1672 年 1 月 11 日，牛頓向英國皇家學(xué)會的會員們展示了自己的反射式望遠(yuǎn)鏡。不同于源自伽利略時(shí)代的透鏡成像折射望遠(yuǎn)鏡，牛頓的望遠(yuǎn)鏡使用反射鏡成像。后來，科學(xué)史家便稱牛頓發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡。然而，這種簡略的歷史敘述卻掩蓋了一個(gè)更有趣也更復(fù)雜的故事。牛頓發(fā)明望遠(yuǎn)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(zhì)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(shí)用反射望遠(yuǎn)鏡的最終實(shí)現(xiàn)，卻比牛頓晚了半個(gè)多世紀(jì)。
反射式望遠(yuǎn)鏡用到的光學(xué)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(xué)，希羅是公元一世紀(jì)的埃及數(shù)學(xué)家、工程師和發(fā)明家。他證明了一個(gè)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(xué)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(diǎn)。
中世紀(jì)伊斯蘭光學(xué)學(xué)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(jì)波斯學(xué)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(dāng)時(shí)似乎沒有什么影響，直到 20 世紀(jì)才被人們重視。希羅是文藝復(fù)興時(shí)期意大利藝術(shù)家和工程師最喜歡的作家，所以反射望遠(yuǎn)鏡的原理再次出現(xiàn)在萊昂納多?達(dá)?芬奇未發(fā)表的手稿中也就不足為奇了。但達(dá)?芬奇對望遠(yuǎn)鏡的興趣也只在于寫寫畫畫，他并沒有嘗試實(shí)際建造這樣的望遠(yuǎn)鏡。
真正制造出第一個(gè)望遠(yuǎn)鏡的榮譽(yù)落到了意大利天文學(xué)家尼科洛?祖基（Niccolò Zucchi）頭上，他在撰寫的《光學(xué)哲學(xué)》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(yuǎn)鏡。反射鏡在焦點(diǎn)處形成的圖像需要放大才能看到。祖基在光路上加了一個(gè)傳統(tǒng)折射式望遠(yuǎn)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(rèn)。他發(fā)現(xiàn)了反射式望遠(yuǎn)鏡的一個(gè)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(dǎo)致的光線偏折卻會比透鏡表面相同大小的缺陷強(qiáng)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(yuǎn)鏡能工作，它也只有一面反射鏡，所以不是一個(gè)全反射望遠(yuǎn)鏡。所有真正的反射望遠(yuǎn)鏡都至少有兩塊鏡子: 成像的主鏡和將圖像從望遠(yuǎn)鏡主體投射出去的副鏡。第一個(gè)雙鏡反射遠(yuǎn)望鏡的設(shè)計(jì)出現(xiàn)在 1636 年法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家馬林?梅森（Marin Mersenne）的《和諧宇宙》中。他從未試圖實(shí)現(xiàn)他的設(shè)計(jì)，可能是因?yàn)樗庾R到制造拋物面反射鏡的巨大困難。
這時(shí)，牛頓出現(xiàn)了。大約在 1668 年，牛頓按照自己的設(shè)計(jì)，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(yuǎn)鏡。他耍了一點(diǎn)小聰明，造了一個(gè)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(yīng)該低估牛頓作為一個(gè)工匠的能力。他的望遠(yuǎn)鏡足以觀察木星的四顆大衛(wèi)星。它和當(dāng)時(shí)的許多折射望遠(yuǎn)鏡一樣強(qiáng)大，而且體積更小。
在牛頓公開展示他的望遠(yuǎn)鏡之前幾年，蘇格蘭數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家詹姆斯?格雷戈里 (James Gregory) 在他的《光學(xué)推廣》中發(fā)表了一種與牛頓略有不同的反射望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)。他的設(shè)計(jì)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(yuǎn)鏡真正制造出來；與祖奇不同的是，他的望遠(yuǎn)鏡有一個(gè)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(zhì)量無法滿足成像的要求。
據(jù)報(bào)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(shè)計(jì)成功地制造出了一個(gè)能夠正常使用的反射望遠(yuǎn)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(shè)計(jì)了第一種反射望遠(yuǎn)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(jì)按他的設(shè)計(jì)方案建造望遠(yuǎn)鏡。他使用了拋物面主鏡和雙曲面副鏡，打磨起來特別復(fù)雜。
格雷戈里和卡塞格林的設(shè)計(jì)并沒有立即實(shí)用化，不過，牛頓的設(shè)計(jì)也沒有。盡管反射望遠(yuǎn)鏡與折射望遠(yuǎn)鏡相比有許多優(yōu)點(diǎn)，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(gè)有趣的科學(xué)玩具。
早期的折射望遠(yuǎn)鏡主要有兩個(gè)光學(xué)問題難以解決，即球面像差和色差。首先，一個(gè)簡單透鏡的曲面是一個(gè)球冠 —— 這是 17 世紀(jì)的技術(shù)唯一能做到的構(gòu)型，它不能將光聚焦在一個(gè)點(diǎn)上，所以自然會產(chǎn)生一個(gè)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(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡變得越來越長、越來越笨重。第二個(gè)問題，色差，是促使牛頓研究反射望遠(yuǎn)鏡的原因。不同顏色的光在通過透鏡時(shí)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(yuǎn)鏡中，紅光圖像與藍(lán)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(yuǎn)鏡比簡單的折射望遠(yuǎn)鏡成像更清晰。然而，直到 1721 年，牛頓建造出第一臺望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡 (還不完全是牛頓的球面鏡設(shè)計(jì))。英國皇家學(xué)會的成員將它與克里斯蒂安?惠更斯 120 英尺長的折射望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了對比，并宣布哈德利的望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡。更重要的是，他向當(dāng)時(shí)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(zhì)量望遠(yuǎn)鏡成為可能。
今天，所有主要的天文臺，包括哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，都使用反射望遠(yuǎn)鏡。我們應(yīng)該把發(fā)明它功勞送給誰呢？提出概念的希羅？嘗試實(shí)際建設(shè)的祖奇? 成功制造出現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡前身的牛頓？還是讓反射望遠(yuǎn)鏡變得可行的哈德利？他們都不可或缺，但沒有一個(gè)人的工作是足夠的。
這個(gè)故事給我們的啟示遠(yuǎn)不局限于望遠(yuǎn)鏡這一個(gè)例子。對幾乎所有的工業(yè)設(shè)備來說，聲稱發(fā)明者是某個(gè)特定的人都是不準(zhǔn)確的。提出概念、制作樣機(jī)和大規(guī)模應(yīng)用可能非常不同，這個(gè)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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