反射望远镜的发展历程Word文件下载.docx
《反射望远镜的发展历程Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《反射望远镜的发展历程Word文件下载.docx（46页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
艾萨克·
牛顿爵士（SirIsaacNewton，1643～1727）是一位英国物理学家、数学家、天文学家、自然哲学家和炼金术士。
牛顿的分光实验
他在1687年发表的论文《自然哲学的数学原理》里，对万有引力和三大运动定律进行了描述。
这些描述奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点，并成为了现代工程学的基础。
他通过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性，展示了地面物体与天体的运动都遵循着相同的自然定律；
为太阳中心说提供了强有力的理论支持，并推动了科学革命。
在力学上，牛顿阐明了动量和角动量守恒的原理。
在光学上，他发明了反射式望远镜，并基于对三棱镜将白光发散成可见光谱的观察，发展出了颜色理论。
他还系统地表述了冷却定律，并研究了音速。
在数学上，牛顿与戈特弗里德·
莱布尼茨分享了发展出微积分学的荣誉。
他也证明了广义二项式定理，提出了“牛顿法”以趋近函数的零点，并为幂级数的研究做出了贡献。
在2005年，牛顿曾担任会长的英国皇家学会进行了一场“谁是科学史上最有影响力的人”的民意调查，在被调查的皇家学会会员和网民投票中，牛顿被认为比阿尔伯特·
爱因斯坦更具影响力。
牛顿发明反射望远镜
1666年牛顿发现白色的太阳光是由赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的光组成的，由于不同颜色的光的折射率不同，因此当它们通过棱镜以后，就分散开来，变成了一条彩色的光带。
后来人们把这条彩色光带称为光谱。
牛顿马上联想到，令人长期倍感头疼的折射望远镜的色差问题正是由于每一种颜色光的折射率各不相同造成的。
而反射望远镜则没有色差问题——所有光的反射角都等于入射角，光反射之后不会分散。
因此，牛顿决心要发明一种新型的、令人满意的反射望远镜。
牛顿发明的反射望远镜图解，大的为侧面照，小的是正面照
牛顿发明的反射望远镜解剖图
1668年牛顿的第一架小型反射望远镜制成了。
它的物镜是用青铜磨制的凹面反射镜，直径只有2.54厘米，镜筒长15厘米，放大倍率达40倍，观测效果不亚于2米长的折射望远镜。
1672年牛顿又做好了第二架反射望远镜，长仅16厘米。
他在物镜的前面装上一块倾斜45°
放置的平面反射镜，当光线射到物镜上以后，先被反射到平面镜上，又被平面镜反射到镜筒一侧的目镜前聚焦，通过目镜就可以看到放大的像。
牛顿设计的反射望远镜在英国皇家学会进行了展示，引起了巨大轰动，得到科学界的高度评价。
牛顿的反射望远镜不仅彻底消除了令人厌恶的色差，而且制作起来比较容易，使用起来比较方便。
从此以后，反射望远镜很快发展起来，成为光学望远镜的主流。
目前世界上最大型、最优秀的望远镜都是反射望远镜。
弗里德里希·
威廉·
赫歇尔爵士出生于德国汉诺威，英国天文学家及音乐家，曾做出多项天文发现，包括天王星等。
被誉为“恒星天文学之父”。
他先是制造反射望远镜，后专门磨制反射望远镜。
哈德利和肖特的反射望远镜
