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常州大学天文社

仰观苍穹知天文,俯察众生闹凡尘;细推物理须行乐,何用浮名绊此身!

 
 
 

日志

 
 

天文望远镜的百年世博之旅  

2011-06-22 13:10:41|  分类: 基础知识 |  标签: |举报 |字号 订阅

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文/卞毓麟

卞毓麟简介:1943年7月生,1965年南京大学天文系毕业。现为中国科学院北京天文台教授,中国天文学会常务理事,天文学名词审定委员会主任,中国科普作家协会会员,上海科技教育出版社版权部主任。1999年4月起任上海交通大学科学史和科学哲学系兼职教授,现上海天文学会副理事长、中国科普作协翻译工作委员会副主任。

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本文原载于《中国国家天文》杂志


  告别2009国际天文年,又将迎来举世瞩目的2010上海世博会。

  我想起7年多以前,2002年12月3日晚上,《文汇报》科技部江世亮主任来电:“我国申办2010上海世博会看来极有可能成功,一旦正式宣布投票结果,我们要立即报道社会各界的反响,请您先说几句话备用。”于是我说:“申博成功,深感欢欣鼓舞。作为一名天文学家,我想起1851年伦敦首届世博会,美国天文学家拍摄的月球照片引起轰动。2010年上海世博会,也许将展出中国宇航员赴月宫拍摄的地球倩影?深盼如愿。”翌晨这段话出现在《文汇报》上。

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一张接近上弦时分的月球银板照片,是1852年2月26日由摄影家约翰·亚当斯·惠普尔使用哈佛大学天文台的15英寸折射镜拍摄的。

  关于天文与世博,百余年来有着许多精彩的故事。它们在科学与人文的王国中,构成了一道靓丽的风景线。

  叶凯士望远镜在世博亮相

  1609年,意大利科学家伽利略(Galileo Galilei)研制成功第一架天文望远镜。1666年,英国科学家牛顿(Isaac Newton)制成第一架反射望远镜。此后,天文望远镜沿着折射式和反射式两条道路不断发展。18世纪末叶,英国天文学家威廉?赫歇尔(William Herschel)的大型金属面反射望远镜,口径已达1.22米,焦距则为12.2米,看起来活像一尊大炮。1845年,爱尔兰的第三代罗斯伯爵(The 3rd Earl of Rosse)建成一架更大的金属反射面望远镜,口径达到1.84米。不过,这架望远镜操纵起来实在太不方便。

  另一方面,18世纪中叶消色差透镜研制成功,导致折射望远镜有了长足的进展。19世纪初,德国光学家夫琅和费(Joseph von Fraunhofer)制成一架口径24厘米的消色差折射望远镜,焦距4.3米,成像质量上佳,整个转动装置平衡得非常精致,以致用一个手指就可以自如地推动它。该望远镜已装有一套钟表机构——称为“转仪钟”,来精确跟踪天体的东升西落。

  在1893年的芝加哥世博会上,出现了一架大得出奇的折射望远镜。这届世博会是为纪念哥伦布发现新大陆400周年而举办的。它被誉为“美国历史上的一道分水岭”,因为它显示美国已然成为世界强国,在经济与科技上同欧洲列强相比已经毫不逊色。这就是著名的“叶凯士望远镜”。当时它的透镜还在加工中,但其余部分皆已造就。

  美国金融家查尔斯?泰森?叶凯士(Charles Tyson Yerkes)1837年生于费城,1881年到芝加哥。他对发展芝加哥的有轨电车和建造伦敦的地铁有重要贡献,但其经营手段却不甚光彩,且为此而激起民愤。精明的叶凯士颇想改善自己的公众形象。

  这时,正好美国制作巨型透镜的权威人士阿尔万?格雷厄姆?克拉克(Alvan Graham Clark)遇到了麻烦。南加利福尼亚大学向他订购一块102厘米的透镜,却因经费告罄而中途解约。芝加哥大学天体物理学助理教授乔治?埃勒里?海尔(George Ellery. Hale)闻讯前来解围,决心游说叶凯士掏出部分“不义之财”用来建成一架世界上最大的折射望远镜。

  海尔用叶凯士的捐款向小克拉克订购那块直径102厘米的透镜,于1895年磨制完成,重达230千克,装在长逾18米的镜筒里——相当于6层楼的高度,望远镜整体则重达18吨,但是平衡效果极佳,用很小的推力就可以让它对准天空的任何方向。安装望远镜需要有一座天文台,在海尔的游说下,叶凯士不断地“埋单”。天文台建在威斯康星州的日内瓦湖畔,距离芝加哥大约130千米。1897年,“叶凯士望远镜”首次启用。今天,它依然是世界上的折射望远镜之王。

