开普勒的长镜筒望远镜——天文望远镜的诞生

    伽利略的重大观测成果，成为无声的、最有力的号召，.使许多天文学家陆续投入到使用望远镜观测宇宙天体和进一步改进望远镜的行列中。德国著名天文学家开普勒〔1571~1630〕，对于改进望远镜和推广望远镜的使用作出了突出的贡献。他为了减少物镜造成的球差，采用了尽量延长物镜焦距的方法，因此，开普勒制造的望远镜都是长镜筒。这种长镜筒的望远镜在当时风靡了很长时间。

天空立法者开普勒

    开普勒1571年12月27日生于符腾堡附近的瓦尔镇。他自幼体弱多病，一生非常坎坷，多灾多难。2岁时父亲便参军离家，以后便音讯全无。4岁时一场天花害得他满脸麻坑。5岁时患猩红热持续高烧，致使他的双眼变成高度近视，双手也变得不太灵活。

    开普勒家境贫寒，母亲无力供他上学，12岁时才入修道院学习。1587年进入蒂宾根大学，在那里他遇到了天文学教授麦斯特林。在教会的高压统治下，麦斯特林教授在讲台上只能讲述古代希腊人的地心宇宙观，而在讲台下他却经常秘密地向学生们宣传哥白尼的日心学说。在他的影响下，开普勒不仅对天文学产生了浓厚的兴趣，并且成为哥白尼学说的忠实维护者。

    1594年开普勒被学校推荐到奥地利的一所中学任数学教师。开普勒不善言谈，口齿不伶俐，学生们都很不喜欢听他的课。然而，开普勒在这里对天文学仍念念不忘，经常利用业余时间刻苦钻研天文学。1596年，他出版了《宇宙的神秘》一书，引起了当时最著名的天文学家第谷的注意。不久第谷便邀请开普勒到布拉格天文台做他的助手。1601年，第谷逝世，开普勒接替了第谷的台长职务，而得到的薪俸却减少了一半。从此以后，他一直致力于天文学研究，直至1630年逝世。

    开普勒虽然视力较差，但也做了许多天文观测。例如1604年他观测了在蛇夫座出现的一颗新星，发表了许多观测结果。后来，天文学家证实这是银河系内的一颗超新星，并将这颗新星命名为开普勒新星。1607年他又观测了一颗大彗星，就是后来英国天文学家哈雷发现76年回归一次的哈雷彗星。

    开普勒出版了许多天文学著作，如《哥白尼天文学概要》《彗星论》等，每本书中都有他独到的见解。开普勒一生中最辉煌也最令人钦佩的成果，是一――他发现了行星运动三定律。第谷是望远镜发明之前在观测方面最杰出的天文学家。第谷去世后’他把大量的观测资料都留给了开普勒。开普勒对第谷的这些资料进行了反复的研究。他先是按照传统的观念，认为行星是做匀速圆周运动。但是，无论他用什么方法，都算不出与第谷的观测结果相符合的数据。比如，火星的黄经误差最大有8角分。第谷的观测是完全值得信赖的，于是他想到，行星可能不是在做匀速圆周运动，他试着用各种几何曲线来表示火星的运动轨迹。1609年他终于发现了“火星是沿椭圆轨道绕太阳运行，太阳处于椭圆的一个焦点上"'这条重要的行星运动第一定律。开普勒说：“就凭这8角分的差异，引起了天文学的全部革新！“的确，他的发现将哥白尼的日心说向前推进了一大步。紧跟着，开普勒又发现：尽管火星在近日点附近时运行得快一些，在远日点附近时运行得慢一些；但是不论从任何一点开始，在相同的时间内，向经扫过的面积都是相等的。这就是行星运动的第二条定律。以后，他又经过长期繁复的计算和无数次的失败，终于在1619年又发现了行星运动的第三条定律：行星公转周期的平方等于轨道半长轴的立方。

    有关行星运动的三条定律成为经典天文学的奠基石，从此天文学开始大踏步地前进了。后人将开普勒尊称为天空立法者，他的伟大功绩在天文学历史上是永远不会磨灭的。然而令我们心中感到不平的是，开普勒的一生长期处于极端艰难贫困的窘境中，就连仅够糊口的微薄薪俸也经常拿不到，生病也没钱去看医生，以致仅仅59岁就在贫病交迫中去世了。难怪著名哲学家黑格尔尖锐地批评说：“开普勒是被德国饿死的。”

