○ 艾薩克·牛頓的反射望遠鏡。| 圖片來源：Matt Brown/Flickr
1672年1月11日，英國皇家學會會員觀看了艾薩克·牛頓（Isaac Newton）的反射望遠鏡的演示，這個望遠鏡使用的是鏡面成像，而不是自伽利略時代以來就一直使用的透鏡成像。後來，英國皇家學會的會員認為牛頓是這一神奇的新儀器的發明者，直到現在牛頓的名字還和這種望遠鏡聯繫在一起。
然而，這種線性的歷史敘述掩蓋了一段更有趣、更復雜的故事。牛頓的說法立即遭到了另外兩位競爭者詹姆斯·格雷戈裡（James Gregory）和洛朗·卡塞格林（Laurent Cassegrain）的質疑。更令人困惑的是，最早使用曲面鏡聚焦光線的概念比牛頓早了1500多年，而人們最終制造出實用的反射望遠鏡的時間，又比牛頓晚了半個多世紀。
反射望遠鏡的光學原理可以追溯到亞歷山大港的希羅（Hero of Alexandria）的反射光學，希羅是公元一世紀的一位數學家、工程師和發明家。他演示了一個彎曲的拋物面鏡能夠聚焦平行入射光線，從而產生圖像。沒有證據表明希羅真的建造了反射鏡。不過今天，我們經常看到希羅的概念出現在建築物的屋頂上，也就是衛星電視天線，它將無線電傳輸集中到一個緊密的信號焦點上。
在中世紀伊斯蘭光學儀器製造者的作品中，再次出現了與曲面鏡聚焦特性有關的知識，最有名的是10世紀波斯學者伊本·薩赫勒（Ibn Sahl）的《論取火鏡和鏡片》（On Burning Mirrors and Lenses）中。不幸的是，伊本·薩赫勒的作品似乎沒有造成什麼影響，直到20世紀才被重新發現。希羅是意大利文藝復興時期的藝術家工程師們最喜歡的作家，因此反射望遠鏡的原理再次出現在列奧納多·達芬奇（Leonardo da Vinci）未出版的手稿中絲毫不奇怪。但達芬奇的興趣仍然限於假想，他並沒有實際嘗試建造這樣一個望遠鏡。
建造望遠鏡的“榮譽”屬於意大利天文學家
尼科洛·祖奇（Niccolò Zucchi），他在《光學哲學》（Optica philosophia，1652）中表示，他在1616年建造了一臺帶有曲面銅鏡的望遠鏡。由這面鏡子在焦點處形成的圖像需要放大才能看得見。祖奇利用了為傳統的（基於透鏡的）折射望遠鏡所製作的目鏡，通過讓光線穿過這種目鏡來達到放大效果，但是他發現最終的圖像被扭曲得無法識別。他意識到了反射望遠鏡的一個主要問題：磨削和拋光曲面的金屬製望遠鏡反射鏡是一項棘手的工作，因為反射鏡表面的任何誤差都會導致畸變，這種畸變程度是透鏡中類似誤差所產生的6倍。（在透鏡中，光線的彎曲會減弱缺陷的影響，而鏡子則會放大缺陷的影響。）即使這個望遠鏡能正常工作，祖奇的望遠鏡裡所包含的也只是一面鏡子而已，所以它並不是一個完整的反射望遠鏡。所有真正的反射望遠鏡都至少有兩面反射鏡：一個是形成圖像的主鏡，另一個是將圖像投影到望遠鏡外的副鏡。法國數學家和物理學家馬林·梅森（Marin Mersenne）在《宇宙和諧》（Harmonie universelle，1636）中，首次提出了雙鏡反射望遠鏡的設計方案。不過他從未試圖將他的設計變為現實，可能是他意識到了製造拋物面鏡會遇到許多艱鉅的問題。
○ 任意直線（L）、焦點（F）和頂點（V）的拋物線。進入拋物面鏡的平行光線聚焦在F點。頂點為V，對稱軸穿過V和F。對於偏軸的反射望遠鏡（只有部分拋物面在P1點和P3點之間），接收點仍放置在拋物面的焦點處，但它不會投影到反射望遠鏡上。| 圖片來源：Wikipedia
說到這裡，艾薩克·牛頓才在這個故事裡出現。1668年左右，牛頓用自己設計的銅錫砷合金製成的鏡子，成功地製造出了一臺能正常工作的反射望遠鏡。他做了一點“小手腳”，製造了一個球面鏡，雖然這個球面鏡無法產生完全精確的圖像，但它比拋物面鏡更容易磨削和拋光。然而，不要低估牛頓作為一個工匠的能力。他的望遠鏡足以觀察到木星的四顆大衛星。它和當時的許多折射望遠鏡一樣強大，而且更加小巧。
