▲钮卫星教授
作者钮卫星（上海交通大学教授）
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更多的星光：更多的惊奇
由荷兰眼镜商发明、经由伽利略改进的这种望远镜，后来就被叫做伽利略望远镜。它由一块凸透镜作为物镜、一块凹透镜作为目镜组成。开普勒（JohannesKepler，-）很快在他的《屈光学》一书中提出了一种新的望远镜设计，物镜和目镜都用凸透镜。这种望远镜视场大，成倒像，用于天文观测更为方便。尽管这种望远镜后来被叫做“开普勒望远镜”，但开普勒本人看来并没有亲手制造过这样一架望远镜。
当时的这些折射望远镜都还存在着像差[1]和色差[2]的缺陷，十七世纪的研磨和抛光技术无法消除透镜的这两种差。但是为了抑制球面像差和色差，当时的天文学家还是想尽了各种办法，譬如采用小曲率、长焦距的望远镜等，有的望远镜长达数十米乃至上百米。惠更斯（ChristiaanHuygens，-）干脆设计了一架目镜和物镜之间只有一根绳子连接的望远镜。所有这一切努力都是为了收集到更多的星光，形成更清晰的像，而天文学家们得到的回报则是更多的惊奇。
实际上伽利略用望远镜仔细观测过的天体还有土星。他看到土星不象一个单独的发光体，它的形状犹如三联星，紧靠着大星的两侧附有两颗小星与中心联成一条直线。伽利略连续观测了三年，发现土星的这种形状没有什么变化，于是断言土星有两颗卫星，不过这两颗卫星丝毫不动地固定在土星两端。但是接着观测下去却发现这两颗卫星竟然完全消失了，过一段时间后又出现，而且看到了更多离奇古怪的土星形状。对此伽利略百思不得其解。问题的答案是荷兰物理学家惠更斯给出的。惠更斯亲自磨制了更大的透镜，制成倍数更高的望远镜观测土星后，确认伽利略所描述的土星附属物决不会是两颗卫星[3]。年3月5日惠更斯公布了他对土星形状之谜的解答。答案是一句话，但是他故意把这句话的字母打乱了：aaaaaaacccccdeeeeeghiiiiiiillllmmnnnnnnnnnooooppqrrstttttuuuuu，据说惠更斯这么做的目的是为了鼓励他人继续独立探索土星形状之谜。后来在一位知名人物的请求下，他把这些字母复原成了一句拉丁文：Annulocingitur,tenui,plano,nusquamcobaerente,adeclipticaminclinato，译成中文为：有环围绕，环薄而平，到处不相接触，与黄道斜交。1由于土星光环与黄道斜交，当土星处在黄道上的不同位置时，从地球望去，土星光环的视形状就会发生变化。
▲惠更斯手绘的土星光环视形状变化图
年著名天文学家卡西尼（G.D.Cassini，-）受聘为巴黎天文台台长，他为该天文台定制了一台很好的望远镜。年卡西尼用这台望远镜发现了土星的第二颗卫星，此后数年间又发现了另外三颗土星卫星。年卡西尼观测到惠更斯的土星光环实际上是双重的，内外两重环之间被一条黑暗的缝隙分隔，此缝现在被命名为卡西尼缝。卡西尼猜测土星光环可能由无数小颗粒组成，但当时及以后两百年里的大部分天文学家们都认为土星光环是固态的，卡西尼缝只是固态环上的一个暗黑的标记。直到年英国著名物理学家麦克斯韦（JamesC.Maxwel，-）用力学理论证明，土星光环如果是固体的或液体的，那么它在转动时万有引力将会把它撕裂，它如果是由无数小的固定颗粒构成，在力学上就是稳定的。后来通过更高倍率的望远镜观测和行星际探测器的近距离观测，获得了更多的土星光环的细节，当然也证实了卡西尼的猜测和麦克斯韦的理论预言是正确的。
这里麦克斯韦的引力理论毫无疑问来自牛顿（IsaacNewton，-），而牛顿是在哈雷（E.Halley，-）的激励下撰写《自然哲学的数学原理》一书时，才真正形成“万有”引力的概念的，其中重要的触动因素就是伽利略发现的木星系统和惠更斯、卡西尼发现的土星系统。牛顿先证明了跟距离平方成反比的引力与开普勒行星运动三定律之间的充要关系，然后证明了开普勒第三定律也适用于木星和土星的卫星。这些卫星显然也受到了它们所围绕的行星的平方反比引力的作用。如果土星吸引土卫六，它为什么不吸引太阳呢？天体的确相互吸引。这一认识使牛顿走上了通向万有引力之路。
