望远镜

望远镜的发明史现在还很不清楚。那些认为是罗吉尔·培根发明的种种论断，可不予理会。如果说是一位牛津数学家伦纳德·迪格斯发明的，那也许更可信一点。迪格斯死于 1571 年，他似乎制造过某种望远镜。因为他的儿子托马斯留下了一份相当详细的望远镜使用说明书，但是，现在总共才只有这点证据。实际上，望(76)远镜也许可以说是米德尔堡的一个荷兰眼镜制造者汉斯·利佩希于 1608 年发明的，也有人对此提出异议，认为是米德尔堡的另一个眼镜制造者发明的，他就是上面提到过的扎哈里那斯·詹森。据说詹森的儿子曾经声称，他父亲曾在 1604 年仿照一架 1590 年的意大利望远镜，制造了一架望远镜。笛卡尔将这发明归功于詹姆斯·梅齐乌斯。海牙①的官方文件则支持利佩希。这些文件表明，国会在 1608 年 10 月 2 日审议了利佩希为他所发明的一种望远镜申请的专利权。他获得了一笔奖金，并被要求改进他的仪器，使之能够同时用双眼进行观察。于是，他在 12 月 15 日呈交了一个双筒望远镜，并又得到了一笔奖金，但他申请的专卖权未获准，理由是其他人也能制造这种仪器。值得提到的是，国会在 10 月 17 日也审议了梅齐乌斯申请的同样的专利权。这整个争执并没有多大意思。荷兰眼镜制造者把望远镜仅仅看做是一种令人好奇的玩具。望远镜有效地应用于科学，那主要同伽利略有关，结果不久人们就管荷兰望远镜叫伽利略望远镜。

利佩希制造的第一架望远镜同最早的复显微镜非常相象，也由一个作为物镜的双凸透镜和一个作为目镜的双凹透镜组合而成。现在人们有时仍把这种仪器称为荷兰望远镜；今天，观剧用的望远镜和双筒望远镜仍旧按这种方式制造。象复显微镜的发明一样，望远镜的发明似乎也是一个幸运的偶然事件的结果。据说有一天利佩希纯属偶然地把这种透镜组合转到对准附近一座教堂的尖顶上的风标，他惊喜地发现这风标被大大地放大了。

这个惊人发明的消息迅速传开。在德国，据说在 1608 年底望远镜就已经有市售。在意大利，伽利略于 1609 年听到这个发明。在法国，1610 年已经用望远镜来观察木星的卫星。作为最了解这个新发明的科学可能性的人，我们必须推举伽利略。当这个发明的消息传到伽利略的耳朵里时，他的创造能力正达于颠峰。他被激起了一种迫不及待的热望，立刻就动手制造望远镜，要用它来作天文观察。在他于 1610 年出版的《恒星的使者》

（sidereusNuntius）（E.S.卡洛斯于 1880 年将它译成英文：The Sidereal Messenger）里，伽利略这样写道：

“大约 10 个月以前，我听到消息说，一个荷兰人发明了一种(77)仪器，用它可以观察远处的物体，就象近在眼前一样清楚。这使我思考起来，我怎样也能制造一架这种仪器。光学定律指导我想出一个主意，把两个透镜固定在一个管筒的两端，一个是平凸透镜，另一个是平凹透镜。当我把眼睛凑近后一个透镜时，我看到的物体的距离，只有它实际距离的三分之一左右，而大小是实际的 9 倍。

我含辛茹苦，节衣缩食，结果取得了很大的成功。我制成了一架卓绝的仪器，使我能够这样观察物体：同肉眼所见相比，它们几乎大了一千倍，而距离只有 30 分之一。”