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  1905年,叶凯士卒于纽约。除了以其姓为上述望远镜和天文台冠名外,如今在月球上还有一座环形山也被命名为“叶凯士环形山”。

  至于海尔,他不仅是叶凯士天文台的创始人,而且是后来的威尔逊山天文台的创建人和首任台长,也是建成更有名的帕洛马山天文台的“始作俑者”。海尔还于1895年创办了在国际天文界极享盛名的学术刊物《天体物理学报》(Astrophysical Journal),而且他又是日后名居20世纪天文大家之首的哈勃(Edwin Powell Hubble)的“伯乐”。

  唐吉诃德式的插曲

  1900年在巴黎举办的世博会,参观人次达5000万之多。会上展出了东道国的一项“杰作”:一架尺寸空前绝后的折射望远镜。它是1892年在法国下议院议员德隆克勒(Fran?ois Deloncle)的倡议下开始建造的,其目的就是为了展出和炫耀。实际上,它很难真正瞄准天体进行科学观测。

  这架望远镜有两个可以互换的透镜,一个用于目视观测,另一个用于照相观测。它们的口径是1.25米,焦距长57米。因为望远镜过于庞大,只好固定在一个水平位置上。来自天体的光由一块可转动的平面镜——所谓的“定星镜”——反射到镜筒中来。定星镜的直径是2米,安装在一个大型铸铁架中。水平的望远镜镜筒长达60米。为了调焦,目镜和底片的那一端可以在一条铁轨上前后移动约1.5米。

  研磨这面定星镜花了9个月的时间。到这届巴黎世博会开幕时,用于照相观测的物镜透镜已经完成,而供目视观测用的透镜却尚未竣工。望远镜沿南北方向安装,镜筒由24个圆柱连接而成,置于7个混凝土和钢柱构筑的墩子上,光轴离地面的高度为7米。

  这架巨大的望远镜只进行过极少几次天文观测。莫罗(Théophile Moreux)用它观测并描绘过太阳黑子,安东尼亚迪(Eugène Michel Antoniadi)通过它画了几幅星云图,勒莫尔旺(Charles Le Morvan)还利用它拍摄了几幅月球表面的大照片。

  为建造这架望远镜而组建的公司最终破产了。1909年,望远镜拍卖失败,根本找不到买家。最终,它被拆毁了。那面直径2米的反光镜放在巴黎天文台展出,很久以后,人们在地下室的板条箱里再次发现了那两个巨大的透镜。

  早在1892年,一份名叫《唐吉诃德》的漫画期刊就生动地嘲弄了力主建造这架望远镜的德隆克勒。该镜在其“有生之年”,始终是人们的笑柄和抨击对象。虽然作为那一届世博会的“宠物”,在某种意义上它还是达到了宣扬工业技术新进展的目的,但无论在经济上还是在科学上,它却是一名双重失败的反面教员。

  大角星之光

  1933年,芝加哥再次举办世博会。当时经济大萧条的社会背景,是后人特别关注这次世博会的重要原因。主办方为筹集资金,发起招募“博览会会员”,公众用5美元购买一个会员身份,就可以10次免费进入会场。这次世博会还向工商业巨头们敞开大门,通用汽车、克莱斯勒、西尔斯百货等都建造了自己的展馆。1933年芝加哥世博会是第一届有明确主题的世博会,其主题是“一个世纪的进步”。

  叶凯士天文台为这次世博会再次作出了特别奉献。这幅历史照片记录了该台的几位天文学家正在研究如何利用星光“点燃”世博会的“圣火”。照片中最左边的是埃德温?布朗特?弗罗斯特(Edwin Brant Frost),此前20年哈勃攻读博士学位时,弗罗斯特正是他的导师。照片最右侧的是奥托?斯特鲁维(Otto Struve),其一家四代出了6位成就卓著的天文学家,他本人是其中的最后一位。奥托?斯特鲁维曾先后任叶凯士天文台、麦克唐纳天文台、美国国立射电天文台等台长,1932年~1947年任早年由海尔创刊的《天体物理学报》主编,1952年~1955年出任国际天文学联合会主席。

  1933年芝加哥世博会开幕式的“指令”来自北天最明亮的恒星——大角星(牧夫座α)。天文学家把叶凯士望远镜对准大角星,将收集到的光转化为电信号,输往世博会的场所阿德勒天文馆,开启了展区的万盏华灯。选择大角星的原因之一,当然是因为它比较亮,容易积聚较多的光;而更有深意的是,大角星距离地球约40光年,因此1933年抵达芝加哥世博会的大角星光线,正好是1893年芝加哥世博会期间发出的。这一巧妙的设计至今仍令人赞叹不已!当初,在芝加哥的夜晚,社会公众三三两两仰望星空,辨认和观看大角星竟然成了一种时尚。

