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作者：郝士明 编著

出版社：化学工业出版社

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功能材料图传试读：

各行业高中以上程度的读者都能很好地理解本书的内容。书名：功能材料图传作者：郝士明编著CIP号：第203908号ISBN：978-7-122-27933-0责任编辑：窦　臻出版发行：化学工业出版社（北京市东城区青年湖南街13号 100011）购书咨询：010-64518888售后服务：010-64518899网址：http://www.cip.com.cn版权所有　违者必究序材料是现代文明的三大支柱之一，包括结构材料和功能材料。结构材料始终是基础设施的重要物质支撑，经济建设和国家安全都离不开它。功能材料以其光、电、磁、热、声等性能与人们生活息息相关，而且发展势头迅猛，新材料层出不穷，成为经济转型的新兴亮点。本书从应用普遍的功能材料开始，论述到科技前沿的智能材料、超导材料、低维材料和人工微结构材料，既解释了组织结构与性能关系的原理，又介绍了功能材料的广泛应用。文字深入浅出，插图精美且丰富，给人以视觉和思想上美好的享受。本书还注意从功能材料产生与发展的历史脉络上剖析材料研制的科学背景和人文氛围，给现代科学工作者从事创新以启迪。本书并没有局限在材料本身，而是尽量与能源、机械制造、信息、生物等领域深度交叉，说明功能材料所发挥的性能对经济、国防、社会生活多方面的贡献。本书还提供了功能材料大事年表和有关科学家的索引，这大大扩展了读者的视野，又方便了读者的检索。这是工作量很大的事，体现了作者的良苦用心。郝士明教授从事材料科学的研究与教学多年，又是一位丰产和资深的科普作家。在本书里，他以渊博的学识，纵贯历史的视野，总览自然与科学、人文与社会的大局观，为读者呈现了一个“平面的功能材料博物馆”。科学理念是社会文明不可或缺的部分。对方兴未艾的功能材料的解读将成为广大读者与材料科学工作者神奇的桥梁。中国科学院金属研究所研究员中国科学院院士2016年4月7日前言功能材料从材料总体中分离出来，是材料科学达到成熟阶段的诸多标志性事件之一。这是由美国贝尔实验室一位非材料专业的教育委员会主席莫顿博士于1965年提出的，他还创造了“功能材料（functional material）”一词。莫顿虽然是一位无线电专家，但他的主张却很快得到了各国材料界的认同。此后多年，纳米科技、智能材料等名称的提出也都是非材料学者所为。提出实现光纤通信标准的高锟是一位电力通信专家，与光纤材料制造也全不相干。这些似乎说明一个道理：材料领域外的学者们更敏感于材料性质变化的意义。这可能与身处“庐山之外”有某种因缘吧？功能材料的发展史，当然不是自1965年起始，要久远得多。由于它涉及的性能极其广泛，而且还有与日俱增之势，因此相关学科也更加繁多，历史其实也十分漫长。所以，撰写一本与功能材料历史有关的书，会令很多人望而却步。而且越是功能材料领域的专家，就越会多一份慎重。这就是至今尚缺乏这类作品的原因。从退休之后，我开始逐渐远离原来的研究，而成为了一个材料史爱好者。也就是由一名力图创造材料知识的人，变成了一个对前辈和同行们卓越贡献的欣赏者。这种角色转换，其实也有很多乐趣。有时也会产生要把一些心得体会与同龄人、学生、后辈和青年人共享的冲动。这就是老年爱好者进一步演变成科普积极分子的心路历程。爱好者多会有不计毁誉的冒失行为，这想必能够得到专家们的谅解，在这种自我宽慰的心理驱使下，我开始想把退休后学习材料发展史的体会整理成书。这一想法恰好赶上了2012年中国科协科普部和教育部科技司对科普创作的大力提倡；因而科普写作受到了东北大学各级领导的积极支持和热情襄赞。特别是拙作《材料图传》出版后，得到同行和读者们的肯定性评价，我的信心也得以提升，于是决心把有关功能材料发展历史的学习体会也以图书形式总结出来，这就是本书撰写的由来始末。我虽然一生都没有离开过材料领域，但与功能材料只有很浅的机缘。一是年轻时我曾给金属材料专业本科生讲过一门“金属与合金的物理性能”的课程；二是中年在日本攻读博士学位时，导师指定的研究题目是“铝镍钴永磁材料的两相分解原理解析”。这些经历成了后来我功能材料情结的起源，希望能做点与它有关的事情。不过，当真的要把这些浅见微识扩展到整个功能材料领域时，内心还是充满了惶恐。所以，写作还主要是靠退休后的继续学习，也感到学习兴趣居然有向信心转化的神奇作用。这期间，我在学习中还注意到，我国科技书籍和相关教材，在知识叙述上一般存在如下两个问题：一是欠缺时间记载，二是缺乏人物行为。多数论著一开始就是概念、分类，使知识呈现出一种“平面感”，而缺少了时间维度；另外，由于经常缺少创造这些知识的主体：科学家、工程师、工匠的出场，知识少了些“烟火气”，多了些“冰冷感”。越是叙述近期知识，这些问题越是明显。我想借此机会，对这两点缺憾有所弥补。在介绍历史性成就时，著名研究机构、著名学术权威一般不容易漏掉。但是，非著名学术团体的非著名人物，就有可能缺失。例如，在介绍2001年超导临界温度高达39K的MgB2金属化合物材料的发现时，对发现者及其大学都很少有人提及，其原因只可能是这所大学和发明人都名气太小。人们似乎这么快就忘记了：29年前1987年高温超导世界性大会战中，获得诺贝尔物理学奖的IBM科学家缪勒和柏诺兹，当时也是名不见经传的超导界新人。我们任何时候都不应该轻视新生力量和年轻人，述史者尤其应该如此。这本“图传”是当前“读图时代”的产物，网络上广泛流传的大量图片资源，成为本书的主要选材对象。特别是对各时期功能材料的发展做出重大贡献人士的肖像，全部来自于网络。因为历史等原因，这些引用均没能获得相应的授权。除了向这些图片的原作者表示衷心的感谢之外，也表示深切的遗憾和歉意。对参考书目中的相关作者，也一并致以崇高的敬意和衷心的谢忱。面对如此巨大的题材、如此重要的目标，本书的结构很难安排。最终只好坚持了服务于阅读的设想：最大程度地方便阅读，使读者可以随时起止。可能因此牺牲了很多更科学的选择，也只能无奈抱憾。