坐观星河：天文望远镜发展简史

阿昆

坐观星河：天文望远镜发展简史（转帖）
自从伽利略发明天文望远镜以来，光学望远镜经历了一次又一次的变革。从小口径望远镜到大口径望远镜，从折射望远镜到反射望远镜，威力不断增加。从用来观察遥远物体到探索浩瀚太空，天文学也随之取得了长足进步……
自从伽利略发明天文望远镜以来，光学望远镜经历了一次又一次的变革。从小口径望远镜到大口径望远镜，从折射望远镜到反射望远镜，威力不断增加。从用来观察遥远物体到探索浩瀚太空，天文学也随之取得了长足进步……

望远镜的童年: B  m& v6 Q3 _* x( N# |$ r3 \1 ~
　　偶然的发现
      人类从很早的时候起，就注意到了光的折射现象。一根直棍斜着浸入水中，它仿佛就在空气和水的界面处弯折了。把它取出水面，看到的还是一根直棍。弯折的并不是棍，而是光。& a7 q5 F- T  T7 y& ?  W$ N/ Z0 u% }9 E
　　光在空气中传播，如果射到一块表面弯曲的玻璃上，那么垂直于曲面入射的光线将会进入玻璃继续沿直线传播，而不发生折射。但是，如果玻璃表面是凸的，它向着光源鼓起，那么射在偏离曲面中心某处的光线，将会倾斜地进入玻璃，并朝中心方向弯折。光的入射点离曲面的中心越远，就折射得越厉害。结果，射到曲面玻璃上的光就会聚到了某个“焦点”或焦点附近。' Q1 _% s( w5 N! Z4 {$ V& l  f) G. T6 U
　　人们肯定早就知道放大现象。例如，树叶上的露珠可以放大树叶的叶脉图案。如果太阳光穿过一个注满水的球形玻璃容器，那么原本布及整个球面的光线就会聚集到焦点上，使位于焦点处的物体变热，甚至燃烧发出火焰。相传古希腊科学家阿基米德就曾用这种“燃烧玻璃”烧毁了围攻其故乡西西里岛叙拉古的罗马舰队。虽然这在事实上几乎不可能，但因古罗马哲学家塞涅卡记述了此事，它便成了著名的历史传说。
          　13世纪的英国学者罗杰.培根已经利用放大镜来帮助自己阅读，并建议人们戴上透镜以改善视力。在意大利，公元1300年前后就开始用凸透镜制作眼镜了，这对老年人很有用，故俗称“老花镜”。反之，凹透镜则有助于纠正近视。公元1450年前后，近视眼镜开始付诸实用。眼睛的种类很多，总的说来，如果透镜的中央部分比边缘薄，那么它将有助于纠正近视；如果中央比边缘厚，则有助于纠正远视。9 }4 R1 }; H* U5 P1 j
　　在16世纪，荷兰人很善于制造透镜。相传就在一家荷兰眼镜店铺里，偶然有了一项新发现。7 m9 @9 M0 h! t- Z8 h
　　地处阿姆斯特丹西南约130千米的米德尔堡市，有一位名叫汉斯?利帕席(Hans Lippershey)的眼睛制造商。1608年的某一天，学徒趁他不在，闲暇之余通过那些透镜窥视四周自娱自乐。最后，这个徒弟拿了两块透镜，一近一远地放在眼前，结果惊讶地看到远处教堂上的风标仿佛变得又近又大了。
0 ?; m0 u; S6 p　　利帕席立刻明白了这项发现的重要性，并且认识到应该将透镜安装到一根金属管子里。他将这种装置称为“窥器”(looker)。后来，人们还曾称它为“光管”(optic tube)或“光镜”(optic glass)。直到1667年，英国诗人约翰?弥尔顿还在他的名著《失乐园》中，把这种仪器称为“光镜”。另外，也有人建议将其称做“透视镜”(perspective glass)。
    　　不过，早在1612年，希腊数学家爱奥亚尼斯?狄米西亚尼就建议使用“望远镜”这个名称了。英语中，望远镜称为telescope，它源自希腊语中的tele(意为“遥远”)和skopein(意为“注视”)，也就是说，它使人们能够注视遥远的物体。1650年前后，这一名称站住了脚。
      　利帕席将望远镜奉献给荷兰ZF，用作战争装备。那时，荷兰为了赢得独立，已经与西班牙苦战了40年。荷兰主要靠海军抵抗西班牙的优势兵力，从而得以生存。望远镜使荷兰舰队早在敌人看见他们之前，就先发现敌人的船只，从而使已方处于优势地位。: e; z( I/ f3