  1933年世博会还特地出了一种纪念邮品。画面上那颗最亮的星正是大角。画面左下方是一幅美国地图,来自大角星的光正好直射芝加哥。

  早年世博会的回顾

  实际上天文与世博会结缘并非始于叶凯士望远镜。早在1851年,在维多利亚(Alexandrina Victoria)女王的丈夫阿尔伯特(Albert Francis Charles Augustus Emmanuel)亲王提议下,伦敦举办了第一届世博会,其全名是“伦敦万国工业产品大博览会”。它的展馆完全用钢铁和玻璃建造,人们称之为“水晶宫”。水晶宫是当时欧洲最富于想象力的建筑,设计者是园艺师约瑟夫?帕克斯顿(Joseph Paxton)。那年5月1日,维多利亚女王前往水晶宫为世博会剪彩,后来又多次前往参观。就在那次博览会上,天文学也很出彩。

  1840年,旅美英国化学家约翰?威廉?德雷珀(John William Draper)用20分钟拍摄了一幅月球像。这是第一张拍摄成功的天文照片。

  在1851年的伦敦世博会上,展出了一幅来自美国哈佛学院天文台的月球照片。它是通过该台一架38厘米口径的折射望远镜,用达盖尔银版法拍摄的,底片尺寸是长8.9厘米、宽7厘米。照片极其逼真,仿佛真的把月亮请进水晶宫,在世博会上引起了人们的强烈兴趣和轰动。

  哈佛学院天文台这架望远镜是当时世上最大的折射望远镜。当时有些口径较小的折射望远镜也被公众视为珍奇。例如1851年伦敦世博会上展出的科克折射望远镜,口径是17.8厘米。它的制造者托马斯?科克(Thomas Cooke)1807年出生于英格兰的约克郡,少时家贫而自学成材,最终成为制造消色差折射望远镜的一代名家。这届世博会还展出了一架罗斯(Ross,注意勿与第三代罗斯伯爵相混淆)折射望远镜,口径为29.2厘米,镜筒长6.1米,比科克望远镜更加引人注目。

  此外,1867年巴黎世博会展出西克雷坦公司制造的天文望远镜。1876年费城世博会展出海军天文台的望远镜,为整个会场增添了科学气息和高雅情趣,这届世博会是美国为庆祝独立100周年而举办的,法国向美国赠送了著名的自由女神像。

  1962年西雅图世博会

  为世博会添彩的不仅是光学望远镜。就在1933年借助叶凯士望远镜用星光为芝加哥世博会揭幕之前两年,美国无线电工程师央斯基(Karl Guthe Jansky)用一架高3.66米、长30.5米的旋转天线阵,在14.6米波长上接收到了来自银河系中心方向的无线电波。射电天文学由此揭开序幕,央斯基那架被后人昵称为“旋转木马”的天线阵也成了射电望远镜的鼻祖。

  1962年美国举办了西雅图世博会,其主题是“太空时代的人类”。为此建造的标志性建筑取名为“太空针”,高度达600米。其顶部的圆形结构外形宛如一个“飞碟”,因此公众戏言:“那是地球发生大劫难时,美国总统逃往宇宙的专用飞船。”

  4月21日,正在美国最南部的佛罗里达州棕榈滩度假的美国总统肯尼迪(John Fitzgerald Kennedy)按下一个电报键,启动了这届世博会。当初在1909年,塔夫特(William Howard Taft)总统启动阿拉斯加-育空-太平洋博览会,按下的也正是这同一个电报键。但这一次按键却不只是简单地发送一个电报信号,而是启动位于美国最北部(飞地阿拉斯加州除外)的缅因州安杜夫的一台射电望远镜,令其采集来自仙后座A的电磁辐射,再将该信号转送到西雅图世博会场,致使无数声光电设备同时开始工作。这时,2000个写着“相见西雅图”的气球腾空而起,恰与主题“太空时代的人类”相契合。仙后座A是天空中除太阳外最强的射电源。它是一个超新星遗迹,距离地球1.1万光年,质量是太阳20倍。大约330年前,可以从地球上观测到它的爆发。

