望远镜：天文学的创举与变革

编者按：

2009年，是伽利略将望远镜指向星空400周年，因此，2009年被定为国际天文学年。“望远镜的使用，无疑是一场天文学的革命，天文学的意义因此而改变。”

而这一年的7月22日，一次壮观的大日食光临中国。恰好在390年前的7月，望远镜首次在中国登陆，极大地影响了明代天文学的发展。由于日食观测对天文学而言意义非同寻常，对普通天文爱好者而言更是不可多得的机遇，于是，这两个重大事件在2009年紧密地关联在一起。

400年前望远镜的使用，导致欧洲人宇宙观的变化。在伽利略使用望远镜后，距今390年前，望远镜传入中国，这种影响也波及到中国。本报记者在采访中了解到，中国早期天文学研究与伽利略观测目标颇有不同，中国天文学家将望远镜主要用于日食观测，并留下了明确的文字记录。在望远镜的协助下，明代天文学发展到了一个新高度。

而今，中国的天文学家已经能够采用最先进的技术手段来观测日食等天文现象，天体物理研究水平进步巨大。国外的科学家也已经意识到，中国科学家的工作是不能忽略的。

400年前的一天，伽利略第一次用自制的天文望远镜指向了天空。这个小小的动作成就了天文学历史上的一个重大创举。从此，人们的宇宙观发生了巨大的变化。

改变了天文学的意义

“天文学是一种观测科学。”中国科学院自然科学史研究所研究员、天文学史学家孙小淳说，“因此观测手段对天文学发展来说至关重要，望远镜是这样一种重要的观测手段，通过望远镜可以观测到肉眼观察不到的天象，因而导致了欧洲人宇宙观的变化。”

将望远镜指向天空，是天文学的一个创举，在此之前，亚里士多德的理论月界之外是完美的，是恒定不变的。望远镜观测到月亮的形态，却是表面凸凹不平的。人们曾经以为太阳表面也是纯净无瑕的，而望远镜观测到的太阳黑子，却表明太阳和月亮一样都有“缺陷”。伽利略还用望远镜发现了银河是由星星组成的，发现木星有四颗卫星，这表明不是所有的星体都以地球为中心。他还发现了一些行星也有相位的变化，和月亮一样有着阴晴圆缺……

所有这些发现迅速在欧洲引起轰动，1543年哥白尼提出的“日心说”理论是一种数学描述，而伽利略的观测结果，“尽管还不足以完全证实‘日心说’。”孙小淳说，“但却为‘日心说’提供了有力的旁证，使人们的眼界迅速扩展到太阳系以外。在从‘地心说’向‘日心说’逐渐转变的过程中，起到了关键性作用。”

“望远镜的使用，无疑是一场天文学的革命，天文学的意义因此而改变。”在总结天文学400年成就时，天文学家、中科院院士苏定强首先列举的就是人类记录下的星和星系的数量。人类用肉眼可以观测的星体只有6000多颗。在望远镜使用前，人们普遍认为，星星的总数量与人类观测到的数量大体相同。望远镜的使用彻底颠覆了这种观点，目前记录下的星和星系总共约有1010个。

望远镜的传入与使用

望远镜的使用导致欧洲人的宇宙观发生了变化。随着望远镜传入中国，这种影响也波及到了中国。

关于望远镜的传入，学界长期以来认为，最早的传入者是德国耶稣会士汤若望，而中国科学院自然科学史研究所研究员、科学史学家张柏春新近发现的证据表明，最早将望远镜带入中国的是另一位德国耶稣会士——邓玉函，那时离伽利略第一次使用望远镜进行天文观测只有10年的时间。

汤若望是明末清初在中国影响最大的耶稣会士之一，而邓玉函却无疑是当时来到中国的科学素养最高的西方人。弗莱堡大学保存的档案证明，邓玉函是一位科学家、博物学家和医师，熟悉医学、数学、力学、天文学和植物学。

1611年伽利略在罗马公开展示了他用望远镜得到的新发现。同年5月3日，邓玉函晚于伽利略8天，两人都成为猞猁学院的成员。

1618年4月，邓玉函带着一架伽利略式望远镜，与金尼阁、汤若望等传教士一起离开里斯本，向亚洲航行。在距今整整390年前，也就是1619年7月，邓玉函一行抵达澳门，至此，望远镜正式登陆中国。