此外，写作过程中作者深切地感到了才疏学浅，深望读者诸君、海内外学者，对于书中的差错和失误不吝赐教，及时指出，以冀有机会修正，不胜感激。2016年5月作者谨识于本书只涉及材料发展史的一个局部。如果仅从材料数量来看，这部分也许是微不足道的。以至于在材料发展的长河中，最初很少有人单独关注它们的存在；后来，人们开始重视它们了，却又觉得那不过是些发生未久的事情，还谈不上什么历史。这里所说的就是后来被称作功能材料的部分。“功能材料”这个名称，是1965年由美国的无线电科学家莫顿博士提出的，至今有半个世纪了，已经可以正式地回顾一下历史了。何况，这50余年仅仅是有了正式名称之后的时间；作为功能材料，它已经存在了两千多年。在公元前5世纪中国古代文献就已经有了使用天然磁性物质的记载。所以，本书这部分首先讲述1965年以前的历史。这既是功能材料名称出现之前的历史，也与“材料科学”成熟之前的历史阶段大体吻合。故名之曰“功能材料前传”。按分类，这里把具有特殊的光、电、磁、热、声等物理性能，或化学、生物医学性能特征的材料统称为功能材料。但是这个时期的起点却很难选择。如果以使用天然磁性物质的时间作为起点，有如下缺点：一是时间比较模糊，难以精确；二是缺乏关键人物，主体不清；三是“材料”这个概念本应与人工制造的物质的含义相联系的。所以经过对比分析，选择了以伽利略发明望远镜的1609年作为起点。这具有时间精确、人物清晰、材料属于人工制造等特点。另外，也曾考虑过以英国科学家罗杰·培根发明透镜的1250年作为起点，上述特点也基本齐备。但是，如果论及玻璃这种材料正式体现其功能价值、对人类历史产生深远影响的事件，却非伽利略创造性地将玻璃透镜应用于望远镜莫属。也许，第一个造出望远镜者另有其人；但是，伽利略是独立设计并制造出望远镜，并且利用它延伸了人类观察，激活了人类智慧，延拓出无数发明创造的第一人。所以，由于望远镜的发明以及其他贡献，人们称伽利略为“近代科学之父”，是道理昭然的。选择伽利略还有一个理由。在伽利略的时代，学科还没形成，很多科学家现在看来都是跨学科的。譬如，伽利略是天文学家、物理学家、力学家等等。当时还没有材料学和材料学家。天然建筑材料如石头、木头等的梁、柱计算是由力学家们完成的。伽利略在1589年还发明了比重秤，测出了各种合金的相对密度；他还做过悬臂梁实验和拉伸强度测定。所以1638年伽利略的《关于力学的两门新科学的对话和数学证明》一书出版，被认为是“材料力学”开始成为独立学科的标志。如果要在16~17世纪之交选一位与“材料”有关的科学家，伽利略也是最合适的。最后，还必须说，伽利略开启的是光线的学问，由光线传来遥远空间以及浩茫古代的信息。到本书最后还将看到，功能材料不仅可以见证光线研究的开始，而且还将一直陪伴我们走向现代“光子革命”。基于以上原因，本书选择了1609年伽利略的望远镜发明，作为功能材料登上历史舞台的标志性事件。透镜玻璃被用作光学仪器的关键部位，是功能材料在尚未被命名之前历史阶段的辉煌起点。伽利略望远镜的发明开启了一个新时代，而且使天文学科处于近代各科学的领先地位。伽利略之后，很多哲学家、数学家的业余爱好居然是竞相制作更好的望远镜；很多富人和贵族的善举是支持建造更大的望远镜。17世纪伟大的丹麦哲学家斯宾诺莎在被迫害后一直靠磨制望远镜物镜为生，并因此结识了著名望远镜发明家、物理学家惠更斯。有人认为，斯宾诺莎的过早去世与吸入过多玻璃粉尘有关。20世纪初的富商约翰·胡克赞助了当时世界上最大口径254厘米天文望远镜的建设，条件却只是用他的名字命名这一望远镜。这种时尚居然延续几世纪而不衰。当然，望远镜的改善不只是缺少资金与人力，建造更好、更大的望远镜，还有一个更重要的问题：必须解决物镜材料问题。17世纪初，玻璃透镜为伽利略、开普勒的望远镜发明提供了基本条件。但是30年后却发现，玻璃透镜难以获得更高分辨率。色差造成的成像模糊成为难以逾越的障碍。减小物镜色差唯一的办法，就是尽量增长物镜焦距。17世纪诞生了一批长达40多米的折射望远镜。这样长的望远镜已无法制作镜筒，望远镜的操控也因此非常困难。到18世纪初期折射望远镜已几乎走到了尽头。伟大的牛顿认识到透镜色差起因于色散，透镜就是厚度连续变化的棱镜，有色差是必然的，牛顿因此得出色差无法克服的悲剧性结论。但是，牛顿没有止步在利用透镜成像这条道路上。他明白，还有一条成像之路可走，那就是凹面镜成像。现在已无法知道，当时牛顿是否了解，遥远的中国人早在公元前5世纪就利用青铜制作凹面镜（阳燧）收集日光，在焦点处点燃易燃物以取火了。不过，现代欧洲人确实承认：铜镜（包括凹面镜）是古代中国人发明的。1668年牛顿设计并亲自制作了以青铜凹面镜为物镜的反射式望远镜，所以完全避免了色差。主要缺点是物镜要受一定遮挡，影响收集光线；铜镜的反光率也不高，当时只有19%左右，所以成像不够明亮。但牛顿开辟了一条彻底解决色差之路，让人们看到了希望。改善铜合金，增大反射率；增大物镜口径，提高集光量是反射望远镜的目标。18世纪英国天文学家赫歇耳在这条道路上走得最远，成就最大。他先后制作了口径15厘米、23厘米、30厘米、102厘米的青铜反射望远镜，集光量比牛顿制作的增大了1600倍。由于获得了最佳青铜成分，反射率也提高很多。赫歇耳给天文学带来了空前的大发展。玻璃透镜并没有退出物镜舞台。18世纪中期一位英国律师霍尔创造性地利用不同材料的色散差异设计了消色差透镜，后经多龙德的实践，在18世纪晚期已经成功地制出了消色差物镜，并在19世纪带来了折射望远镜的再度辉煌。辉煌的顶点是由美国望远镜建造巨人海尔主持创造的。在克拉克父子两代光学玻璃大师的努力下，于19世纪末创建了叶凯士天文台口径102厘米的空前的折射望远镜记录。消色差物镜也使显微镜从此走出了落后于望远镜的困境，在19世纪创造出显微镜的辉煌时期。照相机镜头也是在消色差透镜的基础上才走向成熟的。19世纪是光学玻璃大发展的时期，造就了第一个功能材料群体问世的辉煌历史。到19世纪中期，青铜反射物镜也走到了尽头。法国物理学家傅科等创造了在玻璃上蒸镀银膜的技术，使玻璃又重回物镜舞台，但这次它仅是金属膜的支撑体。美国海尔在20世纪初利用这种新技术，不断创造出一个个反射望远镜之最，直到口径达到508厘米之巨。1.1.1　伽利略开启的伟业

