1672 年 1 月 11 日，牛頓向英國皇家學會的會員們展示了自己的反射式望遠鏡。不同于源自伽利略時代的透鏡成像折射望遠鏡，牛頓的望遠鏡使用反射鏡成像。后來，科學史家便稱牛頓發(fā)明了望遠鏡。然而，這種簡略的歷史敘述卻掩蓋了一個更有趣也更復雜的故事。牛頓發(fā)明望遠鏡的說法立即受到另外兩位競爭者詹姆斯?格雷戈里（James Gregory）和勞倫特?卡塞格林（Laurent Cassegrain）的質疑。更令人困惑的是，最早使用曲面鏡聚焦光線的想法早在牛頓之前 1500 多年就被提出了；而實用反射望遠鏡的最終實現(xiàn)，卻比牛頓晚了半個多世紀。
反射式望遠鏡用到的光學原理很早就被提出了，它可以追溯到“亞歷山大港的希羅”的反射光學，希羅是公元一世紀的埃及數(shù)學家、工程師和發(fā)明家。他證明了一個拋物面反射鏡可以聚焦平行的入射光線并成像。沒有證據(jù)表明希羅真的制造出了反射光學器件。但現(xiàn)在，屋頂上常見的電視天線“大鍋蓋”就利用了希羅的理論，它將展寬的無線電信號聚焦到一點。
中世紀伊斯蘭光學學家也發(fā)現(xiàn)了曲面鏡聚焦的特性，其中最著名的是 10 世紀波斯學者阿布?賽義德?阿爾?阿拉?伊本?薩爾的《燃燒的反射鏡和透鏡》。不幸的是，伊本?薩爾的作品在當時似乎沒有什么影響，直到 20 世紀才被人們重視。希羅是文藝復興時期意大利藝術家和工程師最喜歡的作家，所以反射望遠鏡的原理再次出現(xiàn)在萊昂納多?達?芬奇未發(fā)表的手稿中也就不足為奇了。但達?芬奇對望遠鏡的興趣也只在于寫寫畫畫，他并沒有嘗試實際建造這樣的望遠鏡。
真正制造出第一個望遠鏡的榮譽落到了意大利天文學家尼科洛?祖基（Niccolò Zucchi）頭上，他在撰寫的《光學哲學》一書中提到他在 1616 年建造了一架帶有曲面銅反射鏡的望遠鏡。反射鏡在焦點處形成的圖像需要放大才能看到。祖基在光路上加了一個傳統(tǒng)折射式望遠鏡的目鏡，將反射鏡聚焦的圖像放大。但他發(fā)現(xiàn)最終得到的圖像被扭曲得無法辨認。他發(fā)現(xiàn)了反射式望遠鏡的一個主要問題：很難研磨和拋光出合適的曲面金屬鏡面。盡管磨制透鏡也會在表面產(chǎn)生缺陷，但反射鏡表面的缺陷導致的光線偏折卻會比透鏡表面相同大小的缺陷強六倍。(光線在透鏡中彎曲，會減弱缺陷的影響，而反射鏡會放大缺陷的影響。)
即使祖奇的望遠鏡能工作，它也只有一面反射鏡，所以不是一個全反射望遠鏡。所有真正的反射望遠鏡都至少有兩塊鏡子: 成像的主鏡和將圖像從望遠鏡主體投射出去的副鏡。第一個雙鏡反射遠望鏡的設計出現(xiàn)在 1636 年法國數(shù)學家、物理學家馬林?梅森（Marin Mersenne）的《和諧宇宙》中。他從未試圖實現(xiàn)他的設計，可能是因為他意識到制造拋物面反射鏡的巨大困難。
這時，牛頓出現(xiàn)了。大約在 1668 年，牛頓按照自己的設計，用銅-錫-砷合金制成了一面反射鏡，并成功地制造出了一臺能正常使用的反射望遠鏡。他耍了一點小聰明，造了一個球面鏡。雖然球面鏡不能產(chǎn)生完全精確的圖像，但比拋物面鏡更容易研磨和拋光。然而，我們不應該低估牛頓作為一個工匠的能力。他的望遠鏡足以觀察木星的四顆大衛(wèi)星。它和當時的許多折射望遠鏡一樣強大，而且體積更小。
在牛頓公開展示他的望遠鏡之前幾年，蘇格蘭數(shù)學家和物理學家詹姆斯?格雷戈里 (James Gregory) 在他的《光學推廣》中發(fā)表了一種與牛頓略有不同的反射望遠鏡設計。他的設計使用了拋物面主鏡和橢球面副鏡。與梅森不同的是，格雷戈里試圖把自己的望遠鏡真正制造出來；與祖奇不同的是，他的望遠鏡有一個完整的雙鏡反射器。盡管格雷戈里聘請了倫敦最好的鏡片制造商理查德?里夫 (Richard Reeve) 磨制鏡片，但他的反射鏡質量無法滿足成像的要求。