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将望远镜指向天空

将望远镜指向天空
   　　将望远镜用于探索宇宙的奥秘，要归功于意大利科学家伽利略。1609年5月，45岁的伽利略访问威尼斯，在那里听说有个荷兰人把两块透镜放进一根管子，从而发明了望远镜。按照他本人的说法，他思考后在一天之内就发明了自己的望远镜。他把一块凸透镜和一块凹透镜装进一根直径4.2厘米的铅管两端，使用时凹透镜在靠近眼睛的一端——它是“目镜”，凸透镜则靠近被观测物体的一端——它是“物镜”。, V$ W& _) w1 ?/ _: p* I6 T. {
　　伽利略的那些望远镜，是人类历史上的首批天文望远镜，其性能也许还比不上现代的高品质观剧镜。然而，当伽利略将它们指向天空时，人类对宇宙和自身的看法就开始发生彻底的改变了。2 x; f$ x% N- H* `
　　伽利略把望远镜指向月球，看见月球上坑坑洼洼，表面布满了环形山。就在地球近旁，便有一个与之相仿的世界，这无疑降低了地球在宇宙中的特殊地位。他又看见太阳上不时出现的黑斑——太阳黑子，日复一日地从太阳东边缘移向西边缘。这就明白地告诉人们，巨大的太阳在不停地自转着，那么，远比太阳小得多的地球也在自转还有什么可大惊小怪的呢？伽利略从望远镜里看到，银河原来是由密密麻麻的大片恒星聚集在一起形成的，而且他还看见了前人从未见过的大量比6等星更暗的星星，这就雄辩地说明了古希腊天文学家并不通晓有关宇宙的全部知识，所以不应盲目接受古希腊人的地心宇宙体系。看来，宇宙远比任何前人可能想到的更加浩瀚和复杂。
     　　接着，伽利略又把他的望远镜指向行星。1610年1月，他从望远镜中看到木星附近有4个光点，夜复一夜，它们的位置在木星两侧来回移动，但总是大致处在一条直线上，并且始终离木星不远。伽利略断定，这些小亮点都在稳定地环绕木星转动，犹如月球绕着地球转动一般。不久，开普勒听到这一消息，就把这些新天体称为“卫星”，英语中称为satellite，此词源于拉丁语，原指那些趋炎附势以求宠幸之徒。也许，开普勒觉得它们老是围在大神朱匹特——木星身旁，活像一些攀附权贵的小人。如今，这4个天体依然统称为“伽利略卫星”。2 t5 D5 M) F6 I+ ~
　　伽利略卫星是人类在太阳系中发现的第一批新天体。古希腊人关于一切天体都环绕地球转动的想法显然是错了，这4个前所未知的天体不是正在绕着木星打转吗？& Q3 \5 r- [3 I- {7 [
　　保守分子们硬说这是透镜的瑕疵造成的假象。但是，不久就有一位名叫西蒙?马里乌斯的德国天文学家宣布，他也通过望远镜看见了这些卫星。马里乌斯沿袭用神话人物命名天体的古老传统，按离木星由近到远的次序，依次将这4颗卫星命名为伊俄(Io)、欧罗巴(Europa)、加尼米德(Ganymede)和卡利斯托(Callisto)。他们都是希腊神话中的人物，深受大神宙斯宠爱。如今在汉语中，它们依次称为木卫一、木卫二、木卫三和木卫四。
美国Yerkes Observatory 40英吋折射镜
守不住的秘密
    　1666年，牛顿用三棱镜分解了太阳光，这使他认识到白光乃由不同颜色的光混合而成。白光经过三棱镜，就会像彩虹那样呈现为一种“红—橙—黄—绿—蓝—靛—紫”的色序。这称为“光谱”，英语为spectrum，它源自一个拉丁词，原意是“幻象”或“幽灵”。, L  q: c/ M6 t0 w
　　伽利略的望远镜以光线的折射为基础，称为“折射望远镜”。利用光线的反射现象制成的，则称为“反射望远镜”。人们发现，通过折射望远镜观测天体时，星像周围会出现一种彩色的环，它使观测目标变得模糊了。这种现象叫做色差，伽利略不明白它的起因，当时也无法消除它。) J+ U' y5 X3 {0 o- h) [
　　玻璃对不同颜色的光具有不同的折射能力，这叫做色散。红光的折射最少，所以它通过凸透镜后，聚焦在离透镜较远的地方；橙、黄、绿、蓝、靛、紫光则依次聚焦在离透镜越来越近的地方。如果望远镜做得使红光的聚焦最好，那么在红光的焦点处，其他颜色的光已经越过了各自的焦点，物像周围就出现一道稍带蓝色的环边；如果望远镜对紫光聚焦良好，那么在到达紫光的焦点时，其余颜色的光尚未到达各自的焦点，于是物像四周形成一个稍带橙色的环。无论你怎样调焦，都不能完全甩掉这种色环。+ f; j: ~( E( Z. E# X
　　然而，色差并非不可战胜。设想用两种不同类型的玻璃来制造透镜：先用一块凸透镜使光线会聚，再用一块凹透镜使光线微微发散。光通过这两块透镜后聚集到焦点。当然，由于凹透镜的作用，这时的光线将不如仅仅通过头一块凸透镜时会聚得那么厉害。' k% S9 C! |( K
　　现在假定，用以制造凹透镜的这种玻璃的色散本领比制造凸透镜的那种玻璃大，也就是它能使红光与紫光分得更开。于是，这块凹透镜发散光线的能力虽然不足以抵消光线穿过凸透镜后的会聚，但是由于其色散大，却可以抵消凸透镜造成的各种颜色的分离。换言之，用两种不同玻璃制成的复合透镜有可能消除色差。0 z; \6 r3 ~8 |- h) d* C5 `
　　首先想到这点的是18世纪的英国律师兼数学家切斯特.穆尔.霍尔。他发现火石玻璃的色散显著地超过冕牌玻璃，便用冕牌玻璃做凸透镜，用火石玻璃做凹透镜，并且将两块透镜设计得正好能够拼在一起。这种复合透镜就像一个凸透镜那样，能够使光线聚焦，同时它又在很大程度上消除了色差。
     　　霍尔担心别人捷足先登。为了保守秘密，1733年他作出了这样的精心安排：让一家光学厂商磨制他的凸透镜，同时让另外一家厂商磨制他的凹透镜。他以为这样一来别人就不会知道他的意图了。0 r& O4 d' x1 ?! @3 o/ R
