北大微讲堂：天文望远镜的发展和成就 - (EPUB全文下载)

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正文
一 四个里程碑
二 四百年天文学的主要成就
三 未来研究重点
四 中国的望远镜
现场互动
演讲者小传
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正文
主持人：
今天我们有幸邀请到南京大学天文系教授苏定强老师来做讲座。
苏定强：
各位老师，各位同学，晚上好！今年是国际天文年，是为了纪念伽利略首次用望远镜观测天体400年。我今天讲的题目是天文望远镜的发展和成就。
我今天讲的内容分四个部分：第一部分是讲四百年中的四个里程碑；第二部分是四百年天文学的主要成就；第三部分是未来研究重点；第四部分讲我们中国的天文望远镜。
一　四个里程碑
我认为四百年中天文学的进展中有四个里程碑，第一个是开始用望远镜观测天体，这里望远镜指的是光学望远镜。
关于望远镜的发明，有几种说法。一般认为，1608年眼镜商汉斯·利普赫（Hans Lipperhey）发明了望远镜。1609年消息传到伽利略那里，他很快就思考、制造了望远镜，并用它开始了对天体的观测。伽利略用望远镜发现月面是粗糙的，有山有谷；看到日面有黑子。当然，对于太阳表面的黑子我国比西方早很多年，在公元前28年就有记载，但是伽利略看到的更系统，不光是看到上面有黑点，而且看到黑点在太阳表面上移动，这个移动反映出太阳是一个在转动的球，这就比我们的深入了。好，讲到这里我要插几句题外话：在以前，人们认为，天上和地上是不一样的，天上是神仙居住或是一些善良的人和动物死后所去的地方，那是一个灵魂世界，一个圣洁的地方。但是伽利略观测后发现月亮上有山有谷，与地面上是相似的，太阳也不是圣洁的，上面有黑子，所以天上和地上一样，是一个物质世界而不是灵魂世界，当然也不能据此就说灵魂世界不存在，只是我们看到的天上是和地上一样的物质世界。伽利略还通过望远镜看到有四颗暗星绕着木星转，也就是木星有四颗卫星。对于宇宙，当时有两种观点，主流是托勒密的地心说，另一个是哥白尼的日心说。托勒密的地心说认为，天体都是绕着地球转的，地球是宇宙的中心，这四颗星绕着木星转，就不符合伽利略的说法了。伽利略观测到了金星的盈亏（位相），盈亏的情况是符合哥白尼学说而不符合托勒密学说的。天空有一条淡淡的乳白色的光带称为银河。通过天文望远镜，他观测到这是由很多星星组成的。伽利略的这些发现开创了天文学研究的新时代。
图1就是伽利略和他亲手做的天文望远镜，到 1609年底或1610年初，伽利略一共做过四架天文望远镜，其中最大的一架，镜头的通光口径（就是能够接收的光束直径）是3.8厘米,焦距1.69米，30倍。在伽利略以后，有不少人做过许多望远镜来观测天空，这些望远镜都是用透镜做的，这种望远镜有一个缺点，就是有色差，看起来不怎么清楚，因为透镜是按折射原理成像的，各种波长的光折射是不一样的，像就会模糊，这就是色差。而反射对各种光都是一样的，入射角等于反射角，它与波长没有关系。所以，在伽利略做成折射天文望远镜以后的50多年间，有些人就在想，是不是可以用反射镜来做望远镜，有两个人提出了很好的反射望远镜光学系统，这两种系统，到今天仍在用。其中的一位，还请工匠磨制了一个这样的望远镜，但是加工得不好，看出来的像清楚的程度还不如不用望远镜，也就是说没有成功。那么，第一位真正做成功反射望远镜的是谁呢？是牛顿，时间是1668年，在伽利略用天文望远镜观测天空后的59年，也就是荷兰眼镜匠发明望远镜后的60年。牛顿的这架反射望远镜通光口径只有2.5厘米。从折射、反射天文望远镜的问世可以看到，这些大科学家是非常重视实验，非常重视观测的。
图1　伽利略和他手制的天文望远镜
（摘自中国大百科全书《天文学》卷）
除了伽利略和牛顿，许多著名科学家都参与了天文望远镜的研究和制造，比如开普勒，也就是总结出行星运动三定律的那个开普勒，还有笛卡儿、惠更斯、赫歇尔（F. W. Herschel）、欧拉、高斯、夫琅和费、史瓦西(K. Schwarzschild）等。
那么，望远镜的作用是什么呢？第一个作用是收集光, 以便能够观测到暗弱的天体。人眼睛的瞳孔，直径最大时只有8毫米，天体的光落在地球上，瞳孔只能搜集最多直径8毫米的光，但是通过天文望远镜，就相当于把眼睛的瞳孔放大到与望远镜物镜的口径相同，这样就可以看到原来看不见的暗弱得多的天体了。当然，现代天文望远镜主要不是用眼睛看，比如用CCD，再早一点用底片来接收，不管哪一种，只要物镜大，就可以收集更多的光，观测到更暗弱的天体。
第二个作用，就是提高分辨率, 以观测到天体的细节。人眼睛的分辨角，只有1角分，天文望远镜可以放大天体的视角，比如原来1角秒的细节人眼分不出，但是通过60倍的放大就看到了。但不要认为只要提高望远镜的放大率就能看清楚天体任意小的细节，要提高放大率并不难，放大率等于物镜焦距除以目镜焦距，你只要把物镜焦距做得足够长，目镜焦距做得足够短，放大率就可以很高。但是，分辨天体细节更重要的是受限制于：一是象差，比如说折射望远镜就有色差；二是面形精度，加工得好不好，如果这个镜子根本就没有磨好，形状不精确，成像当然就模糊；三是大气扰动，如果没有大气，我们可以认为，星光从很遥远的地方来，是平面波，它的波前是一个平面；但是经过大气，这个波前就歪曲了，变成一个曲面，这样像就不清楚了。大气是不断变化的，这个曲面也就不断变化，有时候看见的星象不仅模糊而且跳动。如果上面这三个都是理想的情况，比如说设计得好，象差消除得很好，加工的精度很高，大气扰动也不严重，定量来讲，如果由这三个因素引起的波面误差的均方根值（rms）不超过波长的1/14，这时限制分辨率的是衍射，用弧度为单位衍射的分辨角等于1.22λ/D ，即1.22乘以波长除以口径。可以看到，口径越大，能分辨的角越小。所以望远镜的口径非常重要，口径越大，收集的光就越多；口径越大，能分辨的角就越小。也就是增大望远镜的口径具有增加集光量和提高分辨率的双重意义，望远镜的发展史，就是沿着将望远镜的口径越做越大这条主线。
由于时间关系，我不能一直讲望远镜的发展，而且大家也可能会觉得枯燥，我只讲这四百年中几个突出的例子。
有一位天文 ............

书籍插图：

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