據(jù)報道，牛頓的老對頭羅伯特?胡克 (Robert Hooke) 在 1674 年按照格雷戈里的設計成功地制造出了一個能夠正常使用的反射望遠鏡。但它很快就損壞了，沒能保存下來。在這之前兩年，胡克也是聲援格雷戈里指控牛頓的主力。同樣在 1672 年，醫(yī)生讓-巴蒂斯特?丹尼斯 (Jean-Baptiste Denys) 在一份法國雜志上發(fā)表了一封信，聲稱他的助手洛朗?卡塞格林 (Laurent Cassegrain) 才是設計了第一種反射望遠鏡的人。人們對卡塞格林知之甚少，也不知道有沒有人試圖在 17 世紀按他的設計方案建造望遠鏡。他使用了拋物面主鏡和雙曲面副鏡，打磨起來特別復雜。
格雷戈里和卡塞格林的設計并沒有立即實用化，不過，牛頓的設計也沒有。盡管反射望遠鏡與折射望遠鏡相比有許多優(yōu)點，但牛頓的球面鏡無法有效地按比例放大，最終只能變成一個有趣的科學玩具。
早期的折射望遠鏡主要有兩個光學問題難以解決，即球面像差和色差。首先，一個簡單透鏡的曲面是一個球冠 —— 這是 17 世紀的技術唯一能做到的構型，它不能將光聚焦在一個點上，所以自然會產(chǎn)生一個扭曲的圖像。這種球差可以通過使用極長焦距的透鏡來緩解，但這種解決方案導致望遠鏡變得越來越長、越來越笨重。第二個問題，色差，是促使牛頓研究反射望遠鏡的原因。不同顏色的光在通過透鏡時彎曲的角度略有不同。在彩虹中，這種效果很美。但在折射望遠鏡中，紅光圖像與藍光圖像之間會隔開一小段距離，產(chǎn)生彩色條紋，成像因此變得模糊。
沒有透鏡的反射望遠鏡比簡單的折射望遠鏡成像更清晰。然而，直到 1721 年，牛頓建造出第一臺望遠鏡 50 多年后，英國發(fā)明家約翰?哈德利（John Hadley）才成功地建造了一臺大型牛頓式反射望遠鏡 (還不完全是牛頓的球面鏡設計)。英國皇家學會的成員將它與克里斯蒂安?惠更斯 120 英尺長的折射望遠鏡進行了對比，并宣布哈德利的望遠鏡性能更好。哈德利接著也制造了一臺可以正常工作的格雷戈里式反射望遠鏡。更重要的是，他向當時主要的儀器制造商傳授了一種成熟的研磨和拋光金屬鏡片方法，使批量生產(chǎn)高質量望遠鏡成為可能。
今天，所有主要的天文臺，包括哈勃太空望遠鏡，都使用反射望遠鏡。我們應該把發(fā)明它功勞送給誰呢？提出概念的希羅？嘗試實際建設的祖奇? 成功制造出現(xiàn)代望遠鏡前身的牛頓？還是讓反射望遠鏡變得可行的哈德利？他們都不可或缺，但沒有一個人的工作是足夠的。
這個故事給我們的啟示遠不局限于望遠鏡這一個例子。對幾乎所有的工業(yè)設備來說，聲稱發(fā)明者是某個特定的人都是不準確的。提出概念、制作樣機和大規(guī)模應用可能非常不同，這個過程通常不是一條坦途，而是一條漫長、曲折又具有挑戰(zhàn)性的征途。
作者：Thony Christie
翻譯：藏癡
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原文鏈接：How many great minds does it take to invent a telescope
本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Thony Christie
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