　　不料，这两家厂商都很忙。他们不谋而合地将霍尔的任务转包给了第三方——乔治.巴斯。巴斯注意到这两块透镜的主人都是霍尔，而且它们恰能紧紧地密合在一起。很自然地，两块透镜磨好后，巴斯就将它们拼合起来仔细观看一番。他惊奇地发现：彩环消失了！5 Y& v- ^" a: i& B
　　霍尔的秘密传开了。光学仪器商约翰.多朗德闻讯后，对此作了透彻的研究，并且奠定了消色差透镜的理论基础。1757年，他用冕牌玻璃和火石玻璃造出了自己的消色差透镜。他干得很出色，并且获得了制造消色差透镜的专利。不过，在他的报告里全未提及20年前霍尔已经做过几乎相同的工作。1758年，多朗德向皇家学会宣布了他的成果，3年后被选为皇家学会会员，并被任命为英王乔治三世的眼镜制造师。" g4 C: @5 o* t
　　1761年，约翰.多朗德在伦敦去世。4年以后，他的儿子彼得.多朗德又发明了一种性能更好的消色差透镜。它由3块透镜组合而成：一块凹透镜夹在两块凸透镜之间。首先用消色差透镜制造折射望远镜的也是这父子俩，另外还有老多朗德的女婿杰西.拉姆斯登。) k+ G/ r; R5 n4 ]  @
　　人们通常将消色差的功劳归于约翰.多朗德。也有人认为这似乎委屈了切斯特.穆尔.霍尔。不过，平心而论，多朗德的实际贡献要比霍尔大得多。毕竟，使一项新发明尽早尽善地付诸实用，难道不比无谓的“保密”强得多吗？
帕洛玛山天文台的48英寸施密特望远镜
另一种望远镜
    　　多朗德还指出，牛顿关于透镜的色差永远不可避免的观点肯定是错了。这说明，即使像牛顿那样伟大的人物也有可能出错，能够认识到这一点实在是件大好事。2 V4 m% W) g; i4 W+ f
　　牛顿是个遗腹子，又是早产儿，并且差点夭亡。他年幼时，对周围的一切充满好奇，但并不显得特别聪明。十来岁时，他在学习上似乎还相当迟钝。1660年，牛顿在舅父的促成下进了剑桥大学，1665年毕业，成绩并不突出。接着，为了躲避伦敦大火引发的瘟疫，牛顿回到了母亲的农场。) y' T+ \: I* D. W" z
　　就在1665年到1666年这段时间，牛顿在数学方面奠定了微积分的基础，在力学方面奠定了如今我们称为“牛顿力学”的基础，在光学方面奠定了光的颜色的理论基础，并且形成了万有引力定律的基本构想……在一年之中，这个24岁的青年人却作出了如此众多、如此重大的惊人发现，实在是人类文明史上的一大奇迹。后来，人们就把1666年称为牛顿的“奇迹年”。. K) ~. q9 f2 t* w: n! w
　　1696年，ZF委任54岁的牛顿为造币厂总监，1699年又升任总裁。这两个职位薪俸优厚，地位显赫，只有牛顿才当之无愧。但是，这却断送了牛顿的科学工作。他辞去教授职务，专心从事新职；他改善了造币厂的工艺，令伪造者丧胆。他还任命多年的好友哈雷做自己的下属。+ R+ j& T7 _5 e9 }/ M  D, s- h' L
　　1727年3月20日，牛顿在伦敦逝世，安葬在威斯敏斯特大教堂。他有两句众所周知的不朽名言，一句是“如果我比别人看得更远些，那是因为我站在巨人们的肩上”，出自他于1676年写给胡克(Robert Hooke)的一封信；另外，据说他还说过：“我不知道世人对我怎样看，但在我自己看来，就像一个在海滨嬉戏的孩子，不时为找到一个比别人更光滑的卵石或更美丽的贝壳而高兴，而我面前浩瀚的真理之海，却完全是个谜。”
       　　现在我们再来看看，牛顿本人为了避免色差，是如何另辟蹊径的。他决定用反射代替折射，走反射望远镜之路。那时的反射镜，镜面都是金属的。
     　从古代起，人们就知道曲面反光镜也可以聚光。平行光线从一个凹面镜上反射，也会发生会聚。反射镜以完全相同的方式反射所有各种颜色的光，因此不会产生色差。" I- e. `; ^1 p  H; A
　　然而，反射望远镜也有问题：光从镜筒的一端进来，投射到反射镜上，又返回到同一端。俯身在那儿察看物像的观测者本身就会挡住光线的入射。
     　为此，牛顿用了两面镜子：主镜是一块球面镜，副镜是一块平面镜。光从一端进入望远镜筒，射到另一端的球面主镜上，经它反射的光在到达焦点之前，又射到小小的平面副镜上。副镜的方向与主镜交成45°角。射到副镜上的会聚光线转过90°反射出来，并进一步会聚而通过目镜，目镜就装在望远镜镜筒边上光线入射处附近。诚然，副镜会挡掉一小部分入射光，但是损失并不大。9 C+ R1 y# L3 _+ o  z! b
　　1668年，26岁的牛顿亲手制成第一架真正投入使用的反射望远镜。它长约15厘米，主镜直径约2.5厘米，看起来像个小玩具。但是，它产生的物像却可以放大40倍。1672年1月11日，他将第二架反射望远镜送达皇家学会，并一直留存至今，其主镜口径为5厘米。( f3 s, p5 G( j" Q9 U& k" J& u
　　反射望远镜面临的困难之一是，不容易获得高反射率的金属反射镜。例如，牛顿本人的镜子只能反射16%的入射光。这就使反射望远镜产生的物像要比同样大小的折射望远镜产生的物像暗淡。其次，金属反射镜会逐渐失去光泽，从而大大削弱反射能力，因此经常需要抛光。折射望远镜则除了偶尔需要清除积尘外，可以一直工作下去。
    　在折射望远镜方面，初期的消色差透镜直径很难指望超过10厘米。反射望远镜却能做得更大，因为铸造大块的金属要比制造大块优质的玻璃更容易。况且，玻璃透镜必须整个都完好无瑕，而金属反射镜只要镜面形状确当并具有足够高的反射率即可。
    　反射望远镜和消色差折射望远镜各有所长，亦各有所短。它们仿佛在展开一场真正的竞赛：双方都在努力克服自身的缺陷，哪一方取得突破性的进展，这一方就会受到更多天文学家的青睐。到了18世纪末叶，竞争的优势渐渐倒向了大型反射望远镜。
    　这时，由于威廉.赫歇尔的工作，望远镜和天文学进入了一个新时代。