L：老师！把伽利略推崇为功能材料第一人，是否离大家的认知远了一点？

H：我看不远。当然，在伽利略生活的16~17世纪，还没有“材料”的概念，这时即使使用“材料”一词，也与“物质”大体同义。公认伽利略奠基了“材料力学”，其含义也只是“关于固态物质的力学”。17世纪初的欧洲，冶金业还很弱小，矗立在人们面前的宫殿、神庙，都是用天然材料石块、木头等制成的。这时的梁柱等力学问题，就是最初材料力学的研究对象。所以力学家就是当时的“材料学家”。

L：老师的论证是否有点诡辩意味了。就算伽利略是当时的材料学家，怎么就能称他为“功能材料”的第一人呢？依您说，连材料的概念还没有，何谈功能材料？

H：所谓称呼，其实都是后人决定的。当时还没有材料概念，当然更没有功能材料概念。不过，如果说伽利略是物理学家、力学家你大概不会有意见吧？其实，这些“××学”的“学科”概念当时也没有，这些“××家”的尊号，也都是后人在有了“××学”之后追加上去的。我们根据后来功能材料的出现，再给伽氏追加一个功能材料第一人的尊号又有何不可呢？虽然玻璃不是伽利略发明的，最初玻璃只是人们的装饰品，与宝石同类。12世纪欧洲有了商品玻璃，1226年英国首次制出平板玻璃。在伽利略之前玻璃只是一种透明物质。但是是伽利略把玻璃制成透镜，再用两种不同的透镜制成望远镜。你说，是不是伽利略最早把玻璃作为功能材料来应用的啊？

L：这个“最早”还是有争议的吧？听说1595年荷兰眼镜制作工匠詹森父子就声称发明了望远镜，荷兰的李普希1608年也曾申请过望远镜专利。这些不是更早吗？

H：你说得不错。我们应该记住詹森父子和可敬的汉斯·李普希（Hans. Lippershey）。据说他们不仅制作了望远镜，而且可能还制作了显微镜。可惜，他们没有留下遗物，甚至也没有像达·芬奇那样留下设计的图形。他们无疑是更早的奠基者，是伽利略的先驱。但是，作为一种伟大科学仪器的创始者，我们只能从伽利略讲起。因为伽利略不仅只凭听到的信息，开始了独立的制作实践，留下了后来人们看到的宝贵的“伽利略望远镜”实物依据。更重要的是：伽利略开始了更宝贵的科学实践活动，并最终留下了开启人类智慧的研究成果。正因如此，称伽利略是望远镜的发明人，称他是将玻璃用作功能材料的第一人是有根据的，也是名副其实的。

L：不过伽利略的研究是以利用透镜为起点的。那谁是最早的透镜发明者呢？

H：问得好！公认的透镜发明者是英国科学家罗杰·培根（Roger Bacon）。他在1250年发明了玻璃透镜，测定了透镜的焦距并研究了成像条件等。罗杰·培根甚至还预言了望远镜、显微镜的出现。但是请注意：一句广为世人传诵的名言——知识就是力量却是另一位英国哲学家弗朗西斯·培根在1620年提出的。罗杰·培根的研究还没有导致科学仪器的发明，当然也没有使人类对世界的认知产生飞跃。

L：那么，该怎样评价伽利略开启的伟大事业和他对人类认识世界的贡献呢？

H：这恐怕是怎样评价都不会过分的。他创造了可以延伸人类视觉的科学仪器，用以观察目力所不及的周围世界。400多年来，望远镜以目不暇接的速度在更新我们对周围世界、对地球、对太阳系、对整个宇宙的认识，更新我们的世界观。这是没有任何一种科学仪器能与之相比的。作为功能材料第一人的伽利略，虽然还没涉及他在近代科学上的其他贡献，但是仍然可以看出，他对人类智慧的贡献实在是太大了！1.1.2　开普勒的贡献

L：伽利略的望远镜取得哪些伟大成就呢？ 400多年来一直让人如此津津乐道！

H：伽利略在发明望远镜的第一年，即1609年就把它指向了月亮。世界很多民族都把月亮描绘成美丽的乐园，但伽利略很失望，他只看到了充满暗影与疤痕的世界，和一个个后来被称作环形山的圆形山脉。伽利略还把望远镜指向了璀璨的银河，那也是充满遐想的地方，但他只是看到了更多的星星，更暗的星星，并没有其他细节。他告诉人们这里仅仅是星星更密集的地方。1610年1月7日，伽利略用望远镜观察了木星，他看到三颗小星在围绕木星转，几个小时就会感受到位置的改变。后来发现这样的小星是4颗，它们被称作伽利略卫星。这个发现很有意义，证明并非所有天体都绕地球转，这是对地球中心说的一次挑战，也就是对哥白尼地动说的一个支持。

L：教会能容忍伽利略吗？挑战亚里士多德都要受惩罚，支持哥白尼能允许吗？

H：伽利略还有更离经叛道的发现。1610年他发现了金星的盈亏现象，这只有承认金星绕着太阳转才能解释。1612年，他正式公布发现了太阳黑子，并因此可以确定太阳大约一个月自转一周。这些发现不仅与教会主张太阳洁白无瑕正面冲突，而且为哥白尼学说提供更多根据。统治着欧洲意识形态的教会终于被激怒了。1613年，哥白尼的《天体运行论》被宗教法庭列为禁书，伽利略也受到警告。1632年宗教法庭把伽利略传到法庭并判罪，1633年伽利略被判处终身监禁。1992年10月31日，伽利略蒙冤360年之后获得了梵蒂冈教皇的平反。教皇约翰·保罗二世说，当年处置伽利略是一个“善意的错误”。他说：“永远不要再发生另一起伽利略事件。”

L：承认错误应该欢迎，只是太晚了。教会就不该干预科学！开普勒贡献了什么呢？

H：这里不说行星三定律，还是说望远镜！伽利略望远镜的目镜是凹透镜。由于凹透镜用来观察虚像，所以伽利略望远镜看到的是正像，更适合观看地面目标。很长时间它也被用作“观剧镜”。直到现在，小倍率的儿童玩具还在使用伽利略望远镜。但是，伽利略望远镜不适合制作放大倍率很大的望远镜，因为凹透镜目镜使得视场变小，放大倍率越大视场越小。伽利略在用他的32倍望远镜观察月亮时，已经看不到整个月面，视场小于0.25°。既很难寻找观察目标，也不利于观察比较。针对伽利略望远镜的这一问题，1611年开普勒发明了使用凸透镜作目镜的望远镜，使得同倍率的望远镜视场获得大幅度提高。只是，这时观察到的是倒像。但是对于天文观察来说，倒像与正像并没有太大差别，也没有不方便。这种望远镜也称作“开普勒望远镜”。从此以后，高倍率望远镜全都是开普勒望远镜。物镜和目镜都是凸透镜，统称折射望远镜。

L：那么，观察地面目标怎么办哪？人倒着，看起来多难受啊？

H：后来，通过棱镜组的多次反射也可以使开普勒望远镜获得正像，这时镜筒就变成了折线形状。使得物镜焦距很长的望远镜，镜筒可以缩短。这就又涉及另一种玻璃功能材料——反射棱镜材料。反射棱镜材料质量的提高，也会直接影响到望远镜的质量。因为棱镜不仅要反射光线，也要透过光线。同时具有高反射率和高透射率是这种材料的性能目标。通过将棱镜组设计成特殊的形状，也可以在保持镜筒为直线的情况下，实现倒像变正像。但必须强调一下，望远镜的高端是天文望远镜，这里完全用不上棱镜组。最关键的问题是增大物镜的口径，收集更多光线，提高像的亮度，提高像的分辨率。核心问题是提高物镜材料的质量和性能。1.1.3　透镜色差困难

