帕洛玛山天文台的48英寸施密特望远镜

　 　另一种望远镜

　　多朗德还指出，牛顿关于透镜的色差永远不可避免的观点肯定是错了。这说明，即使像牛顿那样伟大的人物也有可能出错，能够认识到这一点实在是件大好事。

　　牛顿是个遗腹子，又是早产儿，并且差点夭亡。他年幼时，对周围的一切充满好奇，但并不显得特别聪明。十来岁时，他在学习上似乎还相当迟钝。 1660年，牛顿在舅父的促成下进了剑桥大学，1665年毕业，成绩并不突出。接着，为了躲避伦敦大火引发的瘟疫，牛顿回到了母亲的农场。

　　就在1665年到1666年这段时间，牛顿在数学方面奠定了微积分的基础，在力学方面奠定了如今我们称为“牛顿力学”的基础，在光学方面奠定了光的颜色的理论基础，并且形成了万有引力定律的基本构想……在一年之中，这个24岁的青年人却作出了如此众多、如此重大的惊人发现，实在是人类文明史上的一大奇迹。后来，人们就把1666年称为牛顿的“奇迹年”。

　　1696年，政府委任54岁的牛顿为造币厂总监，1699年又升任总裁。这两个职位薪俸优厚，地位显赫，只有牛顿才当之无愧。但是，这却断送了牛顿的科学工作。他辞去教授职务，专心从事新职；他改善了造币厂的工艺，令伪造者丧胆。他还任命多年的好友哈雷做自己的下属。

　　1727年3月20日，牛顿在伦敦逝世，安葬在威斯敏斯特大教堂。他有两句众所周知的不朽名言，一句是“如果我比别人看得更远些，那是因为我站在巨人们的肩上”，出自他于1676年写给胡克(Robert Hooke)的一封信；另外，据说他还说过：“我不知道世人对我怎样看，但在我自己看来，就像一个在海滨嬉戏的孩子，不时为找到一个比别人更光滑的卵石或更美丽的贝壳而高兴，而我面前浩瀚的真理之海，却完全是个谜。”

　　现在我们再来看看，牛顿本人为了避免色差，是如何另辟蹊径的。他决定用反射代替折射，走反射望远镜之路。那时的反射镜，镜面都是金属的。

　　从古代起，人们就知道曲面反光镜也可以聚光。平行光线从一个凹面镜上反射，也会发生会聚。反射镜以完全相同的方式反射所有各种颜色的光，因此不会产生色差。

　　然而，反射望远镜也有问题：光从镜筒的一端进来，投射到反射镜上，又返回到同一端。俯身在那儿察看物像的观测者本身就会挡住光线的入射。

　　为此，牛顿用了两面镜子：主镜是一块球面镜，副镜是一块平面镜。光从一端进入望远镜筒，射到另一端的球面主镜上，经它反射的光在到达焦点之前，又射到小小的平面副镜上。副镜的方向与主镜交成45°角。射到副镜上的会聚光线转过90°反射出来，并进一步会聚而通过目镜，目镜就装在望远镜镜筒边上光线入射处附近。诚然，副镜会挡掉一小部分入射光，但是损失并不大。

　　1668年，26岁的牛顿亲手制成第一架真正投入使用的反射望远镜。它长约15厘米，主镜直径约2.5厘米，看起来像个小玩具。但是，它产生的物像却可以放大40倍。1672年1月11日，他将第二架反射望远镜送达皇家学会，并一直留存至今，其主镜口径为5厘米。

　　反射望远镜面临的困难之一是，不容易获得高反射率的金属反射镜。例如，牛顿本人的镜子只能反射16%的入射光。这就使反射望远镜产生的物像要比同样大小的折射望远镜产生的物像暗淡。其次，金属反射镜会逐渐失去光泽，从而大大削弱反射能力，因此经常需要抛光。折射望远镜则除了偶尔需要清除积尘外，可以一直工作下去。

　　在折射望远镜方面，初期的消色差透镜直径很难指望超过10厘米。反射望远镜却能做得更大，因为铸造大块的金属要比制造大块优质的玻璃更容易。况且，玻璃透镜必须整个都完好无瑕，而金属反射镜只要镜面形状确当并具有足够高的反射率即可。

　　反射望远镜和消色差折射望远镜各有所长，亦各有所短。它们仿佛在展开一场真正的竞赛：双方都在努力克服自身的缺陷，哪一方取得突破性的进展，这一方就会受到更多天文学家的青睐。到了18世纪末叶，竞争的优势渐渐倒向了大型反射望远镜。

　　这时，由于威廉.赫歇尔的工作，望远镜和天文学进入了一个新时代。

　　 十八、十九世纪的望远镜

　　赫歇尔兄妹

　　1738年11月15日，威廉?赫歇尔生于德国的汉诺威城。父亲是军乐队的双簧管手，6个孩子中，威廉排行第三。他15岁就在军队中当小提琴手和吹奏双簧管，志向是当一名作曲家。但是，他又将大量业余时间用于研究语言和数学，后来还加上了光学，并产生了用望远镜亲眼观看各种天体的强烈愿望。

