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开普勒望远镜的诞生

发布时间:2021年01月26日

提起天文学,人们常感到非常的高深莫测。这是因为天文学在所有的科学门类中似乎是个特殊的存在。在其他学科中如果要做研究,我们可以走近观察研究对象,也可以把标本或样品拿到手做实验,几乎可以随心所欲的探究它们的形态结构,以此来探讨其本质。而天文学的研究对象位于大气层以外的世界,它们离我们极其遥远。我们不能把它们拿过来,甚至不能接触它们,更谈不上拿它们做实验了,因此除现代科技发展出的极个别手段:如陨石研究,用探测器收集星尘月岩,火星土壤化验等外,天文学的最主要的研究手段其实只有一种——观测。

在伽利略以前,天文学家一直都是用肉眼观测天空。那时,每代人看到的星空基本都是一样的。太阳、月亮、5颗行星、全天6000多颗恒星,偶尔出现的彗星和新星等等。除此之外,人们不知道还有什么其他的天体,或者这些已知的天体上还有什么东西。古人出于测量的需要,发明了不少天文仪器,如中国的圭表、浑仪、简仪,西方和阿拉伯世界的六分仪、象限仪、星盘、纪限仪等。但是古代的天文仪器只能测量天体的位置,并无助于看清天体的细节,也发现不了新的,看不见的天体。虽然随着工艺水平的提高,这些仪器的观测精度也会逐步增加。但由于肉眼分辨率的限制,其精度到了一定程度就不可能再提高了,在17世纪初,观测大师第谷制造的仪器已经达到了肉眼观测精度的极限。继续用肉眼观测,不可能再取得明显的进展。然而在第谷去世后仅仅7年,一种新的天文仪器就诞生了,它的出现才真正武装了天文学家的眼睛,使天文学由古代跨入近代。它的不断改进,使每代人都比前一代人用它看到了更多更远的天体,这种仪器就是——望远镜。

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第谷像

望远镜是一位磨镜工人偶然发明的,在1608年,荷兰某家眼镜店的一个学徒工,偶然将两片眼镜片,一个远视镜片,一个近视镜片,以适当距离放在眼前,发现这样看远处物体时物像会变大。于是,他把这奇妙的现象告诉了店主利波塞,利波塞是一位很有见识的人,他没有斥责徒弟瞎添乱,而是接过镜片继续观察,他发现这样看远处物体时,其物象不仅会变大,也看到了许多从远处看不到的细节,这等于把物体的影像拉近了。他首先想到此物在军事上会有用,因为可以在敌人看不清我们时,我们就看清敌人。于是他将两个眼镜片固定在一个筒子的两端,称这个古怪的玩意儿,为“looker”,进献给荷兰当局。这个仪器的奇妙效果一传十十传百,几乎引起轰动,许多王公贵人都争着爬上了望台用它向大海窥望远来的船只。到了1612年,希腊的一位数学家将它起名为“telescope”,意为“远看”。这个名字比较贴切的表明了它的功能,因此沿用至今。

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伽利略像

1609年5月,正在尼斯作学术访问的伽利略得知这个消息后,怦然心动,赶紧结束行程,返回大学,思索了一个晚上,就悟出了其中的光路的奥秘。很快就动手做成了一架望远镜,他用一段空管子,一头嵌上凸透镜,另一头嵌上凹透镜。

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伽利略制作的第一台望远镜

可以把远处物象放大三倍,很快他又做出一架放大20多倍的,用的都是单片儿的凹凸透镜。伽利略的功绩是:在别人谁也没有想到时,他第一个把望远镜指向天空。这是1609年12月下旬的一个晴朗的晚上。这时他渴望知道的是通过望远镜观看——等于是升上天空凑近了去看天体——那么会看到什么细节呢?会看到新的星体吗?很快他的好奇心就得到了极大的满足,他看到了月球的地形,太阳上的黑点,金星的盈亏,木星的卫星,银河由无数恒星组成。这些发现成为轰动一时的新闻。当时称哥伦布发现了新大陆,伽利略发现了新宇宙。从此随着望远镜的逐步改良,人类对天体的知识一天比一天增加。这种最早发明的望远镜类型称“伽利略式望远镜”,它以凸透镜为物镜,以凹透镜作目镜,其图像呈正向。这种镜子虽然制造简单,但缺点很多:它没有实像,视场小,边缘发暗。

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在伽利略视望远镜出现后两年,公元1611年,德国科学家开普勒提出了另一种望远镜设计方案。

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开普勒像

物镜和目镜都用凸透镜,原理是用凸透镜形成实像,再用高倍的放大镜去看这个实像。

开普勒的视力很差,既不擅长观测,也不擅长动手制作,但别人将这种望远镜制成时,发现它远优于伽利略式望远镜,人们就将其称为开普勒式望远镜。它视场大,图像为实像,测量方便,美中不足的是图像呈倒像。

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不过人们对天体毕竟不像对日常生活那样有严格的正到观念,所以观测天体时,虽然看到的是倒像,也无大影响,对寻星跟踪的调试也很快就能适应,因此被天文学观测广泛使用。这样伽利略式望远镜就慢慢退出了天文学观测领域。而开普勒和伽利略式望远镜,都是以透镜作为物镜的,就被统称为折射望远镜。

常听有人问这台望远镜能看多远,这是外行人问的话,答案是:无穷远,只要这个天体的光能到达这里。从根本上说,望远镜主要有两个作用,放大和增亮。在望远镜发明时,发明者首先意识到的是其放大作用看得多远,相当于拉近了距离。伽利略把望远镜用于天文观测,也首先想的是把天体拉近和放大,后来人们才知道像太阳,月亮,行星,星云这样的有视面体,是可以通过望远镜将其放大的,这样能够看到更多的细节。但恒星这样的点光源无论怎么放,即使在现有的技术之下也不会变大。那么为什么通过望远镜看到了那么多恒星?这时科学家才注意到,望远镜还有增亮的作用,它可以将物镜收集的光线全部射入人的瞳孔,所以人就觉得恒星变亮了,于是看到了许多肉眼看不到的恒星。人们又发现,物象通过望远镜被放大之后,也并不像人们真走近去看那样,变得那么清晰。也就是说物象放大后可能会变模糊。这就需要人们采取各种途径使图像变清晰。提高分辨能力。随着光学和相关技术的发展,人们发现望远镜的放大倍数是不能无限增加的,上限约在300~400倍,但其增亮作用和分辨能力则大有潜力可挖。只要将物镜加大,二者就会增加,所以从此望远镜的物镜越做越大。人们最关心的也不再是它能放大多少倍,而是它的极限星等。所以称其为望远镜已不甚准确,因其增亮作用最重要,故称其为“增亮镜”似乎更准确。也正是人们努力追求放大,增亮,分辨率的过程中,望远镜出现不同的类型,并不断发展竞争,不但大大武装了天文学家的眼睛,也促进了光学,材料,工艺等相关领域的发展。

为了让大家也能了解开普勒望远镜的原理,天文馆推出了DIY50组装望远镜套装。组装简单,即使孩子也能轻松完成。塑料筒身结构轻巧,即使孩子也能用手轻松举起观测。孩子们通过亲自动手组装望远镜,了解开普勒望远镜的基本原理。来吧,和家人一起组装一台属于你自己的望远镜,像以前的科学家一样,在晴朗的夜晚用望远镜指向天空,认真的观察我们的星空吧!

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DIY50望远镜套装

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成品展示

 

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(文:刘玉宾)


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