约翰·
哈德利，英国天文学家、数学家
哈德利制作的格里高里式望远镜
真正制作出第一块金属抛物面镜的人是一位英国的数学家约翰·
哈德利（JohnHadley，1682～1744）。
他设计了一套方法，用来检测镜面聚焦的精度：
制作了一个照明装置，使得只有当镜面能够把光线会聚到一点时，整个镜面才能被均匀地照亮；
如果检测发现镜面某部分的照明不均匀，就着重研磨那个区域。
这是一个漫长而困难的工作，但哈德利非常有毅力，终于在1721年制造了一架球差极小的、直径15厘米的格里高利式望远镜。
成像可以媲美惠更斯设计的长达37.5米的折射望远镜。
哈德利的反射主镜只比惠更斯的透镜小一点，但望远镜的长度却只有1.8米。
英国仪器制造商詹姆斯·
肖特（JamesShort，1710～1768）首先研究出了相当简便而精度又高的磨制抛物面镜的技术，它减少了用光学测试方法作最后修正所需要付出的劳动。
他一生磨制和制作了1370架望远镜，主要是格里高里式望远镜，许多是很小的，另一些则是空前的大，直径达到45厘米，长度超过3.6米。
哈德利和肖特的工作把反射望远镜的实验价值提到了一个新高度。
使用金属镜面来反射光线，代替使用透镜折射光线，使得天文学家们能够制造出更短和更大威力的望远镜，大型反射望远镜变得越来越普及，在这方面做出突出贡献的首先是英国著名天文学家威廉·
赫歇尔。
从音乐家到天文学家的威廉·
赫歇尔
赫歇尔
赫歇尔爵士（SirFriedrichWilhelmHerschel，1738～1822），出生于德国汉诺威，英国天文学家及音乐家，曾做出多项天文发现，包括天王星等。
赫歇尔家共有十个兄弟妹，但其中四个早夭。
其父亲多才多艺，不仅是禁卫军乐团的乐师，精通音乐，还是天文爱好者，热爱星空，熟悉星座。
在父亲的影响下，他15岁就在军中充当小提琴手和吹奏双簧管，志向当一名作曲家，但又把大量业余时间用于研究语言和数学，后来还加上光学，并产生了用望远镜亲眼观察各种天体的强烈愿望。
当时，汉诺威王朝与英国组成共主邦联。
1755年威廉·
赫歇尔参加的乐团被派到英国，他很快便学懂英语，并在1557年为躲避战乱而移居英国。
先在利兹任音乐教师及乐团领队，后在旅游胜地巴斯任公众音乐会的总监。
除演奏管风琴及双簧管外，他也编写过多首乐曲，可是大部分已被人遗忘。
1772年他把小妹妹卡罗琳·
赫歇尔（CarolineLucretiaHerschel，1750～1848）从汉诺威接到伦敦，帮助自己料理家务，以便使他能专心致志磨制望远镜。
卡罗琳一辈子都是哥哥的忠实助手，后来她也成为颇有声望的天文学家。
赫歇尔制作的15厘米反射望远镜
他在天文学上的兴趣自1773年开始浓厚，先是制造反射望远镜，后专门磨制反射望远镜。
1774年他终于完成了第一架反射望远镜，直径12厘米，焦距1.7米，放大倍率40倍。
1776年他一口气制作了直径分别为15厘米（焦距2米）、23厘米（焦距3米）和30厘米（焦距6米）三架望远镜。
他最喜欢15厘米直径的那一架，使用起来得心应手。
那时候，他主要观测月球，测量月球山峰的高度，以及编撰双星目录等。
1781年3月13日，就在他观测双星时，他发现了一颗新的行星——天王星。
起初他将新行星命名为“乔治之星”（GeorgiumSidus）以歌颂英王乔治三世，但这个名称没有被其他天文学家接受。
同年11月，他获授柯普莱勋章（CopleyMedal），并获选成为英国皇家学会会员。
1782年，他获乔治三世接见，并被任命为“皇家天文官”（TheKing'