　　1756年，七年战争来临了。战争的起因是英国与法国争夺殖民地以及普鲁士与奥地利争夺中欧霸权。结局是普鲁士战胜奥地利，成为欧洲大陆的新兴强国；英国战胜法国，获得法属北美殖民地，并确立了在印度的优势。威廉厌恶战争，遂设法于1757年脱离军队，偷渡到英国，先是在利兹，后来又到了胜地巴斯。音乐天赋帮助威廉?赫歇尔在巴斯站住了脚。到1766年，他已经成为当地著名的风琴手兼音乐教师，每周指导的学生多达35名。

　　当时的英国正处于汉诺威王朝前期。先前，1714年8月，英国斯图亚特王朝的安妮女王驾崩，因无后嗣，而由54岁的乔治一世继位。乔治原是汉诺威选帝侯，他不会讲英语，只好用法语与臣下交谈。1727年，乔治一世回到汉诺威，因中风于6月11日亡故，刚好死在他出生的那间房间里。

　　乔治一世之子继任英王，是为乔治二世，1727年~1760年在位。他热爱军事，是最后一位出现在战场上的英国国王。他还热爱音乐，是德国音乐家亨德尔的赞助人。1760年，乔治二世心脏病发作去世，其孙子继位为乔治三世。后者生于1738年，与威廉?赫歇尔同庚，在位长达60年之久。

　　威廉?赫歇尔的妹妹卡罗琳比他小12岁，1750年3月16日生于汉诺威，排行第五。1772年，威廉回汉诺威呆了一段时间，然后卡罗琳便随他到了巴斯。她天生一付好歌喉，到巴斯后就接受歌唱训练，每天至少上课两次，同时向威廉学习英语和数学。她不仅悉心料理家务，而且用极详细的日记，留下了威廉整整50年的工作史。当威廉整天不停地磨镜，因而无暇腾出手来吃饭时，卡罗琳就亲自一点一点地喂他吃东西。

　　威廉.歇尔于1773年用买来的透镜造出了自己的第一架折射望远镜，焦距1.2米、可放大40倍。接着，他又造了一架9米多长的折射望远镜，并且租了一架反射望远镜来进行对比，结果对后者极为满意。从此，他就潜心于制造反射望远镜了。

　　到1776年，威廉已经制造出焦距3米和6米的反射望远镜。有了精良的武器，他便从1779年开始“巡天”观测。他特别关注近距双星，即天空中看起来靠得特别近的两颗星。两年后他编出第一份双星表，共列有269对双星，1781年由英国皇家学会出版。

　　1781年3月13日，威廉在人类历史上破天荒地发现了一颗比土星更遥远的新行星——天王星。乔治三世为自己的汉诺威同乡取得如此辉煌的成就满心欢喜，便宽恕了赫歇尔早年擅离军队的过错，并任命其为御用天文学家，从此威廉就不再靠音乐谋生而专致于天文研究了。

　　1782年下半年，威廉应国王邀请，移居位于伦敦西面、温莎东侧的白金汉郡达切特。4年后，他编制出第二份双星表，其中包含434对新的双星。他努力研究恒星的空间分布，成了研究银河系结构的先驱。他于1784年向皇家学会宣读了论文《从一些观测来研究天体的结构》，首次提出银河系形状似盘，银河就是盘平面的标志。在广阔无垠的恒星世界中，太阳系只是微不足道的沧海一粟。早先，哥白尼将地球逐出了“宇宙的中心”；如今，赫歇尔又将太阳逐出了这一特殊地位。

　　1786年，他发表了《一千个新星云和星团表》，除了梅西叶和其他人已列出的以外，还收录了他本人的全部新发现。在所有这些繁重的工作中，威廉都得到了卡罗琳的全力帮助。移居达切特后，卡罗琳便完全从事天文工作了。威廉亲自教她观测，并给她一具小望远镜去搜索彗星。

　　1786年4月，威廉移居温莎以北不远的白金汉郡斯劳。在这里，他造出一架口径达1.22米、焦距达12.2米的大型反射望远镜。它是18世纪天文望远镜的顶峰，一时间成了备受推崇的珍奇，乔治三世和外国的天文学家时常会来瞻仰。威廉将国王给他的津贴，全部用于维护望远镜以及支付工人的工资。他的经济状况依然拮据，有一段时间不得不继续制作和出售望远镜。直到1788年，他50岁时娶了一位有钱的寡妇，情况方始彻底改观。

　 　卓越的成就

　　对一架望远镜而言，凡是由于光线不能严格地会聚于一个焦点而造成的各种缺陷，包括色差在内，都统称为“像差”。无论是折射镜还是反射镜，它们的表面最容易磨制成球面；而即使是同一种颜色的光线，经球面折射或反射后，也不可能全都聚集到一个严格的焦点上。这种像差称为“球差”。此外，还有彗差、像散等等。

　　早期使用折射望远镜的人意识到，为了尽量减小像差，就应该采用表面弯曲程度非常小的透镜。它们使光线产生的弯折非常小。但是，要使这些稍微弯曲的光线会聚到焦点，就必须经过很长很长的距离。

