遙望宇宙深處的“眼睛”

胡平 湯樂明

時間如何開始？宇宙如何起源？生命從何而來，又向何處去？人類是否是宇宙中唯一的智慧生命？外星人存在嗎？如果存在他們又在哪兒呢？占宇宙質量絕大部分的暗物質和暗能量，它們的本質是什么？古往今來，人們孜孜不倦地思考著這些問題。這些問題的研究和突破依賴于已歷經400年發展進步、不斷壯大的天文望遠鏡。

望遠鏡的誕生：

伽利略與開普勒的創新

古人的智慧是偉大的，早在東漢時期，天文學家張衡就發明了世界上最早的天文望遠鏡——渾天儀;元代天文學家郭守敬1276年創制的簡儀，是最早的赤道經緯儀。現代光學天文觀測從何而起呢？

1608年，荷蘭眼鏡商漢斯·李普希偶然發現凹透鏡和凸透鏡組合可以看清遠處的景物，由此制成第一架望遠鏡。當時的望遠鏡并沒有用于天文觀測，而是作為艦隊軍事裝備。

1609年，意大利科學家伽利略研制出第一臺應用于天文觀測的光學望遠鏡，發現望遠鏡具有增強聚光能力和放大視角的作用。最初他制作的簡易望遠鏡只能放大3倍，經過幾個月的改進，伽利略制成了可放大32倍的望遠鏡。伽利略用這個劃時代的天文儀器觀測到一些令人驚奇的現象：奪目的太陽上竟然有黑子;月亮上有的地方平原千里，有的地方卻高山聳峙;木星有四個小衛星圍繞其旋轉，而且它們的位置是經常變化的，就像月亮圍繞地球旋轉一樣。

1611年，德國科學家開普勒發明了物鏡和目鏡均采用凸透鏡的另一種折射式望遠鏡。這種望遠鏡的目鏡在物鏡焦點之后，可以放置十字絲。由于不同的光在介質中有著不同的折射率，折射望遠鏡不可避免地存在色差。17世紀，解決色差的辦法是把焦距加長：當焦距足夠長時，色差就變得可以忽略了。然而，焦距決定了鏡筒的長度，使得當時最長的望遠鏡有45米。這便是早期的透射式光學望遠鏡。

望遠鏡的發展：

大口徑反射式望遠鏡時代

近代以來，大口徑光學望遠鏡的發展才真正意義上將反射式望遠鏡和透射式望遠鏡徹底分開，并占據統治地位。反射式大口徑望遠鏡同透射式大口徑望遠鏡相比，具有無色差、對材料均勻性要求低、重量較輕、尺寸相對較小、結構簡單、容易運行和維護等優勢。

當然，在望遠鏡的大家族里，并不只有光學望遠鏡，還有射電望遠鏡。射電望遠鏡的原理與反射式光學望遠鏡相似，入射的電磁波被反射鏡面反射后，同相到達公共焦點。用旋轉拋物面作為鏡面易于實現同相聚焦，因此，我們看到的射電望遠鏡鏡面往往是拋物面。

不論是光學望遠鏡，還是射電望遠鏡，在未來，更大口徑依然是望遠鏡的發展趨勢。同時，研究者也在尋求更好的平臺，如空間、月球以及其他星系等。

望遠鏡的意義：

以天之語，解物之道

天文學家在宇宙觀測時獲取信息的通道有：電磁波、宇宙線、中微子、引力波。其中，電磁波是獲取信息的主要通道。

在激光通信領域，2016年我國墨子號量子科學實驗衛星專項的星地高速量子密鑰分發實驗中，中國科學院光電技術研究所研制的4個地面站（望遠鏡）對量子密鑰分發實驗起到了至關重要的作用。實驗中，衛星捕捉到地面站發來的光束（信標光），并將該光束會聚到探測器中心;捕獲完成后，衛星發出一光束，該光束準確地指向地面望遠鏡;地面望遠鏡接收到光束，完成捕獲過程，使得衛星和地面站最終達到通信連接狀態。

太陽大氣探測也是如今天文學以及天體物理學領域的一個重要問題。太陽是距離地球最近的恒星，如果能更加了解它，就有助于我們探索宇宙的奧秘，同時預防太陽對地球的危害。望遠鏡的其他應用還有衛星成像、激光雷達等。

“路曼曼其修遠兮，吾將上下而求索。”畏葸不前只會錯失良機。我們相信，作為人類對話宇宙的利器，望遠鏡及其傳奇故事必將繼續演繹下去，譜寫出新的篇章。

（選自《百科知識》2020年第18期）

訓練

1.伽利略望遠鏡與開普勒望遠鏡有什么區別？

答：

2.現代天文望遠鏡主要有哪些用途？

答：

【孫俊強/供稿】