开普勒望远镜

    1609年，伽利略制造的几架望远镜都是折射望远镜，它们都是由一块凸透镜放在前面做物镜、一块凹透镜放在后面做目镜组成的。这种望远镜被称为伽利略望远镜。它的特点是成的像是正像，但视场较小，色差较明显，且不便于安置十字丝。1610年，开普勒也得到了一架伽利略式的望远镜，并且马上就对望远镜的光学原理产生了浓厚的兴趣。开普勒的眼睛不好，他知道自己不会成为一个优秀的观测者，但是他充分意识到这种仪器的重要性，他决心要在理论上研究好望远镜。事实上，大概伽利略也只知道望远镜的作用，并不清楚其中的原理，而开普勒才是第一个钻研凸透镜怎样把平行光会聚于一点的人。

    开普勒发现，前凸后凹式的伽利略望远镜，做目镜的凹透镜实际上总放在做物镜的凸透镜的焦点前面。所以通过它看见的都是放大了的虚像，就像我们平常用的放大镜能把目标放大了是同样的道理。他还发现，平行光穿过凸透镜以后，不能准确地会聚于一点，而只是近似地会聚在焦点上，这就使放大了的像有些模糊，这叫“球差”。如果能消除这种球差，望远镜的观测效果就会大大提高。

    但是，如何才能避免球差呢？开普勒发现人的眼睛就是一块非常好的透镜，根本不会产生球差。但是人眼是一块相当复杂的曲面，当时人们尚不能磨出如此完美无缺的透镜。在磨制透镜时，球面是最容易得到的，当时人们使用的透镜实际上都是球面的一部分。而球面的缺点是光线不聚焦在一个点上。开普勒琢磨出两个减小球差的办法。第一个办法尽量将做物镜的凸透镜做得平一些，这样透镜的焦距会比较长，而成像后的球差会比较小：第二个办法是将原来的凹透镜目镜改换成凸透镜，并把它放在物镜的焦点后面。

    用开普勒的改进方法做出来的望远镜叫做开普勒望远镜。开普勒望远镜与伽利略望远镜相比确实有很多优点。首先，开普勒望远镜得到的像是实像，球差大大减小了。其次，开普勒望远镜的视场比较大，可以将十字丝安装在物镜成像的地方，这样就可以用它来测量天体的准确位置、天体之间的准确距离，等等。开普勒望远镜也有它美中不足的地方，那就是它所成的像都是倒像，是上下左右完全颠倒的像。如果用它来做'军用望远镜或者观景望远镜，那都太别扭了。不过这一点对于天文观测却并无大碍，因为宇宙天体本身就没有上下之分，正着看倒着看都没有关系。

    如果想用开普勒望远镜得到正像也不难，只要再增加一组附加的透镜，就可以把颠倒的像再倒过来。1645年一位波希米亚天文学家谢尔勒就提出了这个建议。然而，自开普勒时代以来，天文学家们一直对望远镜中颠倒的成像心甘情愿。因为来自宇宙天体的光线通过透镜时，透镜会吸收一部分光，使图像变得暗淡一些。通过的透镜越多，被吸收的光越多，图像变得越暗淡。这一点对本来就不明亮的天体影响很大。所以天文学家从来就不去想把物像正过来，而是任其倒置以免图像变暗。这就是为什么我们通过天文望远镜看到的月亮和行星总是倒着的原因。

风靡一时的“长镜筒”

    开普勒望远镜逐渐被天文学家看好，并逐渐被推广开来。第一个正式使用开普勒望远镜观测天体的天文学家是意大利的弗朗西斯科華冯他约。从1640年开始，他观测了月球、火星、木星等许多天体，不仅证实了伽利略的发现，还新发现木星表面有平行的横条纹、火星表面有朦胧的斑纹。

    开普勒望远镜的特点就是用延长物镜焦距的方法来减少物镜造成的球差。物镜焦距一长，望远镜的镜筒也就必然要长。因此开普勒望远镜个个都是又细又长，看起来像个电线杆的模样。