　　例如，在赫歇尔之前一个多世纪，第一代卡西尼在巴黎天文台建造了一些长镜身的折射望远镜，最后一架的长度超过了40米！世界戏剧史上的重量级人物、年长卡西尼3岁的法国喜剧作家莫里哀把这些仪器称为“大得骇人的望远镜”。在荷兰，惠更斯也制造了一系列镜身越来越长的望远镜，最后一架长达37米。他的成就鼓舞了但泽的赫韦留斯，后者于1673年造出一架长达46米的折射望远镜。

　　如此之长的金属镜筒必将重得根本无法操纵，所以赫韦留斯改用木头来固定透镜的位置。惠更斯则干脆省去了镜筒，他把物镜装入一根短金属管，然后接到一根高高的杆子上，并可以从地面上操纵。目镜装在另一根小管子里，置于一个木支架上。目镜和物镜之间有一段绳，拉紧时可使两者对准。这种长镜身望远镜使用起来很不方便，但是在更好的替代品问世之前，天文学家们还得依靠它们继续奋战。

　　幸好，在折射望远镜中，借助于不同玻璃制成的两块透镜的巧妙配合，既可以消除色差，还能同时消除球差。在反射望远镜中，恰当地改变副镜镜面的形状，同样也可以消除球差。因此，自从消色差透镜的秘密公开后，长镜身的折射望远镜便寿终正寝了。

　　赫歇尔利用他那些反射望远镜对太阳系进行广泛的研究。1787年，他发现了天王星的2颗卫星，后来分别称为天卫三和天卫四。1789年，他将那架1.22米望远镜瞄准土星，当晚就发现了土星的2颗新卫星——土卫一和土卫二。同年，他发表了《又一千个新星云和星团表》。

　　移居斯劳后，卡罗琳?赫歇尔先后发现了8颗新彗星。其中1795年那颗就是著名的恩克彗星，德国天文学家恩克于1819年计算出它的轨道，证明其运行周期仅为3.4年。它是人们发现的第一颗短周期彗星，也是继哈雷彗星之后第二颗被预言回归的彗星。

　　1801年，威廉?赫歇尔在拿破仑战争的一个短暂间歇期访问了巴黎，会见了拿破仑本人。他发觉拿破仑有时会不懂装懂，故对其印象不佳。1802 年，威廉发表了他的又一份星云星团表。1819年，81岁的他进行了最后一次天文观测。1821年，他被选为英国天文学会(后来变成皇家天文学会)的第一任主席。1822年8月25日，84岁的威廉在斯劳与世长辞。他是历史上最伟大而全能的天文学家之一。

　　威廉死后，卡罗琳在1822年回到阔别半个世纪的故乡汉诺威，以72岁高龄继续编纂一份包括她哥哥观测过的全部星云和星团的表。1825年完工后，她将手稿寄给侄儿约翰，这对后者乃是一份无价之宝。1835年，85岁的卡罗琳被选为英国皇家天文学会名誉会员。这是一种破格的荣誉，因为当时依然限定会员只能由男子当选。1846年，96岁的卡罗琳接受了普鲁士国王授予她的金质奖章。1848年1月，终身未嫁的卡罗琳在汉诺威逝世，享年98岁。

　　威廉的独生子约翰?赫歇尔1792年3月7日生于斯劳，1807年入剑桥大学圣约翰学院，学业极佳，1813年毕业。他早期的数学工作已颇有水平，21岁便当选为皇家学会会员。可即使如此，他却转而去学习法律了。1816年，24岁的约翰回到斯劳，接替78岁高龄的父亲承担大量的观测工作，在父亲指导下制造望远镜，同时还继续研究纯数学。约翰是英国天文学会理事会创始人之一，而且是它的第一任国外书记。

　　为了将父亲的巡天和恒星计数工作扩展到南天，约翰于1834年初携妻子和3个孩子前往非洲好望角，在那里工作了4年。他历时9年编纂的《好望角天文观测结果》是一部杰作，于1847年发表。1848年，约翰?赫歇尔当选皇家天文学会主席。他于1849年写成的《天文学纲要》在几十年内一直是普通天文学的标准教本。此书由李善兰和伟烈亚力(Alexander Wylie)合译成中文，书名易为《谈天》，1859年由上海墨海书馆出版。书中关于哥白尼学说、开普勒行星运动定律和牛顿万有引力定律的介绍，令当时的中国人耳目一新。1871年5月11日，79岁的约翰在肯特郡逝世，安葬在威斯敏斯特大教堂中离牛顿墓很近的地方。

　　赫歇尔一家在英国天文学史上的权威地位几乎长达一个世纪。英国皇家天文学会的饰章图案就是威廉那架巨炮似的大望远镜。1839年，这架劳苦功高的仪器终于变得摇摇晃晃、危在旦夕了。于是，人们把它拆卸、放倒，约翰率领家人进入镜筒唱起了安魂曲。在一次暴风雨中，一棵大树倒在上面，损伤了镜筒。那面巨大的金属反射镜，最终也被砸坏了。

　　赫歇尔的辉煌时代虽已成为过去，更大更好的望远镜却还将不断涌现。