L：开普勒望远镜发明后，天文观察最关键的物镜在材料上遇到些什么问题呢？

H：问题虽然是多方面的，但首先是要彻底消灭玻璃的色彩，使之成为无色固体；其次是提高纯净度，消灭各种夹杂、气泡；还要消除各种应力，提高均匀度等。这是为了使光线能充分透过物镜，形成明亮清晰的“像”，再通过目镜放大观察这个“像”，达到“望远”的效果。这是透镜材料学的最初任务，应该说，很快基本完成了。

L：怎么是基本完成了呢？还有什么问题没有解决吗？

H：有！而且是难倒了伟大科学家牛顿的问题。在伽利略和开普勒相继制造出的折射望远镜中所观察到的“像”，并不能与“物”完全一致。这包括形状和颜色两个主要方面。把这种不一致统称作“像差”。在用放大镜观察物体时，大家都会有把正方形的四条直线看成曲线的经验，这就是一种像差，称作“像畸变”。这时，像是清晰的，只是形状改变了。像差中最令人头疼的是色差，它使得像不能清晰。因为在17世纪前期，对于为什么不同的物体会有不同的颜色，还没有统一的令人信服的解释。但是，人们相信亚里士多德的说法：全反射的物体是白的，全吸收的物体是黑的。总之颜色不是物体固有的属性，应该与光线有关。

L：您还没有解释到底什么是色差，怎样产生的？是怎样难倒了牛顿的？

H：那还是要先说清颜色与光线的关系。所谓色差，直观地说是望远镜观察到的像的边缘呈现彩色状，因此边缘模糊不清。放大倍数越高，色差会越明显。参看观测金星时的色差，这需要很高的倍数。色差导致像的清晰度和分辨率降低，是提高望远镜质量的障碍。这是前面所述提高透镜玻璃质量的各种手段所无法解决的。1664年起牛顿研究日光通过三棱镜的色散现象。明确了所谓白光实际上是一种混合光线，包含了红、橙、黄、绿、靛、蓝、紫等各种颜色。世间万物的各种颜色都来源于对它们的选择性反射。牛顿还指出，不同颜色光线的折射率是不同的，因此通过棱镜折射时产生了色散。1666年牛顿进一步指出，正是色散造成了色差。由棱镜和凸透镜的断面对比可以看出，凸透镜可以看成是由很多个梯形断面的棱镜组合而成的。因为不同颜色的光线通过透镜时的折射率不同，所以不可能精确地聚焦于同一点上，于是产生了色差。

L：这不就是说，亚里士多德的结论虽然粗糙些，但基本思路是正确的吗？而且正是牛顿解决了色差产生的原因！怎么说是难倒了牛顿呢？

H：是的！牛顿弄清了色差的原因。但是牛顿也认为，既然色散是不可避免的，那么色差也就是不可避免的，是无法解决的。后来的研究发展表明：色差无法解决的判断是不正确的。而这个判断与牛顿的一次粗心实验有关：他在一个棱柱形玻璃容器里注满水，与一个实心玻璃棱柱做折射率和色散试验，结果是折射率与色散相同。牛顿进而推断：所有透明物质都以相同方式折射不同颜色的光线。当时有一位名叫卢卡斯的研究者已经测得了：不同玻璃折射时的色散程度是有一定差异的，并把结果告诉了牛顿。但是却没有引起牛顿的注意。他这一次粗心，终于导致了色差无法解决的结论的产生。

L：原来是这样。牛顿也许在考虑更重大的问题，才没有去关心色散的细微差异。

H：也许如此。但是，牛顿的这个结论影响是巨大的。它使得消色差技术在一个世纪之后才诞生，也使得望远镜的发展方向随之发生了极其重大的转变。而且，这个方向转变非但不容指责，实际还是一次伟大进步。1.1.4　赫维留斯等的努力

L：既然不能消除物镜的色差，折射望远镜还能够继续向前发展吗？

H：由于伽利略的天文发现实在太引人入胜了，因此在欧洲各国涌现出一批利用望远镜观察天空的人，而且他们竞相提早报道研究结果，以求名垂青史。例如，德国的克里斯托弗·沙内尔1612年发表了关于太阳黑子的观测结果，使得伽利略不得不提前宣布自己早些时候的研究结果。并指出，沙内尔关于黑子是靠近太阳的小行星的解释是错误的，黑子应该是太阳本身的表面现象。伽利略的正确解释为自己赢得了发现太阳黑子的光荣。因此，科学家们竞相提高自己望远镜的水平，以求进一步看清细节。面对色差的拦路虎，他们探索出一条不得已的办法：增长物镜透镜的焦距。也就是降低透镜的表面曲率，使得光线的折射发生得更缓和些。

L：这怎么能说是不得已呢？望远镜的放大倍率不就是物镜焦距除以目镜焦距吗？增加物镜焦距，可以提高放大倍率啊！这应该是个好办法啊！

H：对于天文观测来说，单纯提高放大倍率意义并不大，这以后还会提到。何况，目镜也需要减小色差，也需要增加焦距，结果是望远镜必须做得很长。望远镜太长后操作起来很不方便。但是为了使自己的望远镜能更清晰，这种不方便就只能忍耐了。这时，人们的第一个观察目标是地球的最近邻——月亮。为了能清楚地观察月亮，波兰科学家赫维留斯像他的同乡哥白尼一样，做出了惊人之举。1641年他建造了一台长达46米的开普勒望远镜。这样长的望远镜一个人是完全无法操作的。而且这样长无法制作镜筒，在不使用镜筒的条件下，刚度极难维持。就是说，目镜对准物镜已经很难，要瞄准观察目标，操作的困难是难以形容的。前辈科学家没有任何功利目的支配，受探索未知世界热情驱动，为科学献身的精神由此可见一斑。

L：月亮是要东升西落地整日运动啊！那么长的大家伙，瞄准能跟得上吗？

H：说得对！这是所有天文观测都要遇到的大问题。彻底解决这个问题是在200年之后，使用赤道仪通过自动化电动跟踪实现的。赫维留斯他们当时的观察，只能静静地等待月亮通过视野的那短暂的时间。放大倍数越大，通过视野的时间越短，往往只有几十秒的时间。这还是以事先能做到精确瞄准为前提的。

L：那么赫维留斯的超长望远镜是否达到了预期的减小色差的效果了呢？

H：这里还是先来介绍一下这位波兰科学名人。赫维留斯早年在荷兰学习法律，后游学于英国和法国，23岁返回故乡格但斯克。1636年加入啤酒酿造协会，七年后成为协会领导人。40岁成为市议员，后又成为市长。他终生在格但斯克市管理层工作。28岁以后他的兴趣转向天文学。30岁时在自家房顶上建了一个天文台，在夫人的协助下，测定了全天星图。在建造了超长望远镜后，赫维留斯于1641~1645年研究记录了月球的表面形态，后被誉为“月球表面形态学创始人”。他首先发现了月球经度方向的“天平动”现象，是天文学史上的著名人物。简单一句话，他用超长焦方法减小了透镜玻璃色差，艰难地取得了预期的成功。

