1608年，一個荷蘭眼鏡商發(fā)明了第一架小望遠鏡。次年，伽利略用自制的望遠鏡第一次觀測星球，從此人類踏上了探索宇宙的新征程。400年來,凝聚了人類雄心勃勃的追求與智慧，望遠鏡從小口徑到大口徑，從光學望遠鏡到全電磁波段望遠鏡，從地面望遠鏡到空間望遠鏡……不僅使天文學發(fā)生了革命，而且深刻地影響了其他科學的發(fā)展，乃至整個人類社會的進步。
　　
　　“天外有天”
　　
　　在伽利略之前，沉迷于夜空世界的天文學者只能用他們的肉眼來觀察天空。伽利略自制的望遠鏡所放大的倍率在今天看來小得可憐，但在人類科學史上卻引發(fā)了一場革命。
　　人類對天空的關(guān)注同文明的歷史一樣久遠。為了知道日期，季節(jié)，何時播種，何時過冬，人們總是仰望蒼穹，從閃閃的星空尋找答案。為了便利地觀測天象，古代天文學家修建了觀象臺，借助各種記錄天體方位的儀器，記下了他們所看到的日月星辰的位置、運動以及日食、彗星，新星等特殊天象。
　　觀測天象不僅有實用的目的，更重要的是星空從來都是人類好奇心和想象力的源泉。
　　1608年，荷蘭人里帕席發(fā)明了一種奇妙的“光管”能夠把遠處物體放大，并為此申請了專利。
　　1609年，意大利物理學家伽利略聽說此事后，經(jīng)過研究獨立制成一架口徑4.4厘米，長1.2米，放大率32倍的望遠鏡。當他把望遠鏡指向天空時，很快就發(fā)現(xiàn)銀河原來由數(shù)不清的星星組成，月亮并不是亞里士多德所說的那樣完美。
　　望遠鏡的威力來源于它收集光線的面積遠遠超過人眼的瞳孔，望遠鏡口徑越大，看得就越遠，也越清楚。這就是后來望遠鏡越做越大的原因。
　　英國科學家牛頓使天文學發(fā)生了一場革命，他發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律和光的色散，發(fā)明了鏡筒短、無色差、后來成為主流的反射式望遠鏡。100年以后，威廉?赫歇爾用自制的望遠鏡發(fā)現(xiàn)了天王星，他還建成了當時世界上最大的反射望遠鏡，首次通過觀測證實了銀河系的恒星呈扁平狀分布。
　　后來在愛爾蘭，羅斯伯爵三世又建了一個更大的望遠鏡，1845年它被建在比爾城堡的兩面石墻之間，正是這架望遠鏡發(fā)現(xiàn)了第一個不是模糊一團，而是有結(jié)構(gòu)的星云。
　　19世紀中葉以后，隨著科學技術(shù)的發(fā)展和工藝制造水平的提高，使人們建造大型精密的望遠鏡成為了可能。天文觀測水平相應(yīng)大幅提高，天文學家發(fā)現(xiàn)水星近日點運動中存在牛頓力學無法解釋的部分。電磁現(xiàn)象的研究也使經(jīng)典物理學的絕對時空觀遇到了前所未有的困難。時代造就了天才的愛因斯坦，他提出的狹義相對論和廣義相對論，對20世紀人類科學的飛速發(fā)展產(chǎn)生了深遠影響。
　　19世紀末20世紀初，天文學還得到了兩個革命性的工具，一個是光譜學，通過分析天體的光譜人們就可以知道它的物理性質(zhì)、化學組成和運動速度。另一個是照相術(shù)，它比目測更具積累性和客觀性。1920年代，埃德溫?哈勃正是借助這兩種工具，從威爾遜山的2.5米望遠鏡中發(fā)現(xiàn)，仙女座星云其實是由大量恒星組成的，而且距離遠遠超過銀河系的尺度。人們終于知道銀河系外“天外有天”的事實了。
　　
　　三次飛躍
　　
　　哈勃為現(xiàn)代宇宙學奠定了觀測基礎(chǔ)；射電望遠鏡的發(fā)明，為如同被關(guān)在黑屋子里窺探外界的人類打開了一扇大窗；而空間望遠鏡的發(fā)射，更激發(fā)了無數(shù)人對探索宇宙的渴望。