    波兰天文学家约翰内斯丨赫维留斯〈1611~1687^使用的开普勒望远镜长达3.6米，放大率达50倍。而枷利略的望远镜最长的仅1.2米。赫维留斯对月球进行了长达四年的观测研究，于1647年完成了为现代天文学家所公认的第一幅十分详细完善的月面图，并用地球上的名字给月面海洋、山脉和环形山命名，有些月球山脉的名字沿用至今，例如阿尔卑斯山、亚平宁山等。

    意大利天文学家基奥范尼‘巴蒂斯他’里希奧利〔1598~1671〉通过望远镜看到了伽利略卫星在木星表面上投下的影子。1650年，他还用望远镜发现了北斗七星中的一颗实际上是一对靠得很近的双星。这是有关恒星的重要发现。为了获得更好的观测成果，天文学家们把望远镜做得越来越大。荷兰天文学家克里斯蒂安’惠更斯〔1629〜1695〕是这方面的佼佼者。惠更斯和他的弟弟酷爱磨制透镜，都是磨镜高手。1655年，惠更斯造出了第一架重要的望远镜，物镜直径5厘米、镜筒长也是3.6米，放大率为50倍。他用这架望远镜连续观测土星好几个月，发现了土星最大的一颗卫星，命名为泰坦。正因为这颗卫星是惠更斯最先发现的，所以1997年发射的“卡西尼”号土星探测器所携带的降落在泰坦卫星上的着陆器被命名为“惠更斯”。

    惠更斯一生中制造了很多望远镜，透镜越做越大，镜筒越做越长。他的最后一架望远镜长达37米。这么长的镜筒怎么做呢？惠更斯想了一个绝妙的方法：把长镜筒省去，将物镜和目镜分别安置在两小段很短的镜筒中。然后竖起一个20米高的桅杆，用绳索把物镜和目镜分别吊在诡杆上，用绳索的长短来调节望远镜所对准的目标。1659年，他用自己的望远镜发现土星周围有光环，是一圈又薄又平的光环。这是自伽利略发现土星两侧有手柄似的东西之后，一直令天文学家们牵肠挂肚的难解之谜。

    惠更斯的成功让赫维留斯也不甘落后。1673年，他制造了一架超过惠更斯的庞然大物，镜筒竟然长达46米。他用了同样长的木头来固定物镜和目镜。又竖起一根近30米高的木头诡杆，把透镜吊在上面，也用绳子来控制它的起落升降。由于木头桅杆、固定透镜的木头，还有控制透镜位置的绳子等，稍有微风，它们都会摇摆不定，所以如果用它来做天文观测那该有多么艰难也就可想而知了。

    尽管这种超长的望远镜并非天文学家得心应手的观测工具，但在当时人们还没有其他办法造出令人更满意的望远镜的情况下’各国天文学家不得不都在长镜筒上狠下工夫，以至于长镜筒作为天文观测研究的主要工具长达数十年之久。并且，人们确实也用这些长镜筒作出了许多重大发现。

    法国籍意大利天文学家(^.!).卡西尼〔1625~1712〉在巴黎天文台用镜筒长达41.5米的望远镜取得了一批令人瞩目的新发现。他发现了木星表面的大红斑，发现了除泰坦（土卫六）以外土星的四颗卫星（土卫三、土卫四、土卫五和土卫八），他还发现土星光环不是一个整体，中间有一道暗的裂缝，这条裂缝后来就被命名为“卡西尼环缝”了。

    长镜筒的望远镜最长能做到多长呢？有一位名叫詹姆斯丨布雷德莱〔1693~1762〗的英国天文学家使用的一架望远镜长达65米。法国天文学家亚德里安’奥佐〔1622~1691〕曾经设想制造一架长达305米的望远镜，他以为如果有了这样长的望远镜，就能够看清楚月球表面的细节，假如月球上有动物和植物的话，就能用它来观察它们的活动情况了。后来，奥佐的设想并没有实现。其实，即使长305米的望远镜真能造出来，那么各种外界的干扰也会导致它根本达不到奥佐的期望值。事实上，望远镜的放大倍率主要取决于物镜的直径而并非焦距的长短，当时的天文学家还没有认识到这一点。随着时间的推移，傻大笨拙的长镜筒望远镜必然会逐步退出历史舞台。