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十八、十九世纪的望远镜
                                                           　　赫歇尔兄妹! r$ r0 b2 t* s4 Z; q- n
　　1738年11月15日，威廉?赫歇尔生于德国的汉诺威城。父亲是军乐队的双簧管手，6个孩子中，威廉排行第三。他15岁就在军队中当小提琴手和吹奏双簧管，志向是当一名作曲家。但是，他又将大量业余时间用于研究语言和数学，后来还加上了光学，并产生了用望远镜亲眼观看各种天体的强烈愿望。
       　1756年，七年战争来临了。战争的起因是英国与法国争夺殖民地以及普鲁士与奥地利争夺中欧霸权。结局是普鲁士战胜奥地利，成为欧洲大陆的新兴强国；英国战胜法国，获得法属北美殖民地，并确立了在印度的优势。威廉厌恶战争，遂设法于1757年脱离军队，偷渡到英国，先是在利兹，后来又到了胜地巴斯。音乐天赋帮助威廉?赫歇尔在巴斯站住了脚。到1766年，他已经成为当地著名的风琴手兼音乐教师，每周指导的学生多达35名。
        　　当时的英国正处于汉诺威王朝前期。先前，1714年8月，英国斯图亚特王朝的安妮女王驾崩，因无后嗣，而由54岁的乔治一世继位。乔治原是汉诺威选帝侯，他不会讲英语，只好用法语与臣下交谈。1727年，乔治一世回到汉诺威，因中风于6月11日亡故，刚好死在他出生的那间房间里。6 F3 s. }& h9 X/ H5 [3 M$ S) R8 [
　　乔治一世之子继任英王，是为乔治二世，1727年~1760年在位。他热爱军事，是最后一位出现在战场上的英国国王。他还热爱音乐，是德国音乐家亨德尔的赞助人。1760年，乔治二世心脏病发作去世，其孙子继位为乔治三世。后者生于1738年，与威廉?赫歇尔同庚，在位长达60年之久。+ m' k/ k- s7 D' T  W3 T8 l
　　威廉?赫歇尔的妹妹卡罗琳比他小12岁，1750年3月16日生于汉诺威，排行第五。1772年，威廉回汉诺威呆了一段时间，然后卡罗琳便随他到了巴斯。她天生一付好歌喉，到巴斯后就接受歌唱训练，每天至少上课两次，同时向威廉学习英语和数学。她不仅悉心料理家务，而且用极详细的日记，留下了威廉整整50年的工作史。当威廉整天不停地磨镜，因而无暇腾出手来吃饭时，卡罗琳就亲自一点一点地喂他吃东西。
      　威廉.歇尔于1773年用买来的透镜造出了自己的第一架折射望远镜，焦距1.2米、可放大40倍。接着，他又造了一架9米多长的折射望远镜，并且租了一架反射望远镜来进行对比，结果对后者极为满意。从此，他就潜心于制造反射望远镜了。
      　　到1776年，威廉已经制造出焦距3米和6米的反射望远镜。有了精良的武器，他便从1779年开始“巡天”观测。他特别关注近距双星，即天空中看起来靠得特别近的两颗星。两年后他编出第一份双星表，共列有269对双星，1781年由英国皇家学会出版。
                1781年3月13日，威廉在人类历史上破天荒地发现了一颗比土星更遥远的新行星——天王星。乔治三世为自己的汉诺威同乡取得如此辉煌的成就满心欢喜，便宽恕了赫歇尔早年擅离军队的过错，并任命其为御用天文学家，从此威廉就不再靠音乐谋生而专致于天文研究了。; Z, T) Z+ l; Z4 M) @* c
　　1782年下半年，威廉应国王邀请，移居位于伦敦西面、温莎东侧的白金汉郡达切特。4年后，他编制出第二份双星表，其中包含434对新的双星。他努力研究恒星的空间分布，成了研究银河系结构的先驱。他于1784年向皇家学会宣读了论文《从一些观测来研究天体的结构》，首次提出银河系形状似盘，银河就是盘平面的标志。在广阔无垠的恒星世界中，太阳系只是微不足道的沧海一粟。早先，哥白尼将地球逐出了“宇宙的中心”；如今，赫歇尔又将太阳逐出了这一特殊地位。
     　　1786年，他发表了《一千个新星云和星团表》，除了梅西叶和其他人已列出的以外，还收录了他本人的全部新发现。在所有这些繁重的工作中，威廉都得到了卡罗琳的全力帮助。移居达切特后，卡罗琳便完全从事天文工作了。威廉亲自教她观测，并给她一具小望远镜去搜索彗星。
         　1786年4月，威廉移居温莎以北不远的白金汉郡斯劳。在这里，他造出一架口径达1.22米、焦距达12.2米的大型反射望远镜。它是18世纪天文望远镜的顶峰，一时间成了备受推崇的珍奇，乔治三世和外国的天文学家时常会来瞻仰。威廉将国王给他的津贴，全部用于维护望远镜以及支付工人的工资。他的经济状况依然拮据，有一段时间不得不继续制作和出售望远镜。直到1788年，他50岁时娶了一位有钱的寡妇，情况方始彻底改观。
                                                               　　卓越的成就
　      对一架望远镜而言，凡是由于光线不能严格地会聚于一个焦点而造成的各种缺陷，包括色差在内，都统称为“像差”。无论是折射镜还是反射镜，它们的表面最容易磨制成球面；而即使是同一种颜色的光线，经球面折射或反射后，也不可能全都聚集到一个严格的焦点上。这种像差称为“球差”。此外，还有彗差、像散等等。& n1 U6 n8 l+ A0 c1 p+ s, F
　　早期使用折射望远镜的人意识到，为了尽量减小像差，就应该采用表面弯曲程度非常小的透镜。它们使光线产生的弯折非常小。但是，要使这些稍微弯曲的光线会聚到焦点，就必须经过很长很长的距离。  H; x. @: u3 ?9 ~2 Z
　　例如，在赫歇尔之前一个多世纪，第一代卡西尼在巴黎天文台建造了一些长镜身的折射望远镜，最后一架的长度超过了40米！世界戏剧史上的重量级人物、年长卡西尼3岁的法国喜剧作家莫里哀把这些仪器称为“大得骇人的望远镜”。在荷兰，惠更斯也制造了一系列镜身越来越长的望远镜，最后一架长达37米。他的成就鼓舞了但泽的赫韦留斯，后者于1673年造出一架长达46米的折射望远镜。
     　如此之长的金属镜筒必将重得根本无法操纵，所以赫韦留斯改用木头来固定透镜的位置。惠更斯则干脆省去了镜筒，他把物镜装入一根短金属管，然后接到一根高高的杆子上，并可以从地面上操纵。目镜装在另一根小管子里，置于一个木支架上。目镜和物镜之间有一段绳，拉紧时可使两者对准。这种长镜身望远镜使用起来很不方便，但是在更好的替代品问世之前，天文学家们还得依靠它们继续奋战。
     　幸好，在折射望远镜中，借助于不同玻璃制成的两块透镜的巧妙配合，既可以消除色差，还能同时消除球差。在反射望远镜中，恰当地改变副镜镜面的形状，同样也可以消除球差。因此，自从消色差透镜的秘密公开后，长镜身的折射望远镜便寿终正寝了。/ c6 b' u1 X# L
　　赫歇尔利用他那些反射望远镜对太阳系进行广泛的研究。1787年，他发现了天王星的2颗卫星，后来分别称为天卫三和天卫四。1789年，他将那架1.22米望远镜瞄准土星，当晚就发现了土星的2颗新卫星——土卫一和土卫二。同年，他发表了《又一千个新星云和星团表》。7 J4 }" F* b4 P% x9 T4 w: k/ m3 |
　　移居斯劳后，卡罗琳?赫歇尔先后发现了8颗新彗星。其中1795年那颗就是著名的恩克彗星，德国天文学家恩克于1819年计算出它的轨道，证明其运行周期仅为3.4年。它是人们发现的第一颗短周期彗星，也是继哈雷彗星之后第二颗被预言回归的彗星。& U( D0 [3 U: a' L& p
　　1801年，威廉?赫歇尔在拿破仑战争的一个短暂间歇期访问了巴黎，会见了拿破仑本人。他发觉拿破仑有时会不懂装懂，故对其印象不佳。1802年，威廉发表了他的又一份星云星团表。1819年，81岁的他进行了最后一次天文观测。1821年，他被选为英国天文学会(后来变成皇家天文学会)的第一任主席。1822年8月25日，84岁的威廉在斯劳与世长辞。他是历史上最伟大而全能的天文学家之一。,
威廉死后，卡罗琳在1822年回到阔别半个世纪的故乡汉诺威，以72岁高龄继续编纂一份包括她哥哥观测过的全部星云和星团的表。1825年完工后，她将手稿寄给侄儿约翰，这对后者乃是一份无价之宝。1835年，85岁的卡罗琳被选为英国皇家天文学会名誉会员。这是一种破格的荣誉，因为当时依然限定会员只能由男子当选。1846年，96岁的卡罗琳接受了普鲁士国王授予她的金质奖章。1848年1月，终身未嫁的卡罗琳在汉诺威逝世，享年98岁。  Y% i6 ^! `" b5 L4 |! i
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　　威廉的独生子约翰?赫歇尔1792年3月7日生于斯劳，1807年入剑桥大学圣约翰学院，学业极佳，1813年毕业。他早期的数学工作已颇有水平，21岁便当选为皇家学会会员。可即使如此，他却转而去学习法律了。1816年，24岁的约翰回到斯劳，接替78岁高龄的父亲承担大量的观测工作，在父亲指导下制造望远镜，同时还继续研究纯数学。约翰是英国天文学会理事会创始人之一，而且是它的第一任国外书记。  x; g0 C" `! d2 p5 M