伽利略的望远镜本质上就是荷兰的望远镜，不过远比荷兰眼镜制造者们

的制品为好。有鉴于伽利略具备精深的光学知识，这是可以料到的。

刻卜勒在他 1611 年出版的《屈光学》（Dioptrics）中，解释了荷兰或伽利略望远镜以及显微镜所涉及的光学原理。他解释说，眼睛通过凹透镜 LM

（见图 36）所看到的模糊物像，当把凸透镜 NO 放在离这凹透镜某个距离处时，就变得又大又清楚。他进一步解释说，用凸透镜 NO 会聚而落在凹透镜LM 上的光线，在到达它们的交点之前，先被折射，以致或者它们的交点再向

前远移（到 A），或者它们变成平行光线（D，E）或发散光线（Z，K）。(78)

图 36—荷兰望远镜图 37—“天文”望远镜图 38—刻卜勒望远镜图 39—沙伊纳的太阳镜

图 40—海维留斯的长望远镜

荷兰望远镜不久就为刻卜勒在他的《屈光学》里提出的“天文望远镜” 所取代。象后来的显微镜一样，后来的望远镜也由两个会聚透镜（见图 37）组成。物镜 AB 离物体 CE 的距离这样放置，使得物体的倒像不清楚；再在眼睛和这模糊的像之间放置第二个凸透镜 OP，这时来自 D 和 F 的光线就变成会聚光线而清楚起来。目镜如此产生的像显得比透镜 OP 从透镜 AB 得到的像大。

天文望远镜比较它所取代的荷兰望远镜有两个优点。一是它的视野较宽，二是使得能够把一个遥远物体的像同放在这两个透镜的共同焦点处的一个小物体相比较，而这种比较曾导致盖斯科因发明测微计（约 1638 年）。今人惊讶的是，刻卜勒没有制造他所介绍的、以他命名的望远镜。第一架这种望远镜是沙伊纳制造的，我们在关于伽利略的那一章里已经提到过他。沙伊纳还遵照刻卜勒的另一个建议，制造了一种有第三个凸(79)透镜的望远镜，把倒像变成了正像。

图 41—惠更斯的高空望远镜

刻卜勒还提出过下述几条改良望远镜的建议。用两个凸透镜（一个紧靠在另一个的后面）代替单一的目镜，使得能够利用较短的镜筒。采用可活动的镜筒，使望远镜能够配合观察者的眼睛。最后，他还表明怎样把一个凹透镜和一个凸透镜相组合，便能获得比本来单用一个凸透镜时为大的实像。这示于图 38，在图中示出一个物体从点 C、A、E 发出的三束光线的路径。凹透镜 LN 放在凸透镜 GH 投下一个模糊像的地方。这凹透镜恰在三支光线笔即将变成一个点之前截住它们，使它们在 S、P、T 处变成一个点，在这里形成的实像比本来单用凸透镜时将在 F、B、D 处形成的像更清楚、更大。刻卜勒的这一建议在近代导致发明远距照相透镜组合。

现在还不明确第一架“天文”即刻卜勒望远镜是什么时候制成的，沙伊纳也许是在 1613 和 1617 年间的某个时候制成这种望远镜的。沙伊纳肯定也属于最早用望远镜进行天文观察的人，他于 1611 年 4、5 月间观察了太阳黑子，与法布里修斯和伽利略的观察差不多是同时。他在多年的天文工作中进行了数千次的观察。他根据经验发明了一种在望远镜观察期间保护眼睛的方法，即给望远镜配上特殊的遮光玻璃。他把已磨光的有色玻璃片固定在透镜前面，甚至还试图用有色玻璃制造透镜以减低光的强度，但没有成功。伽利略的失明可能就是由于没有沙伊纳的这种装置保护而观察太阳所造成的。

沙伊纳还发明过一种方法，使得几个人可以同时观看望远镜所展示的情景。把一架他所称的太阳镜（实际是一种荷兰或伽利略望远镜）放在一间暗室里，把它对准太阳。这样，他便在放在望远镜后面的一个白平面上得到带黑子的日轮的像，而在暗室里的人就全都能看到这像（见图 39）。

沙伊纳在他于 1630 年出版的一本名为《奥尔西尼的玫瑰花》（Rosa Ursina）的书中论述了他的天文学工作。（“玫瑰花”是太阳的象征；“奥尔西尼”是为了向他的资助人奥尔西尼公爵表示敬意。）

