乔治·海尔和他的传奇望远镜们

发布时间：2023-03-10 14:00:25 所属栏目：外闻来源：

导读：历史上曾涌现出不少充满传奇的制镜大师，不过说到望远镜制造方面的成就，无论是以手工艺闻名的17世纪意大利光学大师朱塞佩·坎佩尼，还是一生制造了四百余台望远镜的天文学泰斗威廉·赫歇尔，亦或是以&l

历史上曾涌现出不少充满传奇的制镜大师，不过说到望远镜制造方面的成就，无论是以手工艺闻名的17世纪意大利光学大师朱塞佩·坎佩尼，还是一生制造了四百余台望远镜的天文学泰斗威廉·赫歇尔，亦或是以“炮”成名的罗斯伯爵威廉·帕森斯，以及精益求精的德国工程师塞格穆勒，都无法与乔治·海尔相提并论。

富商海尔指的并不是我们故事的主人公，而是他的父亲。无论以多么苛刻的标准来看，乔治·埃勒里·海尔（George Ellery Hale）都算得上标准的“富二代”。他的家族在1640年移民到美国，父亲威廉·海尔创建的电梯制造公司是全美最早的液压电梯制造商之一。提起“摩天大楼”，人们常常会想到纽约，其实摩天大楼的概念诞生于芝加哥。1871年，芝加哥发生了一起巨大的火灾，整个城市几乎变为废墟。在灾后重建过程中，摩天大楼拔地而起，使得芝加哥一跃成为美国经济最发达的城市之一。海尔的父亲为这些摩天大楼制造了电梯而获利颇丰，在芝加哥拥有许多大楼和铁路。

也许是受到父亲的影响，海尔从小就具有很强的动手能力。不过他并不想子承父业，他对科学明显比对电影更感兴趣，而他的爱好则得到了父母的鼓励，他甚至在家里建立了一个小实验室。十四岁时，海尔自己动手组装了第一台望远镜，从此便一发不可收拾。他开始观测星空与日食，并描绘太阳黑子。高中毕业后，他来到麻省理工学院学习物理学，期间发明了太阳单色光照相仪，并借助仪器发现了太阳涡旋，显露出非凡的才华。

当时世界上最大的折射望远镜，是位于美国西海岸的利克天文台（Lick Observatory）刚刚落成的36英寸（91厘米）折射望远镜，它由钢琴大亨詹姆斯·利克捐资，加州大学负责运行管理，其主镜是著名透镜制造商阿尔文·克拉克父子公司（Alvan Clark & Sons）所磨制，落成后提供了惊人的观测效果。

叶凯士天文台的大折射镜落成之时，大部分天文学家还在延续着数百年来的观测传统：他们一边用肉眼观察目镜，一边用笔绘制出所看到的影像。不过在这时，一种新技术已经开始流传，并将彻底改变天文观测的历史，那就是照相术。相比于肉眼观测与手工描绘，照相底片可以更快地记录下更多星空的细节，可以进行精准测量，也适合永久保存。天文学家们不再需要在观测的同时手忙脚乱地进行研究，而是可以随时调出底片慢慢进行研究。

制造一台性能优异的反射望远镜远不像说一说那么简单。反射望远镜的结构可以追溯到1671年，当时牛顿在皇家学会展示了他的模型。到了1845年，爱尔兰天文学家罗斯伯爵三世威廉·帕森斯（William Parsons）在他的领地帕森斯镇建造了一台口径1.8米的巨型望远镜，以一种海兽“列维亚森”来命名。这台望远镜在之后的半个世纪内，保持着世界最大望远镜的头衔。不过它看上去显然不像一台现代化的专业望远镜，受限于支撑结构，它只能观测穿过子午圈的天体，而且它的主反射镜采用金属抛光的方式，反射率差强人意。尽管如此，它仍然称得上同时代最优秀的观测设备之一。罗斯伯爵三世用它观测并命名了“蟹状星云”，还描绘了M51星系的旋涡结构。许多人都相信梵高在绘制名画《夜空》时，便是参考了这台望远镜的观测成果。