　　1929年，哈勃在威爾遜山天文臺觀察了18個星系的光譜，發(fā)現(xiàn)都明顯向紅端移動，說明這些星系都在以極大速度離我們而去，而且星系離我們越遠，退行速度越快，這意味著宇宙正在膨脹。哈勃的這一重要發(fā)現(xiàn)，為現(xiàn)代宇宙學奠定了觀測基礎(chǔ)。
　　哈勃的成就激勵了全世界建造更大望遠鏡的決心，可是一個偶然的發(fā)現(xiàn)，改變了人們建造望遠鏡的思路。
　　1932年，美國貝爾電話公司的卡爾?央斯基為了要找出無線電長途電話的干擾來源，無意中發(fā)現(xiàn)了來自銀河系中心的無線電波，天文學家對宇宙無線電波產(chǎn)生了興趣。
　　第二次世界大戰(zhàn)是人類的劫難，但是戰(zhàn)爭也促進了軍事技術(shù)的革新，從而帶動了科學的進步。1942年2月，他們發(fā)現(xiàn)雷達信號會受到來自太陽黑子和耀斑的干擾。這樣，戰(zhàn)后雷達變身為射電望遠鏡，給天文望遠鏡的發(fā)展帶來了第二次飛躍。
　　在過去幾百年中，天文觀測仍脫離不了“可見光”的范圍。事實上除了可見光之外，宇宙仍存在著各種射線如γ射線、X射線、紫外線、紅外線和無線電波如長波、短波及超短波等等。僅無線電可以觀測的有效波長區(qū)就是可見光的109倍。人們形容用可見光的波長來觀測宇宙，就如同被關(guān)在黑屋子里的人從門縫看房子外面的一切。射電望遠鏡的發(fā)明，猶如給這間黑屋開了一扇大窗子。
　　不過由于地球大氣的影響，大部分短波長的紫外線及X射線無法到達地面。為了要觀測它們，唯一的辦法是到大氣層外去。航天技術(shù)給望遠鏡帶來了第三次也是最徹底的一次飛躍。
　　1970年12月美國天文學家賈可尼領(lǐng)導發(fā)射了一個名為“自由號”的X射線衛(wèi)星，隨著它和后來的“愛因斯坦天文臺”發(fā)射升空，數(shù)千個新的X射線源被發(fā)現(xiàn)，而這些發(fā)射X射線的天體中，便包含著宇宙中最神秘的“黑洞”現(xiàn)象。
　　下一個具里程碑意義的空間望遠鏡發(fā)射于1990年4月25日，由美國宇航局主持建造的巨型空間天文臺――口徑2.4米、工作波長從紫外到近紅外的哈勃空間望遠鏡，由航天飛機運載升空。它耗資30億美元，是目前所有天文觀測項目中規(guī)模最大、投資最多、最受公眾注目的一項。
　　哈勃空間望遠鏡不僅取得了豐碩的科學研究成果，還以它拍攝的令人稱奇的宇宙照片激發(fā)了無數(shù)人對探索宇宙的渴望。
　　地面望遠鏡的發(fā)展也在一日千里地進步，為了隨時校正鏡面的重力和溫度變形，鏡面背后安裝了一排排計算機指揮的傳感器。而位于智利的由4臺8米望遠鏡組成的VLT望遠鏡，甚至在激光星的幫助下，使鏡面產(chǎn)生相應(yīng)形變來補償大氣擾動的影響。這些稱為“主動光學”和“自適應(yīng)光學”的新技術(shù)使望遠鏡的分辨率達到和空間望遠鏡媲美的水平，使人類的視野能夠達到遙遠的宇宙邊緣。
　　
　　未來“巨無霸”
　　
　　現(xiàn)在仍在空間軌道上運轉(zhuǎn)的望遠鏡，如哈勃、斯必澤、錢德拉等，仍然會不斷取得令人驚嘆的數(shù)據(jù)。而未來的太空望遠鏡，在得到“自適應(yīng)光學技術(shù)（AO）”支撐的時候，將迎來巨無霸時代。
　　400年來，望遠鏡的巨大進步不斷擴展著我們的視野，引導了人類宇宙概念的革命，推動了科學技術(shù)和社會的發(fā)展。
　　21世紀，人類又有了更新更宏偉的望遠鏡建造計劃：
　　大麥哲倫望遠鏡（GMT）
　　由美國的華盛頓卡內(nèi)基研究所等8個單位與澳大利亞國立大學合作的望遠鏡計劃，由7面8.4米口徑反射鏡片構(gòu)成，每一個鏡片的大小都與已在使用的大雙筒望遠鏡（LBT）的相同。
