什么。发生在50年前或更早的那起著名的月亮骗局中，有一句话说明了影像不是什么。作者说，约翰·赫歇尔爵士（Sir John Herschel）和他的朋友发现，当他们使用极大的放大率时，由于光线不足导致看不清影像，有人提出对影像进行人工光照，结果令人惊讶——竟然连月球上的动物都能看到。如果包括聪明绝顶的人在内的大多数人没有被骗，我就不用说下面的话了：望远镜所成的像在本质上是不受外来光线影响的。因为它并不是实像，而是虚像。虚像是远处物体的任何一点上的光线都相交在影像相应的点上，再从该点散开，在焦平面上形成的一幅物体的图画，这幅图画只是由光聚焦而成的，没有其他物质。
假设物体的影像（或者说图画）是在我们眼前形成的，大家可能要问：为什么需要用目镜看它？为什么观看者站在图画后面向物镜望，不能看见图画悬在空中？其实他可以这样做：只需像摄影师对待相机那样把一片毛玻璃放在焦平面上，影像就会显现在毛玻璃上，这样他就可以不通过目镜直接向物镜看毛玻璃上的影像。但这样做无论在哪个点上都只能看见影像的一小部分，因此只用物镜看并没有多大好处，想要好好看还得用目镜。目镜本质上和钟表匠的小眼镜一样，焦距越短，观察得就越精细。
经常有人问：著名望远镜的放大倍率有多大？答案是，放大倍率不仅靠物镜，也要依赖于目镜，天文望远镜都配有许多不同的目镜，焦距越短，放大倍率越大，观测者可根据需要使用。
在几何原理允许的范围内，我们可以在大大小小的任何望远镜上得到任何放大率。用普通的显微镜来观察影像，我们可以使一个口径10厘米的小望远镜拥有与赫歇尔的大反射望远镜同等的放大率。但是在实际操作中想要使望远镜的倍率超过一定程度是有许多困难的。首先面临的是物体表面的光很微弱的问题。假设我们用口径8厘米的望远镜来观测土星，使它放大数百倍，影像就会很暗淡，看不清楚。这还不是唯一的困难。按照光学的一般定律，我们是无法把每英寸口径的放大率提高到50倍以上的，也可以说最多不能超过100倍。也就是说，在一架3英寸的望远镜上使用150倍以上的放大率不会有什么好处，更别说300倍以上了。
还有一个最困扰天文学家的问题，只不过人们并不清楚。
我们观测天体要透过厚厚的大气层，整个大气层如果压缩到我们周遭大气的密度，厚度约有6英里。我们知道，当我们看6英里以外的物体时，这个物体的轮廓是模糊不清的。这主要是因为光线必须穿过大气层，而大气是流动的，于是便产生了不规则折射，使物体看起来起伏不平而且抖动。由此产生的模糊的效果也在望远镜中和物体放大同样的倍数。于是，视觉的模糊程度随着放大率的增加而等比例增加。模糊的程度与空气状况有很大关系。天文学家认识到这一点，便试图找到非常纯净的空气，或者更加稳定的空气，以便透过大气层看到清晰的天体。
我们经常会看到一些计算，说明使用高倍望远镜可以使月亮看起来离我们有多近。例如，放大率为1 000倍，月亮便好似距离我们240英里；放大率为5 000倍，月亮距离我们好似48英里。就月亮表面上物体的视大小而言，这种计算非常准确，但这种计算既没有考虑望远镜的缺陷，也没有考虑大气层的负面影响。鉴于以上两点不利因素，这种计算结果并不符合实际情况。我不认为天文学家用1 000倍以上的放大率研究月亮和其他行星时，现有的望远镜会发挥巨大的作用，除非大气层在极为罕见的情况下不可思议地静止了。
望远镜的安装
那些从未用过望远镜的人可能会认为用望远镜观测只是简单地将其对准天体，然后在望远镜中对天体进行观察。让我们试着将一个大型望远镜对准一颗星。一幅我们从未想过的景象立刻呈现在我们眼前。这颗星不是停留在望远镜的视场[1]里，而是很快便因为周日运动跑了出去。这是因为，当地球围绕地轴自转时，星星似乎向反方向移动。这个运动被放大到与望远镜的放大率相同的倍数。因为放大率很高，我们还没来得及观察，星星便跑出了视野。