(80)当时所应用的这些透镜不久就令人感到不满。但它们的真正缺陷在被牛顿发现之前，人们一直不知道。在这期间，刻卜勒、笛卡尔和其他人都把透镜的像差归因于它们的球形表面，因而试图利用双曲面的透镜来克服这个问题。但是，这种透镜很难制造。克服这个困难的另一种办法是使用非常长的望远镜。但泽的海维留斯（也叫海维尔）制造了一架长 150 英尺的望远镜，还设计了一个塔来支承它。为了避免这种长望远镜带来的制造和安装上的困难，根据奥祖的建议，惠更斯创制了“高空望远镜”。通过按附图（图41）所示方式安置物镜和目镜，这种望远镜省去了通常的镜筒。

图 42—牛顿的反射望远镜（示意图）

牛顿很早就发现白光的合成性质，这导致他得出结论：当时所用的折射望远镜的主要缺陷不是由于物镜的球面像差，而是由于物镜的色像差所致，因为色像差使得所形成的像带有彩色边沿。而且，他认为折射望远镜的这种缺陷是无法弥补的。因此，他考虑制造别种类型望远镜的可能性。接着在 1663 年，詹姆斯·格雷戈里提议制造反射望远镜，作为补救球面像差的办法。牛顿按自己的方式接受了这个建议，于 1668 年制成了第一架反射望远镜。在这种仪器里，从一个遥远物体发出的光线经一个凹镜折射后被聚集，而这会聚光束在快要达到其焦点之前被一个小的平面镜截(81)住，使之射向放在镜筒旁边的口镜（见图 42）。

牛顿自己动手研磨反射镜，并制成了一架长只有约 6 英寸、口径 1 英寸的小型望远镜，然而，他用这望远镜观察到了木星的卫星和金星的周相。他后来又制造了一架比较大的这种望远镜。他把这架望远镜献给了皇家学会，至今还保存在皇家学会的图书馆里（图 43）。

图 43—牛顿的小型反射望远镜(82)

牛顿关于折射望远镜的色像差不可救药的看法，后来证明过分悲观。1733 年，切斯特·莫尔·霍尔制造成功了消色差透镜，产生的像没有颜色。导致他作出这一发现的似乎是他考虑到和人眼的（不正确的）类比。这种类比戴维·格雷戈里也曾考虑过（1695 年），后来欧勒又重新提出过（1747 年）。他错误地认为，眼睛中有各种液体，它们对光线的折射各不相同，因此在视网膜上产生无色的像。于是，他（幸运地）得出结论：由不同折射的媒质所组成的透镜能够产生无色的像。约翰·多朗德在 1758 年独立地作出了同样的发现，他对消色差折射望远镜的制造做出过宝贵的贡献。他的消色差透镜由一个冕牌玻璃制的凸透镜和一个隧石玻璃制的凹透镜组合而成，后者矫正冕牌玻璃所造成的色散。

图 44—伽利略的验温器

1630 年过后不久，天文学家开始用望远镜测量角度。最初应用的是荷兰

（或者说伽利略）式的望远镜，下一章里将要比较完整他说明，后来把刻卜勒的（即“天文的”）望远镜同一架象盖斯科因所发明的那种显微镜结合使用，取得了更好的结果。不过，这已是 1660 年前后的事了。事实上，有些天

文学家宁肯不用望远镜进行角度测量。这可以海维留斯和胡克两人在 1668—

79 年间进行的激烈论争为证。胡克极力主张。望远镜比屈光装置（敞开观测）优越。海维留斯则坚持认为，他的敞开观测能够达到跟胡克的望远镜观测一样精确。1679 年，哈雷特地来到但泽度过几个星期，对他自己用胡克望远镜作的观察同海维留斯的敞开观测进行精确度比较。哈雷宣称，海维留斯证明是有理由的。然而，胡克为他的望远镜观测所作的辩护无疑是正确的。