sAstronomer），年薪200英镑。
从此威廉·
赫歇尔成为职业天文学家。
赫歇尔的“大炮”
赫歇尔为自己的发现和新声誉所激励，决定制造一架望远镜，其反射镜口径达1.22米，要装入12.2米长的镜筒中。
英王乔治三世慷慨解囊，拿出2000英镑资助他。
这是一项令世人震惊的工程，所招聘的工人多达40名。
1789年，赫歇尔的得意之作在巨大的构架中竖立起来，看上去活像一尊指向天空的“大炮”。
庞然大物的时代再次到来，不过这次不是长而是胖。
反射镜的聚光本领取决于其面积，而面积又取决于其直径的平方，因此，此反射镜的聚光本领是他发现天王星的那架15厘米反射望远镜的64倍。
赫歇尔的“大炮”
赫歇尔在制造此“大炮”时，改变了牛顿的设计，使主镜倾斜。
这样，主镜直接将会聚的光束送到靠近前方镜筒口的焦点处，从而省去了牛顿式的平面副镜。
这样做，可以大大减少磨镜的工作量，但也意味着天文学家必须在很高的地方进行露天观测，冒着摔下来的危险，事实上，从望远镜上摔下来的天文学家可以列出一个长长的名单。
1787年8月的一天，乔治三世领着坎特伯雷大主教穿过“大炮”的镜筒，同时妙语打趣地说：
“来吧，尊敬的主教，让我领你去参观天堂。
”投入使用的第一夜，赫歇尔就将此镜转向他最喜欢观看的土星，立即发现了两颗新土卫——土卫一弥玛斯和土卫二恩刻拉多斯，使当时已知的土卫数目增加到七颗。
“大炮”十分笨重，很难使用。
在赫歇尔的有生之年里，他一直在使用一架直径45厘米、长6米的反射望远镜，天王星的两颗卫星，就是用这架望远镜发现的，而那架1.22米直径、12.2米长的庞然大物则成为了一个旅游景点。
赫歇尔在天文学上的其他贡献
威廉·
赫歇尔编制了详尽的“星云”列表与“双星”列表。
他首先发现大部分双星并非貌合神离的光学双星，而是互相具有引力关系。
从研究恒星的自行，他也首先发现太阳系正在宇宙中移动，还指出该移动的大致方向。
他研究银河的结构，提出银河呈圆盘状。
他又于1800年左右，发现阳光中肉眼看不见的红外辐射。
在奥尔伯于1802年发现智神星后，威廉·
赫歇尔首先将这种天体名为小行星（asteroid），意指呈恒星状的小光点。
尽管他曾做出不少科学发现，他也不免和当时的一些科学家一样，做出过一些没有根据的猜想，例如他认为每颗行星上都有生物居住，甚至太阳也是。
他认为太阳拥有一层能隔绝外层热力的云层，一些生物能适应那里的生活。
赫歇尔的南天星空观测、出身名门却钟情天文的罗斯伯爵、以大海怪命名的巨无霸望远镜、M51和M1的素描图、意义非凡的发现、罗斯伯爵冒险事业的重要成果、纳史密斯和拉塞尔对反射望远镜的改进。
约翰·
赫歇尔的南天星空观测
赫歇尔的独生子约翰·
赫歇尔（JohnFrederickWilliamHerschel，1792～1871）生于英国白金汉郡的斯劳，1807年入剑桥大学圣约翰学院，学业极佳，21岁便当选为皇家学会会员，他是英国天文学会理事会创始人之一。
赫歇尔于1828年所绘的M51素描
1816年约翰·
赫歇尔接替78岁高龄的父亲，承担了大量的观测工作。
他在父亲的指导下，重新抛光了父亲的那架6米长的反射望远镜，这样他就有了理想的仪器，可以对父亲观测和研究过的星云进行再度观测和重新排序。
1834年初他携全家前往非洲好望角，希图把父亲的巡天和恒星计数的工作扩展到南天。
重新抛光的6米长反射望远镜，设立在距离开普敦几英里的费尔霍森临时天文台上。
由于海风的吹拂，反射镜过几天就会失去光泽，需要重新打磨。