在这台古董望远镜之后，人们也尝试着建造了另外一台比较现代的大折射望远镜，即大墨尔本望远镜（GMT）。它拥有48英寸口径（约1.2米），安装在巨大的赤道仪上。不过受到预算不足的困扰，它的机械结构难以应付自身的重量，使得这台望远镜在转动过程中饱受振动的困扰。它采用了长焦，因此视场非常小。它也没有考虑到照相术的发展，人们仍然需要透过望远镜底部的目镜来观测。这台望远镜有相当多的遗憾，镜面反射效率低下，赤道仪跟踪不稳，以至于制镜专家乔治·里奇抱怨道：这台望远镜简直是技术的倒退，这样的设计仿佛在告诉大家，只有坚持折射镜的道路才是正确的，反射镜的道路根本走不通！

故事的转机或许又与海尔的父亲有关，因为他送给海尔一块由法国铸造的60英寸（1.5米）毛坯镜面作为礼物。这个玻璃圆盘厚19厘米，重达860千克。有了这么个大镜面，海尔也再次踏上了赚钱的道路。

叶凯士折射镜有许多无法克服的缺陷：玻璃透镜对于红外线的吸收，光谱也只能一条条拍摄。因此海尔早就决定要设计一台好用的反射望远镜。乔治·里奇（George Ritchey）被选中成为了新望远镜的设计师。里奇曾经在芝加哥手工学校里教授木工，海尔遇到他后非常欣赏他的才华，将他请到了叶凯士天文台。为了改进镜面研磨和抛光的技术，里奇制作了一台24英寸（约60厘米）折射镜，这台望远镜也是60英寸望远镜的原型。它配备了可更换的副镜，并且可以方便地对天体进行照相。

60英寸反射镜的一项重要创新，便是通过增加和改变副镜，可以使望远镜同时拥有四个焦点：主焦点、卡塞格林焦点、牛顿焦点以及折轴焦点，就好像把四台望远镜集合在了一起，这是望远镜设计领域的一次重大革新。对于主镜，里奇选择在玻璃镜胚上镀银膜，这使得主镜的反射率远超之前的任何一台反射镜。而超高倍望远镜的支架则吸取了GMT的教训，前后对称设计得更为粗壮，以此来保证高灵敏度望远镜可以更为平稳地进行超高精度的跟踪。

60英寸望远镜还是一台专门为照相设计的望远镜，它取代了数百年来天文学家直接用肉眼观测的传统，没有设计单独的目镜。威尔逊山天文台也是世界上第一个为照相天文学而诞生的天文台，拍摄下来的照相底片被存档用于后续的天文研究。而这样的观念和管理的重大转变,影响甚至不如科技的进展。

他富家子弟的身份再次显灵了。海尔的一位朋友、钢铁大亨约翰·胡克（John D.Hooker）愿意投资为他建造一台84英寸（约2.1米）的望远镜。海尔利用自己的热情说服胡克改变主意，他说新建的望远镜直径必须是100英寸，它的聚光能力将是60英寸望远镜的三倍，是目前最大望远镜的六倍，它的出现“将大大超越世界上所有的天文观测设备”。胡克认捐了4.5万美元，作为新望远镜的研制费用。海尔预计光学系统大约需要四年时间完成，圆顶建筑和安装需要一年时间，而建设经费大约还差50万美元。最终还是卡耐基出手了，在1910年访问威尔逊山后，他对60英寸望远镜充满了热情，第二年便追加捐赠了1000万美元，并希望在自己去世前能听到好消息。

不过，棘手的问题接踵而至。首先是如果要达到设计的精度，镜面必须保持极低的膨胀率和收缩率。主镜是1906年从法国订购的，1908年运到美国后海尔和里奇都非常不满意，因为在镜片内部可以明显看到大量气泡、漩涡以及分层。他们向法国制造商提出重铸，并且在1910年春天铸造了一个比较满意的镜片，结果这个镜片在冷却过程中直接破裂。他们再次浇铸了一个更薄的镜面，却发现镜面在使用过程中可能会发生形变。最终，第一次那个内部不完美的镜面被保留了下来。