L：那么赫维留斯应该是第一位绘制月面形态图的人了吧？

H：如果把伽利略也算上，第二位是法国人（1630年代），赫维留斯虽以1645年居第三位，但准确度、详尽度都应列首位。不过罗马教廷偏爱一位叫里西奥利（Riccioli）的意大利科学家，因为他反对哥白尼。虽然里西奥利的月面图1647年才绘出。但月面形态的名称如静海、澄海、第谷等，都由赫维留斯的命名改用了里西奥利的。1.1.5　折射望远镜艰难前行

L：赫维留斯之后，科学家们在克服像差特别是色差方面，又做出哪些成绩呢？

H：17世纪是折射望远镜诞生的世纪，也是艰难前行的世纪。所谓艰难前行是在物镜材料上没有取得突破性进展。但是，科学家在消色差透镜出现之前仍取得了令人欣慰的成绩。先是通过目镜设计大幅度减少了目镜色差。这是由透镜之乡的荷兰科学家惠更斯完成的。惠更斯是伽利略与牛顿之间的全能科学大师。其贡献主要在光学和摆动力学，他是光波动说的代表人物，是动量守恒定律提出者。像那个时代的科学大师一样，惠更斯自己创制各种研究仪器。他自幼聪慧，13岁曾自制一台车床，表现出超强能力。34岁被聘为英国皇家学会第一位外国会员。1655年他与哥哥一起，磨制玻璃透镜镜片，制作了显微镜和望远镜。他发明的小色差“惠更斯目镜”，一直用到今天。

L：原来惠更斯也是位钟情于功能材料的大师。他的望远镜水平如何啊？

H：简单说，是消色差物镜出现之前的最高水平！他磨制的透镜可以最大限度减小像差，包括球差与彗差等，靠增大焦距减小色差。他曾造出了长达37米的开普勒望远镜。不仅如此，为了解决镜筒困难和因风引起的颤动，1655年他设计了无镜筒超长“隔空望远镜”：物镜短筒被安置在稳定的高处，用长线调整角度，使之与地面的目镜短筒保持在一条直线上，以实现对目标的观察。这种超长的隔空望远镜虽然操作十分复杂，需要极高的技巧，但仍使用了近一个世纪，取得了令人赞叹的成就。17世纪著名荷兰哲学家斯宾诺莎曾有名言：正如光既暴露了自身，又暴露了周围的黑暗一样，真理既是自身的标准，又是虚假的标准。斯宾诺莎 在遭遇迫害期间，靠磨制透镜维持生计，因此结识了惠更斯，被后世传为名人交往的美谈。

L：请举出几个突出实例，展示一下惠更斯等科学家们艰苦奋斗的成果。

H：当时望远镜的主要研究目标集中在探索太阳系内的奥秘。伽利略曾注意到当时太阳系最外层的土星两侧似乎各有一个小星，像是老年人的侍者，但又看不清楚。1656年惠更斯用放大150倍的望远镜终于看清楚了：那是一个很大的扁平光环。这个绝无仅有的形状震惊了全世界，至今土星光环的美丽动人仍让人叹为观止。但是，惠更斯也无法解释这光环究竟是什么。他还发现了土星最大的卫星，取名泰坦（Titan，与金属元素钛、著名失事游船泰坦尼克同名），学名土卫6，每16小时绕土星一周。现在已知，这是一个与地球十分相似的世界，被寄予“地外生命”的希望。

L：泰坦上真的会有生命吗？也会有动物吗？这太有意思了！

H：已经跑题了。在消色差物镜出现之前，超长望远镜还有一个令人兴奋不已的成果，那就是光速的估算。1670年代在巴黎天文台工作的丹麦科学家罗默注意到，木星的4颗最大的卫星——伽利略卫星，已被精确地记录下运行规律。木卫1至木卫3围绕木星的运动周期都少于1个星期。木卫4也只有16天，都远小于月球绕地周期。木卫1至木卫3都可能被木星遮掩，即发生“木卫食”现象。也都有经计算推测的木卫食时刻表。细心的罗默发现，地球处于接近木星的T位（见图版）时，木卫食时间提前8分多；地球处于远离木星的T'位时，木卫食时间迟到8分多。罗默认为，这种木卫食的提前或推迟，正是由于光行走路程不相等的结果。路程之差为太阳与地球间距离的2倍，计算结果：光速为225300千米/秒。这与现代实测真空光速299792千米/秒相比，只低24%，是个极辉煌的成就。因此，人们也知道了光线由太阳到地球的时间是8分多。1.1.6　牛顿开辟新路

L：牛顿认为色散导致色差，色散既然不可避免，色差也不可避免。这没有错啊！

H：是的！色差不可避免是没有错的，但是实际透镜的色差是有办法消除的。这话以后再谈吧。令人高兴的是，牛顿绝非常人。他虽然没有继续探讨透明玻璃之间的色散程度之差，可以用来消除实用透镜的色差；但是，他也并没有认输。他在想更有意义的事：透镜成像时的色差很讨厌，难道只有透镜能成像吗？再没有别的成像方法了吗？我们每天照的铜镜里不是也有像吗？反射也可以成像啊！反射并没有色散，也应该没有色差啊！顺着这个思路想下去，牛顿终于豁然开朗了。在1666年牛顿认定色散导致色差两年后，1668年他成功制出了反射镜成像的望远镜。这是一条有无限前景的思路。这是物镜材料的大转移、大变化！由透明到不透明，由玻璃到金属。

L：怎么是金属？镜子不也是用玻璃制作的吗？当时没有这种镜子吗？

H：1508年就有了水银玻璃镜。但是这种镜子不能用来制作望远镜物镜。因为水银层反射前后都要透过玻璃，无法保证成像质量。17世纪的直接反射镜，还都是铜合金制的，这是人类最早创造的金属材料。现在欧洲人承认，世界最早的镜子材料是中国人发明的。英国皇家学会详细记录了牛顿当时对选用什么材料来制作反射镜的总结评述，十分珍贵。牛顿评论道：“镜用合金通常都有微缩孔，这只有在显微镜下才能看见，在抛光时已能显现，影响成像质量。”他还指出：“将铋混入钟铜会使其变成白色，但会生成气体造成微缩孔。……砷可以使金属变白，变密实。”后来，皇家学会还做过以钢为反射镜的实验，也采纳过胡克的建议，即采用造币厂的塑性变形后的银盘来制作反射望远镜的物镜。因为早在1550年庞特就已经指出，银可以制作反射材料。

L：那么，到底牛顿是用什么金属制作的反射望远镜物镜的呢？

H：现在查不到明确的记录。但是，这已经不太重要。最重要的是这架像玩具一样的反射式望远镜，如同伽利略的发明一样，石破天惊般彻底改变了人类对望远镜的思考：不必停留在透镜上！后来反射式望远镜居然变成了天文望远镜的主流。望远镜的口径从5厘米增到15厘米、50厘米、500厘米甚至数千厘米，不断攀升发展进步。当然也包括物镜材料的继续变化。牛顿正是这一伟大变化的第一推动者。不过，话说回来，我推断牛顿的反射镜材料还是铜基合金。而且对这位伟大科学家的冶金学经验还真不敢过分恭维，也许还赶不上中国东周时期的工匠水平。

