望远镜原理：物镜L在焦点处形成实像A，眼睛对准目镜L’，可看到放大的A’。

望远镜的原理十分简单。在刚被发明出来的时候，望远镜近乎一种神迹，但到了今天，即便是门外汉也能在各种物理论文中学到关于它的经典解释。为了使行文更加清晰，我们还是用几句话重温一下它的原理吧。一块被称为物镜的透镜会汇聚来自物体的光线，通过汇聚，该物体的实像形成于物镜后的某一点，这一点被称作焦点。如果此时人们再透过另一块会放大物像的、被称为目镜的透镜观看这一实像，就会发现它变大了；放大率与物镜焦距——实像与物镜之间的距离——和目镜焦距之间的比例有关，换句话说，物镜焦距越长，目镜焦距越短，放大率就越大。

因此，当人们知道这一原理时，仿佛就拥有了无尽的希望。如果这一推理走到极端，便会导致人们产生可以尽情放大天体图像这一畅想，也就是说可以畅想有如天体就在眼前一样进行观测。

这一畅想尽管十分诱人，却只是理论上的，直到现在也没有哪次实践敢声称达到了此效果。观测太空深处的能力受到诸多限制，尽管如此，我们绝不能认为单块透镜在V处汇聚紫光，在R处汇聚红光。如图所示，与光线轨迹相对应的这些线条解释了边缘镶以红色的、倒立着的紫色图像这一光谱条纹的形成。

这些限制是完全不可逾越的障碍，它们终将被人类知识的大繁荣所终结，但我们必须明确指出的是，解决这些问题涉及许多重大困难。光学定律和超过一定尺寸的仪器构造涉及一些物理、工业范畴内的困难，其他困难则是地球上的观星者所固有的——地表条件天然形成了观星障碍，使得人类束手无策。

17世纪末的版画：最初的巴黎天文台，设有观测装置、桅杆和支架，配合焦点极远的物镜使用。

按照经典原理制造出来的望远镜只能形成不够清晰的图像。即使制作再精良，这样的仪器也具有根本性的缺陷——这是光的质量所造成的。我们都知道，光由多种辐射组成，不同的辐射波长与光谱的颜色相对应(1)。此外，人人都知道牛顿用棱镜分解“白光”的实验，其中光的颜色会呈色列依次铺展开来。多亏了折射，我们才能观察到这一现象。由此，我们很容易理解，折射对于不同辐射而言有着不同的重要性，简而言之，辐射决定了色散现象(2)，而辐射则曾被统称为色彩。不同辐射穿过折射介质会发生不同的偏折：红色偏折最小，光谱另一端的紫色偏折最大。

现在，让我们设想一下，如果把棱镜换成透镜，上文的折射基本定义会发生怎样的变化呢？鉴于透镜的形状，穿过它的光线都被折射到了焦点上。即使折射定义在理论上说得通，在实践中，情况却不尽然，因为正如光线在棱镜末端会被散射出去，构成光线的各种辐射不再集中于同一个焦点之上。例如，观察受折射影响最小的红光以及受其影响最大的紫光分别集中的点，我们会发现，紫光集中点离透镜近，红光集中点离透镜远。一旦确定了这条原理，我们便能轻而易举地得出推论：由单块透镜形成的图像必然显现光谱的边缘颜色，由于促使图像形成的不同光的集中点不同，因而图像的清晰度不够理想；出于同样的原因，目镜形成的图像更加模糊。

况且，早期望远镜镜片的质量和尺寸都无法达到完美，这一点毫无疑问，因此，当时的人们只能模糊地辨认出天体；它们的边缘轮廓仿佛融化成一团彩虹色的光晕，光线越强烈，效果就越明显。这一切都说明，通过最早服务于人眼的光学仪器所获取的对天体的描述和绘图充满了不确定性，这种不确定性不仅体现在宏观特征上，还体现在诸多细节上。如果没有长期进行技术研究，我们就不会特别关注到这种像差。随后，为了修正各种像差，人们想尽办法制造直径巨大的聚焦镜头，这种镜头也许会使亮度明显变暗，但至少可以显著减弱有损图像清晰度的因素。于是，巨型望远设备诞生了，有些甚至达到了200英尺(3)。我们得承认，这种设备操作起来一点都不简单。18世纪初期，巴黎天文台使用的一块物镜的焦距甚至可达300英尺。当助手在天文台的塔楼上或者已搬至天文台花园的Marly机械(4)屋架顶上扶着该物镜时，观察者则手持目镜，不断移动，排除种种困难努力寻找目标天体的图像，然后把它调整固定到令人满意的状态。

通过这些简单的细节，我们可以体会到，要付出多少机敏才智、汗水耐心，才能使人类对于天文的认识越来越深入。毫无疑问，如果不是物理学领域的某些认知有了长足进步，我们将永远被无数天文现象拒之门外。

牛顿天文望远镜的原理。凹面镜M将光线反射到小的平面镜M’，形成焦面像A，A再经过目镜L’放大成为A’。

上文已经提到，天体图像的放大不是唯一待满足的条件。对于天体图像而言，最重要的是清晰度。完美的清晰度可以为我们提供可识别的、有关细节特征方面的有用信息。在清晰度这一问题上，我们现在便可预料到，下文将要提及的发展即完美清晰度的获得，不仅依赖光学产业的资源与潜力，还会牵涉到另一个相当陌生的因素：地球大气层的影响。任何天体的光线都必须穿过大气层才能抵达我们的视野。

现在，让我们继续关注仪器条件。在这一方面，物镜的设计取得了极大进展：物镜由两块不同材质、不同曲率的透镜结合组成，这样会减轻棱镜色散带来的有害影响，使所有光线近乎完美地集中在同一个焦点上。由此获得的图像同时具有令人满意的清晰度和整体亮度，以便被大幅度放大。从这个意义上来说，现代光学的手段和方法已经得到了应用，我们现在制造出的镜头和镜面可以说是完美的。

在大致思考了与早期望远镜有关的问题后，让我们以同样的探索精神来谈谈天文望远镜。在某种程度上，“天文望远镜”这个名字已经成为日常用语中天文学家用来窥视天空的所有仪器的模糊代称。

(1) 此处辐射是指能量传播的方式，光的量子单位光子（光量子）是辐射的一种，其测量参数之一便是波长，波长越短，频率越高，辐射的光子的能量越高，反之越低；不同波长的光子性质不同，对于可见光，这些不同波长的光子在人眼的观察下便是光谱上的不同颜色。（参考中国科学院高能物理研究所官方网站《光子与辐射》一文。）

(2) 不同的光携带的能量不同，波长不同，穿过相同介质时折射率也就不同，从而折射角也不同，因此包含了不同光的一束白光通过棱镜后就能显示出不同的颜色，这个现象也称为色散。可见光范围内，光谱从左至右为红橙黄绿蓝靛紫，从红色光到紫色光，波长逐渐变短。

(3) 这里是指望远镜的焦距长度，而非镜面口径。

(4) Marly机械是法国的工程奇迹，完成于1684年，原本是凡尔赛花园为解决喷泉用水所建造的水库。天文学家乔凡尼·多美尼科·卡西尼从Marly机械拆出一部分移置到巴黎天文台用以支撑他的超长望远镜。