        　为了将父亲的巡天和恒星计数工作扩展到南天，约翰于1834年初携妻子和3个孩子前往非洲好望角，在那里工作了4年。他历时9年编纂的《好望角天文观测结果》是一部杰作，于1847年发表。1848年，约翰?赫歇尔当选皇家天文学会主席。他于1849年写成的《天文学纲要》在几十年内一直是普通天文学的标准教本。此书由李善兰和伟烈亚力(Alexander Wylie)合译成中文，书名易为《谈天》，1859年由上海墨海书馆出版。书中关于哥白尼学说、开普勒行星运动定律和牛顿万有引力定律的介绍，令当时的中国人耳目一新。1871年5月11日，79岁的约翰在肯特郡逝世，安葬在威斯敏斯特大教堂中离牛顿墓很近的地方。9 M) Y*

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          　　赫歇尔一家在英国天文学史上的权威地位几乎长达一个世纪。英国皇家天文学会的饰章图案就是威廉那架巨炮似的大望远镜。1839年，这架劳苦功高的仪器终于变得摇摇晃晃、危在旦夕了。于是，人们把它拆卸、放倒，约翰率领家人进入镜筒唱起了安魂曲。在一次暴风雨中，一棵大树倒在上面，损伤了镜筒。那面巨大的金属反射镜，最终也被砸坏了。
      　　赫歇尔的辉煌时代虽已成为过去，更大更好的望远镜却还将不断涌现。