L：这架反射式望远镜还有两个部分：平面反射镜和目镜，用的是什么材料啊？

H：这些虽是辅助部分，但也很重要。反射物镜所收集的全部光线都要通过这块平面反射镜送达目镜，使我们看到形成的像。平面反射镜材料应该与物镜是一样的。至于目镜我推测应该会使用惠更斯目镜，这时惠更斯目镜已发明十年。惠更斯也访问过英国，并与牛顿相见，而且惺惺相惜，惠更斯对这位比他小14岁的科学巨人十分钦佩。尽管前面把牛顿的发明赞美了一通。但是，像一切刚出世的新事物一样，这时的牛顿反射望远镜还很不完美。色差是没有了，像的边缘很清晰。但是，其他像差如球差、畸变等还会出现；更重要的是并非进入望远镜的光线全都参与成像，只有被反射的光线才能参与成像。反射率越低，像就越暗淡。当时牛顿得到的反射率只达到19%，像的亮度可想而知。还有物镜很容易锈蚀，要经常重新抛光，才能保持反光率。但是，牛顿把原理问题解决了，剩下的技术问题一定会有人想出高招的。1.1.7　中国对反射镜材料的贡献

L：您是说古代中国的反射镜及材料研究吧，这些与牛顿的研究有传承关系吗？

H：直接的传承确实没有记载。但是同为地球上的文明，也很难说毫无关系。我们可以顺便领略一下东方文化的发展模式。甚至可以反思一下我们近代落后的原因。早在公元前5～前4世纪，在诸子百家中独树一帜的墨家不以说服国君、谋求官职为务，而是以方兴未艾的手工业为主要谋生手段。首领墨翟是鲁国的机械手工业者，精通木工。墨家多直接参加劳动，接近自然，热心自然科学，有点像今天的独立知识分子。墨家门徒传承的经典《墨经》是《墨子》一书中的重要部分，有《经上》《经下》《经上说》《经下说》四篇。《经说》是对《经》的解释或补充。

L：《墨经》很不好懂。我有个问题：他们为什么要研究凹面镜成像呢？

H：还是需求牵引之故吧。当时阳燧取火一定是很先进的技术，相当于前些年的自动点火器。手工业者的墨家相当于今天的工程师，当然要研究了。鉴洼（凹面镜）的中，相当于凹面镜的焦点，“景”就是物的“像”。景大而正，是说放大而成的正虚像；景小而易，是说像变小而且方向也已改变。说在中之内外，是说像的倒正大小取决于物在焦点的里边还是外边。你看，对凹面镜成像规律的描述是多么正确啊！

L：是很正确，很了不起。可惜没有当时关于阳燧取火的记述啊。

H：有啊！当然不是《墨子》或《墨经》，而是传说成书于春秋时期的另一个经典《周礼·秋官司寇》。其中有“司烜氏掌以夫燧取明火于日”的记载，应该是比《墨经》更早的。东汉经学家郑玄明确地解释“夫燧”即为阳燧。这说明先有阳燧应用，后有凹面镜成像研究。这一顺序也是合理的。成书更晚的西汉时代刘安所著《淮南子·天文训》中，更明确地说明了阳燧取火的功能。就是说，即使牛顿的研究与中国人关于凹面镜的研究无关，阳燧研究也毫无疑问是铜器用于“功能性”用途的早期证据。

L；这些经典虽然明确了“燧”的含义，但并没说“阳燧”就是铜器啊！

H：我们还有经典哪！成书于春秋时齐国的《周礼·冬官考工记》中有“金有六齐”的记载，这里的金就是铜，齐就是指铜锡合金，而且明确指出了合金的成分：“金锡半，谓之鉴燧之齐。”就是说，做鉴燧用的合金，是含锡量最高的铜锡合金。锡含量越高，硬度越高，有利于通过抛光提高反射率。

L：中国古代铜镜经常能看到，汉唐铜镜也不少见。铜制的凹面镜现在还有吗？

H：最早的中国古代铜镜是甘肃广和县齐家遗址的史前出土文物，属于公元前20世纪。距今已4000多年，相当于中原的夏代。至于铜制凹面镜，即古称阳燧的，过去注意得不够。经认真一查，也绝非稀罕之物。保存十分完好的汉代阳燧十分多见，战国以前的阳燧也并不少见。关于《考工记》所描述的锡青铜成分表述，目前学术界的观点还不一致，图版给出了其中一种解读的“六齐”成分位置。不管《考工记》六齐的成分怎样解读，“金锡半的鉴燧之齐”都是含锡量最高的铜锡合金，这是毫无疑义的。

L：真应该赞颂一下我们的祖先。在两千多年之前，就在干着与牛顿相似的工作，只是成像的用途不同，要求的精度有些差别。我们决不能有愧于祖先，一定要重新振兴中华先民敢为天下先的创新精神。

H：说得好！从这节起，金属上升为光学材料的主流，尽管这一用途现在已成陈迹，但大家应记住，金属的反射性能在当时和现在都是事关科技前沿的大事。1.1.8　反射镜大放异彩（上）

L：在1660～1670年代牛顿发明反射式望远镜后，立即出现研究的追随者了吗？

H：并没有。这期间还出现过1672年卡塞格林式的抛物面反射物镜和1674年胡克制造的格利高里式反射望远镜，这些都属于向色差挑战的尝试。与已经由惠更斯等发展起来的折射隔空望远镜取得的成功相比，这些尝试还不具备淘汰后者的实力。直到1721年英国数学家哈德利制作出口径15厘米的格利高里式反射望远镜，情况稍好些。这样的口径已经与惠更斯等的折射望远镜口径相当，具有与后者一争高下的实力了。它们的长度只有2米左右，操作方便会有极大的诱惑力。

L：是啊！不知道这样的口径与焦距是否可以对折射望远镜构成性能优势呢？

H：没有哈德利的观测成就记录。但到消色差物镜出世前的18世纪中后期，反射镜的优势出现了。威廉·赫歇耳和妹妹卡洛琳·赫歇耳完成了这个伟业。当时折射望远镜还处在超长焦隔空式阶段，即使到消色差透镜出现的18世纪末，口径也很难超过10厘米。而反射望远镜可做得更大，因为铸造大块金属要比制造大块优质光学玻璃更容易，经验也更多。况且，玻璃透镜必须整体完好无瑕，而金属反射镜只要镜面形状准确、有足够高的反射率即可。应该介绍一下赫歇耳家族，这个家族影响天文学长达一个世纪。威廉·赫歇耳和妹妹卡洛琳其实都是音乐爱好者，他们出生在德国的汉诺威（当时归英国管辖），由于厌恶战争，威廉逃离了军队乐团，回到了英国本土。威廉靠教儿童音乐谋生，卡洛琳天生一副好歌喉。在父亲影响下威廉很早就迷恋上天文，这时他一边教妹妹英语，一边磨制青铜镜片，小十二岁的妹妹成了他各方面的助手。1776年他们合作制成了口径15厘米的牛顿式反射望远镜。1781年3月12日他们用这台望远镜发现了太阳系中比土星更远的新行星——天王星。这一辉煌成就，轰动了全世界。而这个物镜的青铜成分正是威廉自己研究成功的。