▲卡西尼绘制的土星光环缝隙示意图
而至于开普勒三定律，固然是牛顿推导万有引力定律的重要基础，而其重要性却已经在它们被提出之后不久由一次天文观测得到了强调。实际上，由于开普勒物理思想中包含的某种从中世纪到近代的过渡色彩，以及行星运动定律推导过程中存在的各种随意和不严密的步骤，所以开普勒三定律刚被发表之时，并没有引起重视，譬如伽利略尽管与开普勒同样是支持哥白尼学说的志同道合者，但伽利略的书中并不提到开普勒的行星运动定律。
年11月7日，距开普勒去世已有一年，这天一早，法国天文学家皮埃尔·伽桑迪（PierreGassendi，-）就把架设好的望远镜对准了太阳，然后把太阳的像投射到一张白纸上。尽管经常有云挡住太阳，但是他还是很清楚地看到一个小黑点出现在太阳圆面上，并随着时间的流逝移动着位置。2全欧洲的天文学家都在等待着这一天的太阳观测，因为这是根据开普勒三定律于年编算完成的《鲁道夫星表》中预言的水星凌日发生的日子。[4]观测证明开普勒星表的预言很成功，误差仅仅只有太阳半径的三分之一，而被该表取代的哥白尼星表对此次水星凌日预言的误差是开普勒星表误差的三十倍。3这样一来，尽管开普勒行星定律的推导过程令人很不放心，但是根据它们编算的星表却是非常精确的，因此这些定律本身必须引起人们的重视。
到此为止，无论是伽利略和伽桑迪，还是惠更斯和卡西尼，他们使用的望远镜都还存在着前面提到的两种缺陷——但已经带来了足够多的惊奇，为了消除这两种或者哪怕一种缺陷，人们做了各种努力。牛顿在发现了白光的合成性质之后，以为折射望远镜的色差无法消除，因此他在年提出了一种反射望远镜设计并亲手制造了一架。[5]年他又造了一架送给皇家学会。
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▲皇家学会秘书给巴黎的惠更斯画的牛顿反射望远镜草图
由于反射望远镜制造如反射镜抛光等方面的困难，又加上年切斯特·霍尔（ChesterMoorHall，-）成功地制造出了消色差透镜，所以折射望远镜仍然具有一定的优势。但是折射望远镜的这种优势终于在威廉·赫歇耳（WilliamHerschel，-）手中被超越了。
赫歇耳于年出生在德国汉诺威的一个军乐师的家庭，由于厌倦这种军旅生涯，他于年偷渡到英国。在以音乐谋生之余，自学了拉丁语、意大利语，探究音乐理论并接触了数学、光学和牛顿的书。赫歇耳很想亲眼看看天体的样子，但买不起好的望远镜，于是自己动手研磨透镜，制造望远镜。年他把妹妹卡罗琳·赫歇尔（CarolineHerschel，-）接到身边。卡罗琳象他哥哥一样迷恋透镜的磨制。兄妹俩合作制造出了当时世界上最好的望远镜，使反射望远镜在性能上首次次超过了折射望远镜。
有了性能卓越的望远镜，赫歇耳心目中的研究目标是恒星系统，但他在年“顺便”发现了一颗新的行星天王星，这在当时引起极大轰动。天文学家曾经以为在牛顿之后天空不会再出现让人惊奇的东西了，因为行星的运行、彗星的回归、潮水的涨落，一切都在“算计”之中了。天王星的发现无疑是一股吹向天文学和物理学的新鲜空气，它告诉人们天空中总有让人惊奇的东西在等着我们去发现。
以后的历史表明，随着望远镜性能越来越强，人们感受到越来越多来自天空的惊奇。随着照相术的发明和与望远镜相结合使用，天文学家能够收集到来自越来越遥远的微弱星光。分光术的发明使得恒星的化学组成不再是象哲学家孔德（AugusteComte，-）所说的“决不能得到的知识”。测光术的使用则揭示了恒星隐藏的更多秘密，尤其通过对造父变星光变周期的测定并以此作为“量天尺”，把人类的宇宙视野扩大到了河外星系的尺度。至于哈勃太空望远镜带来的绚烂天体图片，仅从美学的角度，就足够让人们惊叹宇宙的神奇了。
未完待续......
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本文编辑：佚名
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