当时正是明代末年，采用的历法是元代郭守敬修编的《大统历》的翻版，已经延用了200多年。上海交通大学教授、天文史学家江晓原说：“到了明末，这一历法已经存在相当大的累计误差。因此，一个关键性的机遇摆在了中国天文学面前。”

1629年，崇祯朝成立历局，开始以西法修历，望远镜在修订历法的过程中发挥了重要作用。孙小淳说，古代历法的优劣关键在于日食的观测，而用肉眼观测日食有一个很大的困难，由于日光太强，难以分清天体的边际，因而食初与食末不好判断。

在徐光启的建议下，从1631年起，望远镜在我国开始被用来观测日食。从1631年到1641年，崇祯朝共发生过5次可见日食，历史文献详细地记录了望远镜在观测日食中所起的作用。

望远镜与东西方天文学思想

望远镜的传入，令当时的中国天文学家有耳目一新的感觉。孙小淳说，使他们看到或了解到一些特殊的天象，如太阳黑子、月面阴影、天汉等，改变了他们对日月星辰，甚至是整个宇宙的认识。然而，中国天文学学却并没有接受当时西方最先进的日心说。

以前有一种说法，认为由于宗教方面的原因，传教士们隐瞒了哥白尼的“日心说”，江晓原认为，这并不是事实的全部。他说，《崇祯历书》中的天文学，在当时是相当前沿的，甚至包含了开普勒的工作，体现了同时代西方天文学最前沿的成就和思想。而“日心说”在当时却并不完善和精确，因而，中国天文学家接受了改进了的“地心说”——第谷学说。

在十六、十七世纪，西方共有四种主要的宇宙理论：亚里士多德的水晶天球理论，托勒密的本轮、均轮说，哥白尼的日心地动说，以及第谷的地心—日心说。简单地说，第谷的地心—日心说就是认为行星绕太阳旋转，而太阳率众星绕地球旋转。孙小淳说，当时望远镜在天文学上的使用和观测结果，可以帮助拒斥前两种古代地心说，而在第谷学说和哥白尼学说中却难以取舍。

随着望远镜的传入，保守和进步宇宙观，也同时传入中国，和许多西方天文学家一样，中国天文学家用望远镜进行观测，并经历了宇宙观的争论，最终较为先进的第谷体系受到包括徐光启等天文学家的支持，成为官方认可的天文学理论。在其中，望远镜起到了相当大的作用。

望远镜的非主流时代

然而，此后不久，随着新历的修订完成，随着明王朝的瓦解，望远镜没能继续在中国天文学发展中起到应有的作用。在很长的一段时间内，它并没有成为中国天文学的“主流”仪器。

1669年，清王朝初年，南怀仁奉命为钦天监制造6件天文学仪器，其中，并没有望远镜。究其原因，已故的科学史大师、中科院院士席泽宗曾在《南怀仁为什么没有制造望远镜》一文中说，在球面像差和色差问题没有解决以前，在天体位置测量方面，望远镜尚不是先进的工具。也就是说，“当时的望远镜，还没有和其他天文学仪器结合起来，特别是测量天体位置的仪器”。此外，张柏春说：“从1659年南怀仁离开欧洲后，欧洲的天文学和天文仪器都有了很大的进步，而他以后的论著中，却很少提到1657年后的欧洲技术，也没有提到望远镜准仪、测微仪、摆钟等。”

除了这些技术原因外，江晓原认为，文化因素也对望远镜在中国的发展，起到了一定的阻碍作用。他说，和西方科学一样，西方天文学的本质是探索自然、认识自然，这种本质从古希腊时代开始，经文艺复兴到现在一脉相承。而中国古代天文学的本质则是一种政治巫术，它的目的是彰显皇权的合法性——尽管其在实际运作中会使用天文学知识和仪器。但历法的进步只是实施巫术的工具“升级”，这种升级与用纸牌算命“进步”到用电脑算命一样，并没有本质的改变。因而，历法“升级”完成后，没有人认为有必要继续用它来放大星空，缩短宇宙的空间距离。

因此，望远镜虽然在明末就已传入中国，但清代所制的众多天文仪器，却无一装备望远镜。与此同时，望远镜在欧洲的天文学中，却起到了越来越重要的作用。1667年到1669年间，欧洲的天文学家将望远镜装载到天文仪器上，实现了望远镜从观察工具向观测工具的转变。孙小淳说，这种转变是天文学观测上的一次革命性飞跃。此后随着色差问题的不断解决，到了18世纪，望远镜技术的发展为对光行差、月球章动等问题的研究提供了可能。而这些问题的解决，恰好是天文学进一步发展的必要条件。