  在1962年西雅图世博会上,NASA馆展出了美国第一位完成轨道飞行的宇航员约翰?格伦(John Herschel Glenn)乘坐的太空舱“友谊7号”。那一年的2月20日,格伦刚刚遨游太空,绕地3圈。5月10日格伦来到世博会场,公众如痴如狂地围着他索要签名。格伦确实是一位了不起的航天英雄,36年以后的1998年10月29日,77岁的他乘坐“发现者号”航天飞机重返太空,创造了高龄飞天记录。

  “太阳塔”和“月亮石”

  第二次世界大战中,日本军国主义者疯狂地侵略他国,最终也严重地损害了自己的国家。战后,经过20多年的努力,到60年代中期,日本经济重新崛起。1964年,日本成功地举办了东京奥运会。日本的国民生产总值于1965年超过英国,1967年超过法国,1968年超过西德。1970年,日本举办大阪世博会,第一次以发达国家的形象向世界展示。

  这次大阪世博会上最受关注之作,当推日本现代艺术大师冈本太郎设计的“太阳塔”。它的造型宛如一个冲天巨人,又像一尊古老的雕像。太阳塔共有四个大面具:塔顶是光芒四射的“黄金之面”,塔中央的“太阳之脸”和“暗黑之星”注视着节日广场,底部的“地底之星”则照耀着“逝去的世界”。这些面具的寓意是世界的过去、现在和未来。

  太阳塔下有“智慧”、“祈祷”展馆,基座上有一张象征着人类的巨大人脸雕塑,其两侧有着来自世界各地的各式各样的脸谱面具雕刻,这使展馆的氛围宛如远古时代的某个祭祀现场。太阳塔内部的布展立意,是人类的智慧创造之火如同太阳那样,从远古燃烧至今,并将照亮未来,直至永恒。1975年,日本政府决定对太阳塔实施永久保留,成为国家特定的纪念文物,因此在一定意义上这有点类似法国的埃菲尔铁塔。

  在1970年大阪世博会上,美国馆展出了“阿波罗8号”的指令舱原件。但是,更受观众欢迎的还是阿波罗宇航员带回地球的“月亮石”。就在上一年,1969年7月21日,乘坐“阿波罗11号”飞船奔月的宇航员阿姆斯特朗(Neil Alden Armstrong)在月面上留下了人类的第一个足印。它的巨幅图片同“月亮石”一起,令每个参观者激动无比。为了一睹月亮石的风采,人们需要排队5小时。在强烈的新鲜感和震撼感中,人们更深刻地领悟着阿姆斯特朗那句名言的哲理:“这对一个人来说,只是一小步,但对人类来说,却是一大步。”

  “月亮石”的往事,又令人想起1978年美国总统安全事务顾问布热津斯基(Zbigniew Kazimierz Brzezinski)来华访问。他代表卡特(James Earl Carter)总统向华国锋主席赠送一块月岩。国务院办公厅和中国科学院决定让地球化学研究所欧阳自远研究员的团队对这一小块月岩进行研究。样品仅重1克,欧阳自远他们只拿了0.5克,以完成研究工作。后来他们发表了14篇研究论文,并令美国人叹服地认定:这是1972年“阿波罗17号”宇航员采集的月海玄武岩。其余0.5克月岩一直陈列在北京天文馆,人们可以很方便地看到它。

  中国的精彩

  撰写本文之时,离2010上海世博会开幕还有20天。这届世博会上将有哪些激动人心的天文展项,依然还是一个谜。这些年来,中国的精彩许许多多。例如中国的载人航天,2003年“神舟五号”载着杨利伟首上太空;2005年费俊龙、聂海胜乘坐“神舟六号”双人飞天;2008年“神舟七号”上航天员已经三人成众,更兼翟志刚出舱在太空中向我们“打招呼”;不久,中国将会发射“天宫一号”空间站,随后又将发射“神舟八号”和“神舟九号”在太空中与其对接……

  中国探月的“嫦娥工程”,第一步走得扎实,走得漂亮,走得成功。“嫦娥一号”表现出色,“嫦娥二号”行将升空。“绕-落-回”三部曲的第二部即将奏响,中国人自行研制的月球车将在月面上行驶,考察那里的“月亮石”……

  中国于2009年落成的“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜”,即人们耳熟能详的LAMOST,也极有可圈可点之处。它所具备的大口径(4米)与大视场(5度)得兼、4000根光纤的超大规模光谱观测系统和极高的光谱获取率等鲜明特点,均深受国际天文界青睐。LAMOST使中国天文学有望在大规模光学光谱观测中进入国际先进行列,笔者以为,这样的项目真是太值得到世博会上展示了。

  那么,现在就让我们一同去感受和体验2010上海世博会的精彩吧!

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