L：原来赫歇耳兄妹只是业余的天文学爱好者，还兼冶金，一直都是这样吗？

H：是的。天王星的发现震惊了英王乔治三世，也改变了赫歇耳兄妹的命运。乔治三世不仅宽宥了威廉早年擅离军队的过错，还任命其为宫廷天文学家，从此威廉可以不再靠音乐谋生而专心天文学研究了。其实天王星还改变了反射望远镜的命运，由于天王星的发现，人们进一步认识到提高分辨率和提高目标亮度的意义，这些都要求增大望远镜口径。青铜制作更大尺寸反射物镜的困难，远小于玻璃透镜的制作。在这一轮口径尺寸的竞争中，反射镜胜出。1782年下半年，威廉应国王邀请，移居伦敦附近。4年后他成为研究银河系结构的权威，首次提出银河系的盘状结构。三百年前哥白尼将地球逐出了宇宙中心，如今，赫歇尔又将太阳从任何带有特殊意义的位置迁移出去。

L：就是说，天文学家依靠望远镜物镜尺寸的增大，在把研究对象不断向远处延伸，现在不仅超越了太阳系的外缘，还将深入到银河系，并进一步伸向更远的深处。

H：正是这样。实际上，物镜尺寸在决定着研究空间的尺度。而物镜尺寸又与物镜材料有着某种不可思议的关联。所以，在对宇宙的探索中，功能材料有着难以预知的特殊价值，这也是始料不及的。威廉·赫歇耳对铜合金物镜材料做了系统研究，获得了理想青铜镜材料的成分为：铜68.21%，锡31.7%。铜越多时，合金颜色变黄，硬度变低；锡越多时，合金颜色变蓝，硬度增高，反射率增大，抗腐蚀能力增强。但是，合金含锡量超过45%时，变得极脆，难以制作大尺寸物镜。1.1.9　反射镜大放异彩（中）

L：这样说来，赫歇耳兄妹是反射式望远镜及其物镜材料的最杰出人物了。

H：是的。作为一个三代天文世家，还应包括把威廉引导到天文道路上来的父亲老赫歇耳，以及威廉的儿子约翰·赫歇耳。1782年以后由于有了爱好天文的国王乔治三世的支持，他每月有了300多英镑的收入，不用再靠音乐养家糊口，可以专心推行天文计划了。威廉的研究已经突破银河系，开始了对银河系外世界的观察了。已经注意到很多银河系外的目标，也在酝酿着新的望远镜物镜的制作。

L：看来，天王星的发现对赫歇耳是决定性的。人确实是需要偶然的机遇啊！

H：天王星的发现确实带有偶然性。但是，这偶然性由赫歇耳撞上，又带有必然性。天王星被赫歇耳发现时在双子座。这是黄道12星座之一，经常被人观察。1690年以来，天王星已至少被观测并记录了19次，但每次都被误认为是暗恒星而忽略了。见过这颗星的也不乏名人，如英国皇家天文学家布拉得雷（光行差测定者）等大师。结果机会被一位望远镜制造工匠、小城民间乐手、天文爱好者威廉·赫歇尔偶然撞上了。确如笛卡儿所言：机遇只垂青有准备的人。赫歇耳兄妹一共制作了各种尺寸的反射望远镜400架。每架的物镜都由威廉亲自磨制。制作出售的望远镜也至少76架。他也熔制过大量铜合金。每次制作水平都有所提高，在发现天王星时，此星略带蓝色。这没有逃过威廉的眼睛。他更换高倍目镜观察，此星出现边缘，而恒星绝无此特征。威廉以为是发现了彗星，他连续观察多日后，以发现新彗星向英国皇家学会做了报告。很快法国科学家算出其轨道：近乎正圆形。于是，第七大行星被确认了！

L：看来，由赫歇耳发现真不是偶然的。他的望远镜和物镜应该是全世界最好的！

H：正是！观测经验也是一流的。到了1786年，他探测更深宇宙的计划已有很大进展。正式发表了《一千个新星云和星团表》，这里就包括大量银河外的信息。除了少量别人的研究结果之外，收录了他本人的全部新发现。在所有这些繁重的观测中，威廉都得到了妹妹卡洛琳的全力帮助。卡洛琳也放弃音乐完全成为天文学家了。威廉给她一具小望远镜专门搜索和发现彗星。1786年4月，威廉再次移居白金汉郡斯劳。这时他为了证实自己的观测完全可以透过银河，达到更远的星系，计划建一座口径达102厘米、焦距12.2米的大型反射望远镜。威廉亲自制作青铜物镜，望远镜1789年落成。这是18世纪天文望远镜的顶峰，一时间成了备受瞩目的珍奇景观。乔治三世和各国宾客时常前来观瞻。国王所赐津贴，威廉全部用于维护望远镜运转和支付工人的工资。他的经济状况依然拮据，有一段时间不得不继续靠制作和出售望远镜来维持。直到1788年威廉50岁时结婚，娶了一位既十分富有，又对他的研究工作十分理解、倾力支持的寡居女人玛丽，经济情况才有了彻底改观。

L：威廉·赫歇耳漂泊半生、勤奋清苦，老年终有好报，也让人欣慰啊！

H：玛丽还给威廉生了独子约翰，后来子承父业，也成为优秀的天文学家。1821年英国皇家天文学会成立时，威廉众望所归成为首任会长，后来还被册封为爵士。1822年，威廉与世长辞。他84岁的寿命竟恰巧与他发现的天王星绕日公转周期相同。卡洛琳终生未婚，陪伴威廉50余年。威廉的许多发现都有她的功劳，她也有不少独自的成就：发现了14个星云和8颗彗星，对星表做了修订，补充了561颗星的位置。1848年卡洛琳98岁与世长辞，是18~19世纪著名天文学家之一。1.1.10　反射镜大放异彩（下）

L：18世纪的欧洲贵族们大力支持科学研究是附庸风雅还是有利可图啊？

H：这两种说法都是贬义的，是不对的，受“为富必然不仁”的影响太深了。富有者不满足于富，而做善事者大有人在。有益于科学即为善事，一定要问其所图吗？总比大清国里竞相花钱买官依势鬻爵要好得多吧。欧美也确有暴富者“被捐助”的实例，后面再说。这位罗斯伯爵还真是一位功能材料先驱。他为建造一座能超过威廉·赫歇耳的口径102厘米反射望远镜，首先花费5年时间才研究出一种最适合制造反射镜的铜锡合金。为了保证最终目的实现，他从1827年起，先后试铸一片直径38厘米和一片直径61厘米的反射镜；1840年又试铸一片91厘米的反射镜。1842年，伯爵开始最终铸造直径185厘米的反射镜。其面积是赫歇尔望远镜的2.25倍，反射镜铸成后缓冷了16个星期。镜面磨好后，刚要安装到望远镜上就开裂了。他只好重新铸造，直到第五次才算大功告成。为了不影响研究，他还备用了一块反射镜片，重达3.6吨。