牛顿望远镜
折射望远镜的巅峰
　折射望远镜曾经为天文学带来了众多的新发现。对此，我们可以再次从伽利略说起。1610年，伽利略从望远镜中看到，土星两侧仿佛各有一个附属物。他想，也许它们是土星的卫星吧？然而，日复一日，这两个附属物却越缩越小，两年后，竟然完全消失不见了。更使伽利略大惑不解的是，1616年，那些奇怪的附属物又在他的望远镜中出现了。这位科学老人终其一生也没弄明白那究竟是什么东西。# o! ?/ e, g6 ]: A
　　1629年在海牙出生的惠更斯热衷于研磨透镜，并得到犹太裔的荷兰著名哲学家、技艺高超的磨镜行家斯宾诺莎的帮助。惠更斯的望远镜远胜于伽利略的那些，这使他在1656年终于看清，那些奇怪的附属物原来是环绕土星的一圈光环。惠更斯正确地解释了土星光环形状不断变化的原因：它以不同的角度朝向我们，当我们朝它的侧边看去时，薄薄的光环便仿佛消失不见了。
　1655年3月25日，惠更斯发现了土星的第一颗卫星，它被命名为泰坦。泰坦是一个巨人神族。他们都是天神和地神的孩子，每个成员又各有自己的名字。后来，新发现的土卫越来越多了，泰坦被编号为土卫六。它是一颗巨大的卫星，每16天就绕土星转一圈。今天我们知道，其大气组成成分与地球大气相仿。
.　然后，卡西尼于1671年10月发现了土卫八，1672年12月发现了土卫五，1684年3月又发现了土卫三和土卫四。1675年，卡西尼发现土星光环中有一道又细又暗的缝隙，后来称为卡西尼环缝。环缝外侧的那部分光环叫做A环，环缝里侧的部分则叫B环。1837年，恩克又发现A环内部还有一道缝隙，后来称为恩克环。
　　1898年，美国天文学家威廉?亨利?皮克林发现了土卫九。它到土星的距离远达1300万千米，为月球到地球距离的33倍有余。它是19世纪发现的最后一颗卫星，也是人们使用照相方法发现的第一颗卫星。8 k; v) ^7 V( m5 a& n5 U
　　19世纪初，年轻的德国光学家夫琅和费制成一块直径24厘米的优质透镜，用它造出了当时世界上最大最好的折射望远镜。望远镜装在一根轴上，使之可以俯仰；轴又装在一个轮子上，使之可沿水平方向转动。夫琅和费为它设计的平衡装置非常精妙，以至于用一个手指就可以推动这架镜身长4.3米的折射镜。
　　也是在19世纪上半期，一个只有几十年历史的新兴国家——美国加入了天文望远镜的竞赛。一位钟表匠威廉?克兰奇?邦德自学成材，于1847年被任命为哈佛学院天文台台长。他是天体照相技术的先驱，致力于将天体的像聚焦到照相底片上，而不是聚焦在眼睛的视网膜上。1849年12月18日，他用一架公众捐款建造的38厘米折射望远镜，拍摄了月球照片。在20分钟曝光期间，望远镜靠钟表机构带动，始终对准月球。这张照片太逼真了！他的儿子乔治?菲利普斯?邦德把它带到在伦敦“水晶宫”举办的第一届万国博览会上，引起了巨大的轰动。
　　以肖像画为业的美国人阿尔万?克拉克渴望磨制透镜。他仔细考察了邦德那架38厘米的折射镜，并检测了它与理想状况的微小偏离。然后，他关闭画室，潜心研究怎样才能磨制出比它更好的透镜。后来，他在儿子阿尔万?格雷厄姆?克拉克的帮助下开了一家工厂。1870年，克拉克父子接下美国海军天文台建造66厘米折射望远镜的定单。它的透镜重达45千克，镜身长13米，质量极佳。
　美国金融家利克在1849年加利福尼亚黄金热期间，在不动产方面赚了不少钱。他渴望为自己树碑立传，便于1874年宣称，将留下70万美元——这在当时远比现在值钱得多，用来建造一架比当时所有的天文望远镜都更大更好的望远镜。工作主要由小克拉克承担，14年后，一块口径91厘米的透镜终于制成，并装入长18.3米的镜筒。这架折射望远镜被命名为利克望远镜，于1888年1月3日正式启用。利克几年前就去世了，根据他临终时的要求，他的遗体埋在安装望远镜的基墩里。它所在的那个天文台坐落于加利福尼亚州北部圣何塞以东21千米的汉密尔顿山上，被命名为利克天文台。, q9 s- [, o3 F  r
　　1892年，天文学家巴纳德使用利克望远镜发现了木星的第五颗卫星，即木卫五。它的直径只有110千米，还不及北京到天津那么长。木卫五离木星表面仅108000千米。发现这样又小又暗的天体——况且它又如此接近木星本身占压倒优势的光辉，必须拥有极好的透镜和极敏锐的眼睛，巴纳德很幸运地两者兼备了。木卫五是用眼睛发现的最后一个太阳系天体。此后，这类发现就要归功于望远镜上的照相设备以及空间时代更新颖的技术了。
　　南加利福尼亚大学想要拥有一架比利克望远镜更好的折射望远镜，遂向克拉克订购一块102厘米的透镜。但是，在克拉克为此投入2万美元之后，这所大学却无法筹齐所需的资金。幸好，天文学家乔治?埃勒里?海尔这时前来解围了。
    　　当时，海尔才20多岁，是芝加哥大学天体物理学助理教授。他获悉金融家查尔斯?叶凯士控制了整个芝加哥的交通，用不甚正当的手段赚得了巨额钱财。为什么不想法把这种不义之财用来发展科学呢？于是，从1892年起，海尔就盯上了叶凯士这个猎物。
       　　海尔生于1868年6月29日，从小爱读文学名著和诗。他意志坚强又娴于辞令，在他的不断游说下，叶凯士不由得把钱一点一点地掏出了腰包。最后这位金融家为新望远镜和安装它的新天文台提供的款项总额达到了349000美元。这个数字的实际价值要比今天高得多！/ q$ N9 D/ H% `6 J
　　海尔在芝加哥西北约130千米处选了一个地点，叶凯士天文台就建在那里。1895年10月，年逾花甲的小克拉克为海尔磨好了102厘米的透镜，它重达230千克，装在一架长逾18米的望远镜里。整个望远镜重达18吨，但是平衡极佳，用很小的推力就可以让它转动并瞄准天空的任何部分。4 ^+ h9 E* t1 A% q9 b3 o+ y
　　1897年5月21日，这架折射望远镜首次启用。小克拉克在目睹折射望远镜的这一辉煌胜利之后三个星期去世了。今天，叶凯士望远镜和利克望远镜依然在世界上保持着折射望远镜的冠军和亚军称号。. q( i& Z% D$ q, A* ^
　　事实上，折射望远镜已经达到它的巅峰，它的路也走到了尽头。首先，极难得到可供制造透镜的尺寸很大而又完美无暇的光学玻璃。整个19世纪和20世纪的技术进展，并未使造出一块足以超越叶凯士折射望远镜的透镜玻璃变得更容易些。其次，因为光线必须透过整块玻璃，所以透镜只能在边缘上支承。巨型透镜分量很重，得不到支撑的透镜中央部分就会往下凹陷，整块透镜就会变形。透镜的尺寸越大，问题也就越严重。
　那么，另一方面，反射望远镜的情形又如何呢？# c3 h; N. w6 s4 Z4 M7 F
　　从“列维亚森”到帕洛马山
　　“列维亚森”的时代
    　威廉.赫歇尔的金属镜面大型反射望远镜尚“健在”时，就有人决心要在这方面超过他，后者就是爱尔兰人威廉?帕森斯。
          　威廉?帕森斯1800年6月17日生于英国的约克，1841年，他子袭父位，成为第三代罗斯伯爵，后世天文学家普遍称他为罗斯。1845年，爱尔兰将他选进上议院。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”的人为数极少。
      　罗斯的最大嗜好，就是建造世界上最大的望远镜。他有足够的金钱，有充裕的时间，有必要的技术知识，还可以训练佃户来干活。他将望远镜安置在自家的领地上，那里的地名叫比尔，几乎位于爱尔兰岛的正中央。遗憾的是，当地气候不佳，故对天文观测很不相宜。
          　罗斯花了5年时间，才研究出一种适合制造反射镜的铜锡合金。他从1827年开始，先造了一面直径38厘米的反射镜，接着又造了直径61厘米的，1840年又造出一面91厘米的反射镜。1842年，罗斯开始铸造一块直径1.84米的反射镜，它的面积是赫歇尔那架最大的望远镜的2.25倍。那年4月13日，反射镜铸成，然后缓慢地冷却了16个星期。镜面磨好后，刚要装到望远镜上就开裂了。罗斯只好重新铸造，直到第五次才大功告成。
　这架望远镜的镜筒用厚木板制成，并用铁箍加固。镜筒长17米，直径2.4米。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，因此望远镜基本上只能沿南北方向观测，在东西方向最多只能偏转15o。
　     　这块反射镜重达3.6吨，把它装进镜筒很不容易，直到1845年2月才能测试和使用。为了与赫歇尔一比高下，罗斯观测了赫歇尔曾经研究过的各种星云。他发现梅西叶表中的M51看上去像是旋涡状的，遂使人们在1845年知道了第一个“旋涡星云”。1848年，罗斯发现梅西叶表中的头号天体M1内部贯穿着许多不规则的明亮细线。罗斯觉得它很像一只螃蟹，故称其为“蟹状星云”，这个名字一直沿用至今。日后的事实证明，这两项发现都具有头等重要的意义。4 g$ n2 [+ J9 z& k' D
　　罗斯这架巨大的望远镜，通常以“列维亚森”(Leviathan)著称。“列维亚森”原是《圣经?旧约》中描述的一种海怪，中文版《圣经》将它译为“鳄鱼”。它鳞甲坚固，牙齿可畏，鼻孔冒烟，刀枪不入，力大无穷；它视铁为干草、铜为烂木，实为水族之王。后来，英语中就用“列维亚森”来称呼那些庞然大物，例如巨型轮船、强大的国家或极有权势的人。* s: E* H3 N8 F+ b- R1 n& Z
　　英国酿酒师拉塞尔也想建造大的反射望远镜，就在1844年参观了罗斯的领地，考察“列维亚森”是如何制造的。拉塞尔造了一架口径61厘米的望远镜，继而又造了一架1.22米的反射望远镜。他的镜子不如罗斯的那么大，但在另外两方面却超过了罗斯。
       　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了反射望远镜上，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当时的英国属地马耳他岛。
         　罗斯的“列维亚森”存在了60年，它老了，变得摇摇晃晃。1908年，他的一个孙子把它卸了下来。它没有做出太多的天文发现，但为它的制造者增添了生活乐趣。
海尔的杰作# T- L" I6 d0 y0 D