他预见到这种情况，特地带了3面备用的镜子，其中一面是父亲磨制的，另一面是他自己磨制的，还一面是他们父子磨制的。
他在那里工作了4年。
历时9年编撰的《在好望角天文观测的结果》于1847年发表。
为了纪念约翰·
赫歇尔对科学的贡献，在他死后英国为他举行了国葬，安葬在威斯敏斯特教堂中距离牛顿墓很近的地方。
赫歇尔家族的辉煌时代已经成为过去，更大更好的望远镜还将继续不断涌现，一位英国天文学家继承了反射望远镜的事业，决心在这方面超过赫歇尔，这就是声名卓著的罗斯伯爵。
出身名门却钟情天文的罗斯伯爵
帕森斯（WilliamParsons，1800～1867）生于英国的约克。
英国与爱尔兰有错综复杂的关系，1801年英国正式吞并爱尔兰，在帝国议会中给爱尔兰100个席位，直到20世纪中叶爱尔兰才成为独立国家。
这种历史渊源使不少著名人物很难简单地说成是英国的还是爱尔兰的。
帕森斯的情况就是如此，他的家庭在爱尔兰拥有领地。
他1822年牛津大学毕业，就进入议会呆了12年。
1841年他子袭父位，成为第3代罗斯伯爵（3rdEarlofRosse），后世的天文学家普遍称他为罗斯。
1845年爱尔兰将他选入上议院。
他是一位真正的贵族，在著名天文学家中，出自如此高贵门第的人极少。
罗斯伯爵的直径91厘米反射望远镜
罗斯的最大嗜好是建造设计最大的望远镜。
他花了5年时间，才研究出一种适合制造反射镜的铜锡合金。
从1827年开始先后制造了直径38厘米、61厘米的反射望远镜，1840年又造出了直径91厘米的反射望远镜，后者已经几乎与赫歇尔最大的反射望远镜一样大了。
这些望远镜都安置在他自家的领地上，那里的地名叫比尔，几乎位于爱尔兰岛的正中央。
以大海怪命名的巨无霸望远镜
1842年罗斯伯爵开始制造一块直径1.84米的反射镜，其面积是赫歇尔那架最大的望远镜的2.25倍，足以供一个身材高大的壮汉伸开四肢，躺在上面。
如此巨大的镜面，制造起来谈何容易，尝试了五次才告成功。
19世纪末的比尔城堡大海怪
在研磨镜面的同时，他又着手给镜子配镜筒，筒长17米，直径2.4米，选用厚木制成。
为了挡风，镜筒安置在两道高墙之间，每道墙高17米、长22米，沿南北走向。
这块反射镜重达3.6吨，把它装入镜筒，很不容易。
直到1845年2月这架巨型反射望远镜才彻底安装完成，可以调试校准后即正式使用了。
罗斯的这架巨大反射望远镜，通常以“列维亚森”（Leviathan）著称。
“列维亚森”原是《圣经·
旧约》中描述的一种大海怪，见《约伯记》第41章。
英语中常用“列维亚森”来称呼那些庞然大物。
M51和M1的素描图意义非凡的发现
罗斯的M51素描图
罗斯的M1素描图
为了与赫歇尔一比高低，罗斯观测了赫歇尔曾经研究过的各种星云。
他发现梅西耶星表中的M51看上去像是旋涡形状的，遂使人们在1845年知道了第一个“旋涡星云”。
1848年罗斯发现梅西耶星表中的头号天体M1内部贯穿着许多不规则的明亮细线，他觉得这很像一只螃蟹，因此称它为“蟹状星云”，这个名字一直沿用至今。
日后的事实证明，这两项发现都具有十分重大的意义。
罗斯伯爵冒险事业的重要成果
最初“比尔城堡大海怪”似乎可以将天文学革命化，然而，在后来的若干年中，它却未能继续创造奇迹。
从技术的角度来说，这算是一架出色的仪器，可是，由于位于爱尔兰中央的比尔气候恶劣，望远镜的操作又不方便，并且不能远离子午线朝东西方向看，因此，实际使用起来非常麻烦。
