视野的敌人，从来不在远方。
看看天文学家们，花了多少精力设计这些望远镜就知道了。
人类对头顶这片灿烂的星空，从BC巴比伦星表算起，已经瞩目凝视了年。在流行如贵州深山中建起的FAST这类射电望远镜之前，天文学家们在绝大多数时间里，要直接用自己的双眼，逐刻、逐夜的观察夜晚的天空。
△依赖天文望远镜,我们通过仰望星空发现更多图片来源
ROMANMAKHMUTOV
这其中，我们普通人最熟悉的那部分天文学，大都发现在玻璃镜片的顶峰，光学望远镜时代。考虑到光学望远镜是如此的便于理解，于是，我们就能看到很多神奇的天文学发现，与我们生活的共鸣。
天文学家的视力，并没有你想象的那么好。
制作一台望远镜，比想象的更困难。
望远镜，与你的眼睛
从17世纪第一架望远镜指向星空起，功能越来越强大的望远镜，与各种能够测量电磁频谱、辐射的仪器，彻底改变了天文学。但这一切的起点，与伽利略在年前遥望太空时，并没有本质的区别，天文学家的工作，仍旧是建立在：
收集更多的光：确保天文学家们看得到，这里有过的一颗星。光学望远镜收集光线的能力，与镜片的直径密切相关，所以，浇铸、打磨、组装更大的镜组，是每一位天文学家梦寐以求的利器。
分辨更多的光：更清晰的看到的事物，或者说，具有更好的分辨率。分辨率通常以角秒（弧秒）为单位，1角秒为三千六百分之一度。理论上，在光照条件良好时，肉眼的极限分辨率在18角秒~20角秒之间，日常分辨率在1角分（60角秒）~5角分之间（视光照条件，观测对象不同而定）。
△地面最大光线望远镜：凯克
但总的来说，这都要求更大直径的镜片，所谓“Sizedoesmatter,thebigger,thebetter”，而如何组装一台“足够大”的望远镜，则是一言难尽。一方面，浇铸、研磨大镜片本身，已经是一个非常具有挑战性的工程任务：镜片本身巨大的重量，在重力作用下，会不断变形，严重影响观察效果；另一方面，大镜片还要受到物理规律的制约：无论怎样透明的玻璃，当光线通过时，总会产生耗损。当通过透镜汇聚的光线，还不如在穿越中损失的光线多时，透镜的尺码也就到了临界点。
反映在实际中，正如我们在历史上看到的，一台成功的天文望远镜，从来都是生机勃勃，国运向上民族的专利。
荷兰眼镜商Hans在年，发明了人类历史上第一台获得广泛认可的望远镜时，北美的第一家玻璃厂正式落成，带领德国人结束三十年战争的费迪南三世呱呱坠地，太阳王的法国要到50年后才能征战四方，英国人则刚刚送走了童贞女王伊丽莎白一世，从接班詹姆斯一世，到砍掉查理一世脑袋的克伦威尔，有一个算一个，全都不是省油的灯，直到80年折腾后，才能迎来荷兰救世主威廉三世，开始日不落帝国的辉煌。17世纪，是荷兰共和国的黄金时代。
荷兰人在这个世纪中最辉煌的一页，似乎都与如何“看待”这个世界有关。从克里斯蒂安·惠更斯对向上看对天文发展的创造性成就，到列克虎文向下看，对细胞、微生物的开拓性发现，抑或是维米尔通过捕捉光线来完成一幅幅油画作品，无不体现了17世纪的荷兰人对于“光影魔术”的痴迷，而这一份痴迷也引领整个欧罗巴大陆，共同开始对于光线探索的锱铢必较。
△伽利略通过望远镜向人们展示土星
网图侵删
荷兰人发明了望远镜之后，这个名字迅速传遍欧洲，意大利人伽利略听到这则消息后，随即着手研究天文望远镜。于是在年年底，伽利略通过一片凸透镜和一片凹透镜的组合，制造出放大率为30倍的望远镜观测天空，由此发现了月亮表面凹凸不平、木星有4颗卫星、太阳黑子在日面移动等天文现象，成为“星空中的哥伦布”；年，来自德国的开普勒提出改进，用两片凸透镜作望远镜，将物镜和目镜都改为凸透镜，比伽利略的凸凹组合透镜产生更大的放大率，而开普勒则最终借此演算出行星三大运行规律闻名于世。