就在牛頓公開展示他的望遠鏡的前幾年，蘇格蘭數學家和物理學家詹姆斯·格雷戈裡在《光學進展》（Optica promota，1663）中發表了一個略有不同的反射望遠鏡設計，使用的是拋物面主鏡和橢球面副鏡。不像梅森，他試圖建造出這個設備，他的設計也和祖奇的有所不同，那是一個完整的雙鏡反射望遠鏡。儘管格雷戈裡聘請了倫敦最好的鏡片製造師
理查德·裡夫（Richard Reeve）來製作鏡子，但他還是無法達到產生可用圖像所需的質量。據說，牛頓的競爭對手羅伯特·胡克（Robert Hooke）在1674年成功地製造出了一個功能正常的格雷戈裡望遠鏡，但它只是個“孤品”，而且沒有被保存下來。兩年前，是胡克把格雷戈裡對牛頓的指控轉告給了牛頓。同樣是在1672年，醫生讓-巴蒂斯特·丹尼斯（Jean-Baptiste Denys）在法國一家雜誌上發表了一封信，聲稱他的同胞朗洛·卡塞格林在反射望遠鏡上享有“優先權”，卡塞格林也曾設計過一個反射望遠鏡。卡塞格林的情況鮮為人知，包括他或其他人是否在17世紀試圖製造出他所設計的望遠鏡。他的設計使用了拋物面主鏡和雙曲面副鏡，在磨削上特別複雜。
格雷戈裡和卡塞格林的設計並沒有立即帶來可用的儀器。而牛頓的設計同樣沒有。儘管與折射式望遠鏡相比，反射式望遠鏡有諸多優點，但牛頓的球面鏡無法有效地放大，這使它成為了一個在科學上需要進一步探究的問題。
早期的折射望遠鏡存在兩個主要的光學問題，即
球差和色差。首先，一個簡單的透鏡，它的曲面是一個球的一部分，這是17世紀技術可以達到的唯一可能類型，這種曲面不會把光線聚焦在一個點上，所以它一定會產生畸變圖像。這種球差可以通過使用焦距非常長的透鏡來減小，但這種解決方案導致望遠鏡變得越來越長，越來越笨重。第二個問題是色差，這是最初促使牛頓發展反射望遠鏡的原因。每種顏色的光在通過透鏡時都會以略微不同的角度彎曲。這種現象在彩虹裡很美。但在折射望遠鏡中，紅光的圖像與藍光的圖像之間就會出現一點距離，以此類推，導致模糊的彩色條紋出現。
○ 牛頓望遠鏡的光路徑示意圖。| 圖片來源：Wikipedia
沒有透鏡的反射望遠鏡比簡單的折射望遠鏡能產生更清晰的圖像。然而，直到1721年，也就是在牛頓製造出第一臺望遠鏡的50多年後，英國發明家約翰·哈德利（John Hadley）才成功地製造出了一臺大型牛頓反射望遠鏡（並且沒有采用牛頓設計的球面鏡）。英國皇家學會的成員用克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）的120英尺長的折射望遠鏡對它進行了測試，並宣佈這臺牛頓反射望遠鏡性能優異。哈德利接著又製造了一臺能正常工作的格雷戈裡望遠鏡。更重要的是，他能夠向當時領先的儀器製造師傳授一種可重複的方法，來磨削和拋光金屬反射鏡，從而能夠批量生產高質量的望遠鏡。
今天，包括哈勃太空望遠鏡在內的許多主要天文臺都使用反射望遠鏡。我們應該把這份功勞記在誰的頭上？是希羅的構想，是祖奇在建造上的嘗試，還是牛頓的成功的原型？又或者，是哈德利讓反射望遠鏡成為了現實？所有這些人的貢獻都必不可少，但這不是任何人可以單獨完成的工作。
從這個故事中我們學到的經驗遠不止適用於這一個事例。對於幾乎所有的設備來說，聲稱一個人是發明者或許都有些問題。概念、演示和實現可能非常不同，連接它們的路徑通常不是一條直線，而是一條富有挑戰性的、漫長而曲折的道路。
撰文：Thony Christie（科學史學者，現居德國。）
原文標題為“How many great minds does it take to invent a telescope”，2017年3月28日發表於Aeon，原文鏈接：https://aeon.co/ideas/how-many-great-minds-does-it-take-to-invent-a-telescope，文章通過CC協議翻譯，中文內容僅供參考，一切內容以原文為準。
封面圖來源：NASA's James Webb Space Telescope/Flickr
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