绝大多数望远镜之所以成为经典，只是因为其自身技术上的进步。不过威尔逊山的100英寸胡克反射镜却是个例外，它之所以有名，还是因为它的使用者以及用它做出的天文发现实在难以被人忽略，埃德温·哈勃就是其中之一。利用胡克望远镜，哈勃发现之前所认为的“岛宇宙”，其实是银河系外的一个个螺旋星系。它打开了一扇认识宇宙的一扇全新的大门。哈勃还用这架非凡的望远镜证明了宇宙正在膨胀的事实，这也直接导致了“大爆炸”宇宙学的诞生。

此时望远镜的建设仿佛陷入了僵局，加州理工已经花掉了预算的十分之一。而接下来的故事，就像海尔经常说的那样：“我们解雇了足球队的教练，然后试着从其它方向寻找突破”。康宁玻璃公司研发了一种被称作百丽（Pyrex）的玻璃，这种玻璃十分耐热，几乎不受温度变化的影响。实际上，我们的厨房中也经常能见到这种材料，比如烧烤用的玻璃盘或者婴儿奶瓶都是用它制成的。尽管它的效果不如石英，不过总比普通玻璃要强多了。

新主镜还采用了蜂窝状的设计，优点是可以大大降低重量。在主镜内部共有36个圆孔，每个圆孔都会连接一个支撑结构，通过巧妙的力学平衡设计来维持镜面的形状。

与此同时，选址团队还在四处考察。当时的候选台址除去帕洛玛山之外至少还有两处，分别是威尔逊山北边的平顶山（Table Mountain）以及帕洛马山东南方向的瓦尔肯山（Vulcan Mountain）。海尔曾经说过，他梦想在帕洛马山上建造一座天文台。因此尽管选址团队四处踏勘，不过帕洛马山已经胜出。

在当时，帕洛马山是全美国最黑暗的地方之一。在它西南40英里（64千米）的圣地亚哥县，当时还是一个规模很小的县城。而山下最近的居民区埃斯孔迪多（Escondido），则比县城人口更少，几乎是个无人区。当时正是美国经济大萧条时期，帕洛马山周围的许多地区甚至还不通电，完全不会有灯光干扰的问题。现在的情况已经大相径庭。

为了安装巨型的圆顶，工人们要在地面打一圈孔，再将桩子安装在孔内来支撑圆顶的结构。而望远镜则安装在独立的基墩上，这些基墩要一直穿透地面，连接到地下7米深的基岩上。圆顶的轨道在安装后需要进行抛光，以便重量巨大的圆顶在轨道上旋转顺滑。望远镜的支架则是由西屋公司（Westinghouse）位于南费城的工厂来制造的，这家工厂专门为海军舰船生产涡轮机和部件，因此有能力完成这些大型钢构件。钢构件生产完成后，将被吊装到船上，用货轮从费城通过巴拿马海峡，运到西海岸圣地亚哥港。再通过卡车将这些零件一件件运上山。最终在圆顶内组装到一起。

望远镜的赤道仪由一个球形轴承驱动，在安装的过程中，会将轴承装入圆形套筒结构内，再泵上润滑油。这样一来，整个望远镜就悬浮在一层薄薄的油膜上，运转自如。提供润滑油的是美孚石油公司，他们甚至专门在杂志上做了广告，广告语便是“世界上最大的眼睛漂浮在美孚的油上”。当然，这里有一个小错误，因为反射望远镜严格来说并不像一只眼睛。这个反射望远镜的名字叫做阿雷西博射电望远镜，位于智利圣地亚哥市郊外的卡塔赫纳山上，是目前世界上最大的单口径射电望远镜。

（编辑：汽车网）

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