△折射式天文望远镜的光路结构
网图侵删
物镜将光线聚集，并使其弯曲或折射到靠近管后部的焦点上；目镜把图像带到你的眼睛，并放大图像，这就是最早望远镜的原理。因为望远镜，远方的物体被拉近了；因为望远镜，渺小的世界也被放大了。
在自然课上，我们都做过一个实验，把一束光照向三棱镜，在墙上就会出现赤橙黄绿青蓝紫七色，这就是光的色散实验。色散是由于光的折射，而无论伽利略望远镜还有开普勒望远镜利用凹凸透镜原理，都属于折射式望远镜，因此光穿过凸透镜会产生色散现象，进而造成色差，影响观测精度和距离，要想看得更清楚，则必须要有新的光学技术。
△初中课本中牛顿著名的色散实验
网图侵删
时间被放到了60年后的年，这时候另一位来自英国、大家从小耳熟能详的人物登场了，他就是牛顿。撇开大名鼎鼎的牛老三定律和高数里令人深恶痛绝的微积分，牛顿最初是通过光学研究踏入科学殿堂的，而上文提到的色散实验，就是他提出设想并设计完成的。
虽说牛顿自谦为“站在巨人的肩膀上成长”，可巨人肩膀上有茫茫多的人，如牛顿般却只有一位，在创新改良他的确有着过人的非凡造诣。当实验意识到光线通过透镜折射导致色差以彼时的技术没有办法解决之后，牛顿便放弃了透镜折射来聚光，而是采用了反射的结构，用一个弯曲的金属镜(主镜)来聚光并把它反射到一个焦点上。这样的主镜结构虽说比较复杂，但是成像质量更高，不像透镜那样有色差问题，而且比使用透镜将物体放大的倍数要高数倍。
△反射式天文望远镜的光路结构
网图侵删
至此，在17世纪经过整个欧洲大陆几代人对于光学的共同探索，反射式结构望远镜的产生，为之后几百年的天文学铺平了道路，现在，大部分的巨型望远镜都采用了反射式结构，属于牛顿式望远镜。例如，位于巴乐马山天文台的Hale天文望远镜，其主镜的尺寸为5米；W.M.凯克天文台的Keck天文望远镜，其主镜由36块六角形的镜面拼接，组合成直径10米的主镜；还有超长待机的哈勃太空望远镜，也是反射式望远镜。
△至今仍在外太空漂流的哈勃望远镜图片来源
维基百科
严谨一直是科学的代名词，在光学领域更是如此，所谓“差之毫厘，谬之千里”，一丝一毫的偏差，都会对最终成像产生影响，而不惜成本的才能换来的精细，也导致一直以来的大部分光学成果，都仅仅被用于探索天文，与芸芸众生相距甚远。
△明基Screenbar的通过精妙反射式设计不对称光路图片来源
明基Benq
如今，有赖于信息和工业技术革新，优异的光路设计不再只是用来仰望星空，也更多地飞入寻常百姓家，望远镜所采用的反射式原理也被用于日常桌面的设计。譬如电脑工作者案头常见的屏幕挂灯，就是利用了光路反射光线原理，内置的一条反光板，将原本逸散向两侧的光线全部只向单侧发散，形成不对称光路。在有限的体积内通过反射，能够最大化地提升照度；而精密的透镜研磨加工和装配，也使得光线照度均匀的同时，在截至线附近形成「刀锋」般精准的切割效果。
△在有限的体积内通过反射最大化地提升照度图片来源
什么值得买
无论是伽利略、开普勒还是牛顿，他们都是17世纪那一群孜孜不倦开拓科学边界的优秀思想家中的一员，而正是这些杰出科学家对于光学研究的共同努力，才扩展了科学的疆域。
我们仰望星空，才能更明晰地看到远方的脚下。
转载自知乎