同时，必须记得视野也同样被放大了，实际比看起来要小，缩小的比例等于放大率。举例说明，如果使用1 000倍的放大率，一个普通望远镜的视野用角度测量大约是2′，那么这片天空便小到裸眼看就是一个点。就好似有一个18英尺高的房子，其房顶上有一个直径为1/8英寸的洞，我们在通过这个洞看星星。想象一下试图通过这样的洞看星星，便会很容易明白在星星的运动中寻找并跟踪它是一件多么难的事情。
这个问题可以通过妥善地安装望远镜来解决，最重要的是使两个轴互相垂直。“安装”是针对全套机械装置而言，借助整套装置，望远镜便可瞄准星星，并在其周日运动中跟踪它。为了不因为一开始就研究仪器的细节而分散读者的注意力，我们先用图11说明望远镜座轴的原理。主轴叫作极轴，与地轴平行指向天极。因为地球自西向东旋转，一个与主轴相连的发条装置便使仪器与之同步地自东向西转动。如此，望远镜在反方向上的同步转动便抵消了地球的自转。当仪器瞄准星星，运转发条装置，星星一旦被捕捉到便停留在视场中了。
图11 望远镜转动的轴
为了使望远镜可以随意瞄准天空中任意一点，还必须有另一个轴，并且与主轴垂直。这个轴叫作赤纬轴。赤纬轴被穿在一个套子里固定在主轴的上端，与主轴交叉成一个T字形。转动安装在这两个轴上的望远镜，便可以瞄准任何我们想观察的目标。
极轴平行于地轴，从而极轴与地平的倾斜角度等于当地的纬度。在我们所处的纬度，特别是在美国南部，极轴更倾向于水平，而在北欧各天文台则更倾向于垂直。
我们讲的这个装置设备并不能把星星带进望远镜的视场中，用通俗的话说就是不能发现星星。我们可能来回找上几分钟甚至几小时都徒劳无获。寻找星星可以通过以下两个步骤：
每个用于天文观测的望远镜都配有一个小望远镜固定在镜筒下端，叫作寻星镜（finder）。寻星镜的放大率较低，因而视场较大。如果观测者能够看见星星，视线就可以沿着寻星镜的镜筒将寻星镜基本上对准星星，星星便在寻星镜的视场中了。在寻星镜中看到星星后移动望远镜，将星星置于视场的中心，此时星星已经在主望远镜的视场中了。
但是，天文学家需要观测的大多数天体都是肉眼完全看不见的。因此就需要有一个系统帮助望远镜瞄准星星，这个系统便是刻度盘，被固定在两个轴上。其中一个刻度盘上刻着度数，精确到小数，是望远镜所瞄准的天上那个点的赤纬。另一个固定在极轴上，叫作时圈，划分为24小时，每小时再划分为60分。天文学家若想找一颗星，只要看着恒星钟，用恒星时减去这颗星的赤经，便是此刻这颗星的“时角”，也就是这颗星在子午线以东或以西的位置。将赤纬刻度调到这颗星的赤纬，即转动望远镜直到放大器下面刻度盘的度数等于这颗星的赤纬；然后转动极轴上的仪器，直到时圈调到这颗星的时角。此时，启动发条，便可在望远镜里看到要找的目标了。
如果上述操作对读者来说太复杂，只要参观天文台，便会知道做起来有多么简单。相比单纯讲解，实践会让这些学术问题更加清晰明了，几分钟便能让人明白什么是恒星时、时角、赤纬等专业概念。
望远镜的制作
我们再来看一些有趣的问题，主要是望远镜的制作历史。我们已经说过，望远镜制作中的最大难题是物镜的制作，在技术上需要罕见的特殊天赋。物镜最薄的地方只有1/100 000英寸，制作过程的细微偏差都将毁坏成像。
使玻璃成型的技术，也就是将玻璃打磨成合乎要求的形状的技术绝不是制作望远镜的全部，制作出均匀度和纯净度符合要求的大型玻璃盘也是同样困难的实际问题。玻璃的纯净度有任何的不完美或有形状上的缺陷都会影响镜片的性能。
19世纪以前，将火石玻璃制得有足够的均匀度是非常困难的。这种物质含有大量的铅，铅在玻璃熔解的过程中会沉到熔炉底部，从而使底部的折射率大于上部的折射率。于是在当时，口径在4~5英寸的望远镜便是大型望远镜了。19世纪初，一个叫吉南（Guinand）的瑞士人发明了一项工艺，应用这项工艺便可制作出较大的火石玻璃片。他声称掌握这项制作技术的秘密工艺，但是有理由相信，他的秘密就是玻璃在熔炉里熔解的过程中持续用力地搅拌。但是，即便这可能就是事实，他毕竟成功地将玻璃片做得越来越大。