那些罗斯感兴趣的特殊天体，只有当它们接近子午线的时候，才能用“比尔城堡大海怪”观看，为观测一秒钟，就必须等待24小时，而连续两次宁静度都好的观测时机几乎从来也不曾有过。
罗斯和其他天文学家继续周期地使用“比尔城堡大海怪”前后大约有六十多年。
罗斯死后四十一年，它变得摇摇欲坠而非常危险，终于被拆除下来，1914年直径1.84米的反射镜被送到伦敦国立科学产业博物馆展出。
罗斯伯爵冒险事业达成了三个重要成果。
首先，他证明建造大型望远镜是切实可行的。
罗斯不像赫歇尔，他公布了他的制镜方法，其他人可以用这些作指南，并作为继续改进的基点。
其次，罗斯与天气斗争的悲惨失败，清楚说明如果气象条件不配合，那么望远镜再好也没有用处。
天文学家开始不仅考虑望远镜的建造，而且注意选择望远镜安装的地点了。
最后，尽管可以建造庞大的望远镜，但是如果找不到能使之运转自如的、并能指向天空任何部分的办法，那么望远镜就不能被很好使用。
于是又有两位英国天文学家沿着这个思路，对反射望远镜进行改进。
纳史密斯和拉塞尔对反射望远镜的改进
曾以1839年发明汽锤而著称的英国工程师詹姆斯·
纳史密斯（JamesNasmyth，1808～1890），对于制造天文望远镜也非常感兴趣。
他于1845年造出直径51厘米的反射镜，把它装到一架卡塞格林式和牛顿式相结合的光路系统中（称之为纳史密斯式），望远镜则置于一个很大的转台上，他舒适地坐着，眼睛对着靠近望远镜尾部的目镜，转动一个小小的手轮，便能使望远镜指向天空的任意部分。
拉塞尔制造的直径1.22米反射望远镜
拉塞尔（WilliamLassell，1799～1880）是英国的酿酒师，同时又纵情于天文学，他也想建造大型反射望远镜。
就在1844年，拉塞尔参观了罗斯的比尔城堡，考察那个“大海怪”是如何制造的。
他于1848年制造了一架直径61厘米反射望远镜，继而又于1863年建造了一架1.22米的。
他的镜子不如罗斯的那么大，但是在另外两方面完全超过了罗斯。
首先拉塞尔率先把夫琅和费装在折射望远镜上的那种装置用到反射望远镜上，从而使操作变得非常方便。
此外，他强烈地意识到天文台必须建造在大气条件适宜观测的地方，于是把自己的仪器运到了当时的英国属地——马耳他岛。
这样天文学家们获得了一种既轻又便宜的玻璃镜面，而且比金属镜面能多反射一半的光。
玻璃反射镜熠熠生辉，孕育了巨型反射望远镜的时代的到来。
新的反射镜
从牛顿到罗斯，在反射望远镜将近两个世纪的历史中，金属做的镜子乃是前进的障碍。
铸镜用的青铜易于腐蚀，不得不定期重新抛光，结果消耗了大量时间和劳动。
有些金属耐腐蚀性好，却比青铜要重，而且昂贵。
玻璃重量轻，价格低廉，耐腐蚀，能够抛得很光洁，又比金属容易研磨成形。
其实在早期望远镜的同时代，就已经有那种在玻璃后面贴一个金属背板类型的镜子了，就像现在家用的镜子那样。
但这种镜子没法用在望远镜上，因为光线在金属背板上反射之前和之后都要通过一定厚度的玻璃，这就会使得图像变得模糊。
1856年一名叫尤斯图斯·
冯·
李比希（JustusvonLiebig，1803?
1873）的德国化学家利用新发现的一种化学反应，实现了在玻璃表面覆盖一个薄薄的银层，从而发明了新的制镜方法——只要将银镀到玻璃上再加以抛光就可以了。
那年晚些时候，德国物理学家卡尔·
奥古斯特·
斯坦黑尔（CarlAugustvonSteinheil，1801?
1870）使用这种工艺制作反射镜，将银层涂在镜子的正面。
第二年法国物理学家雷昂·
傅科（JeanBernardLeonFoucault，1819?