　　當24.5米口徑的GMT把所有的光都集中起來時，其光力相當于其前輩、智利拉斯康帕納斯天文臺6.5米口徑Walter Baade望遠鏡和Landon Clay望遠鏡所能達到聚光力的11倍。使用了自適應(yīng)光學技術(shù)后，其探測暗弱天體的速度要快出130倍。
　　30米望遠鏡（TMT）
　　下一個十年的中期，擁有492個巨大組件的30米望遠鏡（TMT）睜開它的巨眼的時候，它能收集到比10米凱克望遠鏡強9倍的星光，拍攝的天體星等更要暗上2.5等（也就是10倍），分辨率則要高出3倍。
　　TMT的主要目標是在近紅外波段用前所未有的精度穿透宇宙深處。巨大的薄鏡面陣列將巧妙排列以便可以使用自適應(yīng)光學技術(shù)。TMT的分辨率將達到哈勃望遠鏡的10倍。
　　歐洲超大望遠鏡（E－ELT）
　　它巨大的鏡面跨度42米，由906塊六邊形的小鏡片組成。它是100多位歐洲南方天文臺（ESO）天文學家集體智慧的結(jié)晶，估計“開光”要到2017年。
　　歐空局100米望遠鏡計劃
　　歐洲空間局計劃投資10億歐元建設(shè)口徑100米，聚光面積大于6000平方米的世界上最大的光學/紅外望遠鏡。
　　中國研制中的大型望遠鏡
　　目前世界上最大的單口徑射電望遠鏡是美國建造的口徑305米阿雷西博望遠鏡，而中國準備利用貴州天坑建設(shè)口徑500米，比阿雷西博更大、技術(shù)更先進的FAST望遠鏡。建成后，它將成為世界上規(guī)模最大、靈敏度最高的單口徑射電望遠鏡，預(yù)計2014年投入使用。
　　（摘自10月20日《文匯報》本文資料由中科院國家天文臺資料提供）
　　
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　　建造巨型光學天文望遠鏡的最大挑戰(zhàn)
　　建造巨型光學天文望遠鏡最大的挑戰(zhàn)是磨制巨大的高精度光學鏡片，望遠鏡的鏡片越大，功能就越強，為了看得更遠更清晰，巨型望遠鏡的制造者們將磨制巨鏡的工程學發(fā)展到了極限，他們追求巨鏡又要維持精確的形狀，讓光線正確地聚焦，而做到這一點極為困難，因為大鏡片和精確的形狀原是相互矛盾的，在夜間觀測溫度逐漸下降的情況下，鏡片的玻璃會收縮，且薄的部分收縮得快，導致鏡面變形，鏡片的直徑愈大，形狀就愈難以保持精確，影像愈容易扭曲，為此天文學家常常采用各種新型材料：耐熱玻璃、玻璃陶瓷和石英等，用它們制作的鏡片一般不易變形。
　　一旦鏡片的直徑變得過大，維持鏡片的剛度也會變得越來越困難，人們不得不將鏡片厚度依比例放大，鏡片重量也因此成倍增加，承載系統(tǒng)變得巨大無比且費用高昂，要解決這個難題，科學家們必須選擇較薄的鏡片。日本科學家在制造昴星團望遠鏡時在鏡片背面安裝了活動支撐系統(tǒng)，利用升降裝置使鏡片保持正確的形狀，鏡片由390個活動支架支撐，電腦每秒發(fā)出10次指令檢查鏡片的形狀，一旦發(fā)現(xiàn)鏡片變形，就利用活動支架的升降保持鏡片的正確形狀。
　　另一種方法是將整個鏡片改由許多小鏡片組合而成，這種方法也需要一套系統(tǒng)控制鏡片的方向，使鏡片維持連續(xù)完整的形狀。例如凱克望遠鏡的整個鏡片由36片六角形的鏡片組合而成，每片鏡片因所在位置不同而形狀各異，所以研磨和安裝至關(guān)重要，否則難以使整個透鏡成為一種能清晰聚焦的拋物線形狀。凱克望遠鏡口徑10米，計算機一刻不停地監(jiān)控所有的鏡片，每秒鐘對鏡片的狀態(tài)調(diào)整兩次以保證鏡片的形狀精確無誤。（張唯誠）

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