这些玻璃片还需要掌握相关技术的光学仪器制作技师进行打磨和抛光，制作成符合要求的形状。慕尼黑的弗劳恩霍夫（Fraunhofer）便是这样一位大师，大约在1820年，他制作了一个口径为9英寸的望远镜。他并没有满足于此，约1840年，他成功制作出两个口径为14德制英寸（约15英制英寸）的物镜。二者远远超越了之前的所有物镜，在当时被认为是奇迹。其中一个用在了俄国的普尔科沃天文台，另一个用在马萨诸塞州坎布里奇市的哈佛天文台（Harvard Observatory）。后者在半个多世纪后仍在发挥效力。
佛劳恩霍夫去世后，他的技术不知是失传了还是传给了继承者。不过，他的继承者似乎在一个谁也想不到的地方出现了，这个人是马萨诸塞州坎布里奇市一个名不见经传的肖像画家，名叫阿尔万·克拉克。这个人几乎没有学习过专业技术，也没接受过使用光学仪器的训练，竟然取得了非凡的成就，这件事明显地说明在这种情况下与生俱来的天赋是多么重要。他似乎对问题的本质有一种直觉，在解决问题上又具有非凡的视觉敏锐度。在天赋的强烈驱使下，他在欧洲购买了制作小型望远镜所必需的光学毛玻璃片。在成功制作出一个令其满意的4英寸口径的望远镜后，制作上的难度使他的技术为天文学家知晓。
至此，克拉克先生已为国内认可，决心制作一个当时前所未有的最大的折射望远镜。这个望远镜是为密西西比大学制作的，直径为18英寸，约完成于1860年。在其工作室对该望远镜进行测试期间，他的儿子乔治·B.克拉克（George B.Clark）用这架望远镜发现了一颗最有趣的星星。这是一颗天狼星（Sirius）的伴星，因其具有对天狼星的引力作用已为人所知，但从未有人亲眼看见过。密西西比大学因内战爆发而无法将望远镜拿走，于是为芝加哥市民购得。这架望远镜现在安放于伊利诺伊州爱文斯顿市的西北大学。
大型折射望远镜
英格兰的长思（Chance）和康普尼（Company）有一家玻璃工厂，这家伟大的玻璃工厂继续将玻璃片做得越来越大。但是他们感到这项工作太精细而且太麻烦，便同意将这项工作交给巴黎的费尔（Feil），他是吉南的女婿。在玻璃厂的供应下，克拉克先生制作出的望远镜越来越大。第一架的口径为26英寸，为华盛顿的海军天文台（Naval Observatory of Washington）制作，另一架相同口径的是为弗吉尼亚大学制作的。接下来是更大的一架，30英寸口径，为俄国的普尔科沃天文台制作。再下一个是为加利福尼亚州的里克天文台（Lick Observatory）制作，口径36英寸，这架望远镜成绩斐然。
费尔死后，业务由曼陀伊思（Mantois）接管，他做出的光学玻璃在净度和均匀度上超越所有前人。克拉克用他提供的玻璃片为芝加哥大学的耶基斯望远镜制作了物镜。这个物镜的直径大约40英寸，是当时用于天文观测的最大的折射望远镜。
最近，不少国家改良了制造光学玻璃的技术。许多制造专家崭露头角，造出了精致的大型透镜。已经有超过12架口径大于26英寸的望远镜布置在世界各地，用于天文观测。
机械制造方面的技术也得到了提升。现在，人们去参观天文台，一方面会因为观测天象十分便利而惊讶，一方面会为观测的精准而折服。大型望远镜安装得十分稳定，用手推动操作也不费力，还可以通过电机控制快速调整位置。需要把望远镜调整到新位置时，天文学家只需要按下按钮，望远镜就移动过去了。圆顶也会转动让光缝朝向新的方向。观测者站立区域的地板能够灵活升降，方便观测者调整位置。
在进行研究观测时，常常需要去掉目镜，换上别的器械，例如放上具有底片功能的器材进行天文摄影，放上分光镜对天体的光线进行分析，还可以使用某些特别的工具来研究天体的辐射情况。收集光线，把光线集中于一点，让研究人员能够利用上面提到的各种工具进行科学研究，就是望远镜的重要使命。有一些望远镜是固定的，例如威尔逊山天文台（Mount Wilson Observatory）的塔式望远镜，通过活动的镜子把天体的光导向望远镜，望远镜再把光聚焦到下方的焦点上，实验室便可以进行研究了。
[1]这个名词的意思是在望远镜中看到的一小片圆形的天空。——译者注