　　金属镜面很重，价格昂贵，易于腐蚀，而且随环境温度变化还会显著变形。于是人们又想到了玻璃，它的重量比较轻，价格低廉，耐腐蚀，比金属更容易研磨成形，经过抛光可以变得非常光洁。但问题在于玻璃很透明，怎样用它来制造反射镜呢？0 q* ?. p; }9 @" c$ r( I

　人们发明了在玻璃上镀银的方法。沉积在玻璃上的银膜很牢固，可以轻轻地抛光，从而可以高效地反射光线。20世纪初叶，镀铝技术取代了镀银。铝膜可以将落到它上面的光反射82%，新镀的银膜却只能反射65%。8 L8 i" U. O  f6 b+ A7 ?& g( ?
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　　1908年，海尔建成一架口径153厘米的反射望远镜。当然，其镜面是玻璃的。它安装在加利福尼亚州帕萨迪纳附近的威尔逊山天文台上。该台于1905年落成，海尔亲任台长。
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　　在此之前，海尔已经说服一位洛杉矶商人胡克投资建造一架口径212厘米的大型反射望远镜。胡克急于将自己的名字与世界上最大的望远镜联系在一起，并且不希望很快就被别人超过，所以甚至主动增加了赠款，希望将望远镜的口径增大到254厘米，即恰好100英寸。" l' `8 D1 N3 u4 o, w; Q( V

　第一次世界大战延误了计划，但后来总算顺利。这架望远镜全重达90吨，于1917年11月启用。它操作方便，能以很高的精度跟踪恒星。长达30年之久，它一直是世界上的反射望远镜之王，并为天文学作出了卓越的贡献。
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　　1923年，海尔因身体欠佳退休了。随着帕萨迪纳、尤其是洛杉矶的迅速发展，夜晚的城市灯光严重地威胁着威尔逊山的天文观测。“退休”的海尔又到威尔逊山东南约145千米处另觅了一处台址，它在帕洛马山上，当时人类尚未开发这块处女地。他决定在那儿建一架口径508厘米(200英寸)的反射望远镜，1929年从洛克菲勒基金会获得一笔款子，他便着手干了起来。/ c7 j0 ^! f( g6 r' Q/ _
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　　人们为这项浩大的工程付出了史诗般的巨大努力。508厘米的反射镜比先前任何望远镜使用的镜子更大、更厚、也更重。在这么一大块玻璃中，即使很小的温度变化也会因膨胀或收缩而影响反射镜面的精度。为此，整块玻璃的背面浇铸成了蜂窝状，这使镜子的重量比一个矮胖的实心圆柱减小了一半以上；这种结构使整块反射镜内的任何一点离玻璃表面都不超过5厘米，温度变化将较为迅速地在整块玻璃中达到均衡。浇铸好的玻璃毛坯，在严格的温度控制下花了10个月时间慢慢地冷却；在冷却过程中，附近河流泛滥，镜坯死里逃生，而且它还经受了一次轻微地震的考验。镜坯是在纽约州的康宁玻璃厂生产的，它必须横越整个美国，运到加利福尼亚的帕洛马山；为了稳妥起见，火车昼行夜宿，时速从不超过40千米；它走的是一条专线，以减少遇上桥梁和隧道的麻烦。这块玻璃连同它的装箱，宽度显著地超出5米，经过不少地方时，允许通行的空间往往只剩下了区区几厘米。接下来是长时间的研磨和抛光，总共用掉了31吨磨料。最后成型时，反射镜本身重达14.5吨，镜筒重140吨，整个望远镜的可动部分竟重达530吨！