1868）独立将一面10.16厘米的抛物面镜子镀上银层，他将望远镜放在了一台赤道仪上。
同年傅科前往都柏林向英国天文学界宣读他的论文《银质玻璃望远镜镜片》。
后来傅科还发明了测量镜面形状的更好方法，这种方法虽与早期磨镜者们使用的检测法类似，但拥有非常高的精度，磨制出正确的镜面形状变得容易了。
这样天文学家们获得了一种既轻又便宜的玻璃镜面，而且比金属镜面能多反射一半的光。
尽管银层仍然会因氧化而变黑，但重新镀银远比重新抛光金属镜面容易。
墨尔本1.22米望远镜——最后的大型金属镜面反射镜
1862年，澳大利亚的当局决定建造一架大型望远镜，用以研究南天的星云，在当时尚不清楚这种云雾状的天体是什么。
由包括罗斯伯爵在内的天文学家和望远镜制造商组成了一个委员会来确定望远镜的设计方案。
大部分的天文台都建在北半球，南天很多部分还没有被观测过，所以这架位于南半球的望远镜将能够帮助人们获得完整的天空图景。
委员会确定了一个直径1.22米的卡赛格林式望远镜的方案。
虽然在当时玻璃反射镜已经越来越普及了，委员会还是倾向于使用金属的反射镜，因为他们觉得在当地的气候条件下玻璃镜面的银镀层比金属镜面更容易氧化、分解和腐蚀，而且这样一架沉重巨大的玻璃望远镜难于操纵。
很快他们就为当初的决定而后悔了，因为当1877年金属镜面因为严重锈蚀而需要重新抛光时，整个镜子必须运回位于爱尔兰的原来的制造厂才能做处理。
于是天文台的主管自学了一番如何抛光金属镜，然后亲自动手尝试。
虽然抛光成功，但是他无法精确地检测抛光后的镜面精度是否符合要求，此后这架望远镜一直未能重新正常工作。
这架墨尔本望远镜只用了15年，而很多比它早的望远镜直到现在还能使用。
这次失误标志着望远镜发展史上的一个转折点，墨尔本望远镜也成为最后一架大型金属镜面反射望远镜。
这次失败的影响之大，使得此后的三十年里天文学家们都在避免建造大型反射望远镜
天体摄影
驱使天文学家将天文台建在高海拔地区的另一个原因是天体摄影的需要。
与原来的绘图观测相比，天体摄影提供了一种迅速而客观准确地记录观测结果的方法。
同时，摄影术能帮助天文学家们观测那些即便用了巨型望远镜肉眼也无法看到的暗弱天体。
无论一个人用眼睛注视目镜中的星点多久，他也无法看到比他的视觉极限还暗的那些东西。
但照相底片却能把照到它上面的所有光，不管有多暗，都记录下来。
如果图像很暗，只要将曝光时间足够延长，就可能拍摄下来。
天文学家发现如果把望远镜架设在高山之上，那里有非常黑暗的天空，只有星光在闪耀，周围没有其他的光亮，就可以拍摄到很多肉眼无法看到的星星和天体的照片。
最终，所有的天文望远镜都开始使用照相的方式观测。
现在的专业天文望远镜上已经没有目镜，代之以照相装置和其他观测设备。
有许多其他的技术发展也改变了望远镜。
天文学家们一边在原来的望远镜上安装新的仪器，一边为新的观测仪器建造新的望远镜。
这些新的设备能够分解星光供天文学家们进行后续的分析研究。
不久，这些仪器的性能就变得和望远镜的聚光本领和分辩力一样重要了。
尽管折射望远镜主宰了19世纪的大部分时间，但是反射望远镜却给20世纪上半叶的天文学带来革命性变化，这主要归功于乔治·
埃勒里·
海尔。
海尔的故事——“大玩具”改变天文学
尽管折射望远镜主宰了19世纪的大部分时间，但是反射望远镜却给20世纪上半叶的天文学带来革命性变化，这主要归功于能让百万富翁掏钱的、制造光学望远镜的奇才——著名天文学家乔治·
海尔
升级会员 