L：这位罗斯伯爵对科学还真够痴迷的。他本人真的是一位天文学家吗？

H：是的。威廉·帕森斯1841年子袭父爵，成为第三代罗斯伯爵，后世天文学家普遍称他为罗斯，是一位真正的贵族。在著名天文学家中，门第如此高贵者极少。罗斯的最高理想就是建造世界上最大的望远镜。他将望远镜安置在自家领地比尔，位于爱尔兰岛中央。遗憾的是当地气候不佳并不适于天文观测。望远镜的镜筒用厚木板制成，铁箍加固。镜筒长17米，直径2.4米。为了挡风，镜筒安置在沿南北走向的两道高墙之间。高17米，长22米。因此镜筒只能沿南北方向转动。镜片与镜筒的安装很困难，直到1845年才能测试和使用。现在那里已变成一个著名的观光胜地。

L：罗斯的望远镜除实现了当时最大这个目标之外，取得重要研究成果了吗？

H：为了与赫歇耳一比高下，罗斯观测了赫歇尔曾经研究过的星云。因为口径大，像明亮，确认了赫歇耳没有看清的M51河外星云的旋涡状结构。这是追踪照相技术出现之前的1845年知道的第一个“旋涡星云”。1848年，罗斯发现M1星云内部贯穿着许多不规则的明亮细线，像一只螃蟹，罗斯称其为“蟹状星云”，这个名字一直沿用至今。事实证明，这两项发现在科学史上都有重要的意义。罗斯这架巨大望远镜，通常称为“利维坦”（Leviathan，大海怪）。

L：拉塞尔并不是贵族吧？他的反射望远镜是出于怎样的目的呢？

H：拉塞尔虽不是贵族，却是一位天文爱好者。他在靠酿酒技术致富之后，也想圆一个儿时的梦想。拉塞尔的梦想是建造一架大望远镜。他在1844年参观了罗斯领地，考察了大海怪“利维坦”是如何制造成功的，有何经验教训。实业家出身的拉塞尔要比罗斯实际得多。他没有盲目去追求巨大，而是追求实用。他先在利物浦造了一架口径61厘米的望远镜，取得巨大成功。1855年才建造口径122厘米的反射望远镜。他的望远镜虽然不如罗斯的大，但在实际应用效果上却远远超过了罗斯的。这是因为如下两个优势。首先，拉塞尔率先把夫琅和费在折射望远镜上安装的那种赤道仪装置用到了反射望远镜上，从而使庞大的望远镜操作变得方便自如，既可以瞄准任何天区，又可以跟踪观测目标。此外，他强烈意识到，天文台必须建造在气候适于观测的地方。平民拉塞尔没有领地，倒少了个束缚。他把望远镜运到适宜观测的英国属地马耳他岛。由于法国傅科等这时已发明了物镜新材料技术，罗斯和拉塞尔的望远镜遂成为青铜天文望远镜的绝响。1.1.11　反射镜材料的新变革

H：19世纪中期，罗斯和拉塞尔的大口径青铜物镜反射望远镜标志着青铜物镜最后的辉煌，同时也是尽头。玻璃已在等待再一次登上物镜舞台的机会，以重新创造历史。

L：您是说折射望远镜将因为消色差物镜的开发而重新与反射望远镜展开竞争吗？

H：不是！那是另一种竞争，早已开始了，还没有来得及去说。现在要说的是反射望远镜内部的事。与其说是竞争，不如说是新生，反射镜材料的新生。这要从法国物理学家傅科说起。法国学者傅科在1851年进行了著名的傅科摆实验。他根据地球自转的理论，提出在赤道以外的任何地方，单摆的振动面都会发生旋转现象。他还付诸实验加以证实。因为能巧妙而直观地说明地球在自转，受到了广泛的欢迎。世界各地的博物馆、展览馆、天文馆大厅都有设置。傅科的创造是多方面的。他在短暂的一生中，在诸多方面做出了富有创新意义的贡献。1857年他提出了在玻璃表面镀一薄层银的技术，而银层具有接近100%的高度光线反射能力。

L：我知道傅科摆，北京天文馆就有，很直观也很有趣地证明地球在自转。玻璃镀银应该是化学家的事啊，傅科是位物理学家，看来创造是永远不分界限的！

H：是的！几乎同时，1856年德国化学家冯·里比应用新发现的化学反应，实现了在玻璃表面覆盖一薄银层，进而发明了将银镀到抛光玻璃上的新制镜法。同年德国物理学家冯·斯坦黑尔也使用这种工艺制作了反射镜。1857年傅科向英国天文学界宣读了他的论文《银质玻璃望远镜镜片》。后来，傅科还发明了测量镜面形状的更好方法，虽然与早期磨镜者们的方法类似，却有高得多的精度，使磨制形状正确的镜面变得更容易了。这一系列努力都在召唤玻璃重返望远镜的物镜舞台。这次不是利用玻璃的透明性，而是利用它的高硬度（HV700）、低相对密度（2.7）、高耐蚀性、抗氧化性以及与金属薄膜的紧密结合性能。金属银膜及1937年出现的镀铝膜，具有对光线100%的反射率。相对于上述优点，青铜物镜简直全是劣势：硬度低（HV500）、相对密度高（8.0）、耐蚀性低、抗氧化性低以及66%以下的光线反射率等。

L：这样说，19世纪后半叶应该再也不会出现青铜物镜的反射望远镜了吧？

H：可是，有时令人意外的事情也会发生。1862年澳大利亚决定在墨尔本建造一架大型望远镜，用以研究南天的星云和各种天象等，因为大型望远镜都建在北半球。澳大利亚当局组成了一个包括罗斯伯爵在内的著名天文学家和望远镜制造商组成的委员会来确定望远镜设计方案。该委员会确定了建造一台直径122厘米的卡塞格林式反射望远镜，这无疑是正确的。但对于物镜材料，尽管当时玻璃反射镜已经开始普及，可是委员会却做出了使用铜反射镜的建议。

L：为什么？难道他们不知道傅科等的研究吗？傅科的论文不是在英国宣布的吗？

H：委员会认为，在当地气候条件下玻璃镜面银镀层会比金属镜面更容易氧化。而且这样一架巨大的玻璃望远镜的维修操作也会很难。可是望远镜建成后不久，天文台就为这一错误决策而后悔不已。因为当1877年金属镜面因为严重锈蚀而需要重新抛光时才发现，整个镜子必须运回地处爱尔兰的原制造厂才能完成。天文台只得在缺乏经验的情况下就近勉强抛光。这架青铜望远镜只用了15年。这次决策失败成为保守型技术决策的重要典型样本。墨尔本望远镜不幸以反面教员的姿态，在展示大型青铜镜面反射望远镜的最后风姿。

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