四个里程碑

在总结望远镜400年的发展历史时，苏定强将其划分为四个里程碑：望远镜的使用、分光术的发明、射电天文学的诞生、全波段天文学时代的到来。

1608年荷兰眼镜匠汉斯·利帕什制成了世界上第一架望远镜。到1609年年底伽利略先后制造过四架望远镜，都是折射望远镜。苏定强说，这是天文学发展的第一个里程碑，开创了天文学研究的新时代。

1668年牛顿制成了第一架反射望远镜，从此，折射望远镜和反射望远镜就平行发展。

1814年夫琅和费继渥拉斯顿之后，也发现了太阳光谱中的暗线，并作了详细的研究。苏定强说，有了光谱才能精确研究天体的物理状态，如温度、压力、磁场、电场、向速度，以及天体的化学成分，这标志着天体物理学的诞生，成为望远镜发展史上的第二个里程碑。

1938年，央斯基发现了来自银河中心方向的天体无线电波，开辟了另一个电磁波窗口，于是射电天文学诞生了，这是望远镜历程中的第三个里程碑。上世纪60年代天文学的四大发现：类星体、脉冲星、微波背景辐射、星际有机分子，都是射电天文学研究所取得的成果。目前世界上最大的单天射电望远镜是波多黎各的Arecibo望远镜，反射镜是一个固定在山谷中、直径为305米的大球面镜，工作时使用直径200米的区域，接收机在空中由缆束带动进行指向和跟踪运动。

1957年10月，苏联成功发射了第一颗人造地球卫星，开创了空间观测和太阳系探测的新时代。特别是观测可以在各个波段进行，全波段天文学的时代到来了，这是400年望远镜历史上的第四个里程碑。

苏定强说：“提高分辨率以观测到天体的细节，是望远镜的制作和使用者们追求的目标。因此纵观望远镜400年的发展历史，就是一个将望远镜的口径越做越大的历程。”

1918年，美国建成了当时最大的发射望远镜，口径为2.54米。1924年，哈勃用它证明了旋涡星云是银河系之外的、和银河系类似的星系。1929年，哈勃又用这架望远镜发现了河外星系的谱线红移。

1948年，美国建成了口径5.08米的望远镜；1976年，苏联将望远镜的口径扩大到6米。从伽利略的3.8厘米，到苏联的6米，望远镜口径似乎已经达到极限，由于技术手段的限制，做出更大的望远镜，已经十分艰难。

到了上世纪80年代，由于技术进步，一种称为“主动光学”的技术诞生了，它使制造口径超过6米的望远镜成为可能。目前世界上口径最大的望远镜是美国1993年以来建成的两架10米望远镜——KeckⅠ和KeckⅡ。

望远镜在我国的发展

从19世纪末到20世纪初，法国、日本、德国等先后在上海、台北、青岛等地建立观象台。直到1922年国民政府成立了天文学会，1928年中央研究院成立天文研究所，并于1934年建成紫金山天文台。不少科学史学家一致认为：“从此，望远镜开始在我国天文学发展中起到应有的作用。”

新中国成立后，我国的望远镜发展取得了长足的进步。从上世纪60年代到80年代，我国研制了一批天文观测设备。苏定强说，特别值得一提的是，这批设备都是我国老一代天文学家和工程专家在相当艰苦的条件下自力更生研制成功的，这些仪器有不少创新点，令人欣喜的是其中一些望远镜至今仍然是我国天文观测的主力。

目前，刚刚完成的LAMOST和正在进行中的FAST，可以说代表了我国望远镜的最高成就。LAMOST是一架反射施密特望远镜，是目前世界上最大的大视场望远镜，焦面上设置4000根光纤，成为目前世界上获取光谱能力最强的仪器。

FAST是2007年国家发展和改革委员会批准立项的另一个大项目，反射面板的基本形状是一个直径500米的球面，将固定安放在贵州黔南州平塘县的大窝凼洼地中。工作时使用直径300米的照明区域，随着天体的转动，照明区域在500米的大球面上移动。目前FAST已经开工，预计耗时5年半，将于2014年开光。它将是世界上最大的射电望远镜。搜索地外文明将是FAST的科学目标之一。

本文来自：《科学时报》 (2009-7-22 A1 要闻)