　海尔于1938年2月21日在帕萨迪纳与世长辞，未能目睹这架望远镜竣工。1948年6月3日，人们终于为这具硕大无朋的仪器举行了落成典礼。后来，人们在帕洛马山天文台的门厅中塑了一座海尔半身像，铜牌上写着：4 o- r& P8 a7 J4 {) g
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　　“这架200英寸望远镜以乔治?埃勒里?海尔命名，他的远见卓识和亲自领导使之变成了现实。”

　　1969年12月，威尔逊山和帕洛马山两座天文台重新命名，统称为海尔天文台。" e8 g( r3 `3 ~2 U+ c2 w8 Q8 _  D
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　　全新的思路
　　天文望远镜的口径越大，收集到的光就越多，就能探测到越远越暗的天体。与此同时，一架望远镜的口径越大，分辨细节的本领也就越高。这对天文观测来说，同样至关重要。& a; z, g5 v4 Z4 v1 x4 U
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　　不过，大也有大的难处。大型反射望远镜仅仅对它直接指向的那一小块天空，才能形成优质的星像，才能拍下极其清晰的照片。在这一小块天空以外，拍摄的照片都将因失真太大而无法使用。通常，望远镜的口径越大，每次能够高精度地进行观测的天空范围也就越小。例如，用威尔逊山上那架口径254厘米的胡克望远镜，每次只能观测像满月那么大小的一块天空。海尔望远镜的视场甚至比这更小。如果用大型反射望远镜拍摄星空，每次一小块一小块地拼起来，直到覆盖整个天空，那就需要拍摄几十万甚至几百万次。大望远镜的这一弱点，使它们难以胜任“巡天”观测。7 s# w+ G. @: f) }" z
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　　那么，“巡天”究竟是什么意思呢？
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　　天文学上最普遍的“巡天”，相当于对天体进行“户口普查”，它为大量天文研究工作提供最基本的素材。正如普查人口之后，就可以根据不同的特征——性别、民族、年龄等，对“人”进行分门别类的统计研究那样，对天体进行“户口普查”后也可以根据不同的特征——亮度、距离、光谱类型等，对它们进行分门别类的统计研究。4 w' A' |9 ~  Q" H7 z( N. P; I
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　　要想在不太长的时间内完成一次天体的“户口普查”，望远镜的视场就不能太小，因而其口径就不能太大。另一方面，为了看清很暗的天体，望远镜又必须足够地大。这两者是有矛盾的。那么，有没有可能“鱼与熊掌得兼”，造出一种口径既大、视场也大的新型天文望远镜呢？
　早在20世纪20年代，旅德俄国光学家施密特就开始朝这个方向迈出了第一步。施密特生于1879年3月30日，他接受的正规教育十分有限，但自学光学很有成绩。施密特早年就喜欢做实验，并为此付出了高昂的代价。他把火药塞进一根钢管，然后点燃它，爆炸效果令人满意，但是却炸掉了他的右手和右前臂。后来，他不得不用一条胳膊来研磨他的透镜和反射镜。( Z- ~5 I5 k7 Z" m# n

　施密特想出一种同时使用反射镜和透镜的方案。1930年，他研制成功第一架“折反射望远镜”：用球面反射镜作为主镜，在它的球心处安放一块“改正透镜”。改正透镜的形状特殊，中间最厚，边缘较薄，最薄的地方则介于中间与边缘之间。改正透镜设计得使透过它的光线经过折射以后恰好能弥补反射镜引起的球差，同时又不会产生明显的色差和其他像差。这就是所谓的“施密特望远镜”，它使望远镜的有效视场增大了许多。世界上最大的施密特望远镜安装在德国的陶登堡天文台，其主镜和改正透镜的口径分别为2.03米和1.34米。& ?( y1 Y3 c2 C9 F

　施密特望远镜的视场宽阔，使它在“巡天”工作中起到了无可替代的巨大作用。例如，美国的帕洛马山天文台，以及位于澳大利亚的英澳赛丁泉天文台各用一架主镜口径1.22米的施密特望远镜巡天，记录了全天约10亿个天体的位置、形状等信息。% o* n0 I6 F" ^
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　　施密特望远镜使用了透镜，这使它也像折射望远镜那样不可能做得太大。那么，能不能用一块“改正反射镜”来代替“改正透镜”呢？! z$ J' L9 r, d5 i# O& \! Z6 x# q

　如何研制“反射式施密特望远镜”，正是20世纪90年代以来国际天文界共同关心的问题。只有做到这一点，才能将整个望远镜的口径和视场同时做得很大。我国天文学家在这方面的研究处于比较先进的地位。预期在2010年前，反射式施密特望远镜就将成为现实。2 P& S" @$ Z: v  D% C  P" \. ^7 y

　在一架施密特望远镜拍摄的单张底片上，所包含的星像可多达上百万颗。如果在某张底片上发现了什么特别有趣或者可疑的东西，这时就该进而利用巨型反射望远镜来更加精细地考察它们了。; [. H  G- E+ B/ h' N+ F9 O

　因此，即使有了施密特望远镜，我们也还需要越来越大的反射望远镜。但是，不少科学家认为，材料、设计、工艺、结构等多方面的重重困难，似乎已经使制造更大的反射望远镜成了镜花水月。例如，制造大块光学玻璃本身就是一大难题，而且它只要有极微小——例如温度变化所致——的形变，就会使星像变得模糊，从而使望远镜的威力大减。因此，海尔望远镜在落成后的30年内，始终仿佛鹤立鸡群，没有任何新的望远镜可以与之媲美。$ }& {0 {) Q; o- V
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　　苏联人曾经造出一架口径6米的反射望远镜，其镜体重77吨，长25米，整个可动部分重达800吨。1976年，这架6米望远镜终于竣工，可惜其性能并不尽如人意。0 m1 F+ g  J5 |1 G+ `9 M
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　　然而，人类的认识能力和创造能力是无穷的，天文望远镜的前景依然光明，关键在于设计思想的革命。
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skystar

文章很长。

discuvery2008

望远镜的历史真的是很长啊