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材料史话 | 从牛顿到“利维坦” ——铜材料在反射望远镜上的应用

跛瞽2018-05-31 12:36:26

望远镜是人类观察世界、认识宇宙的重要工具,是人眼的延伸。对一台望远镜而言,镜片是最核心的部件,而材料学的发展,则对望远镜镜片的设计和选材有着决定性的作用。在一般人的概念中,望远镜的镜片是无色透明的光学玻璃。实际上,古人用来贴花黄、正衣冠的铜镜,也曾在望远镜的发展史上扮演过重要的角色。

 

独辟蹊径:望远镜史上的“牛顿革命”

众所周知,1609年,随着伽利略将自制的望远镜指向月球,这一仪器从此成为了天文学家观测宇宙的利器。最初的望远镜使用玻璃作为镜片材料,这是荷兰的眼镜商人们的偶然发现。伽利略了解到这一讯息时恰好身处威尼斯——当时欧洲最著名的玻璃产地。很快伽利略就设计制造了“人类历史上第一架天文望远镜”,他采用一枚凹透镜作为目镜,一枚凸透镜作为物镜,这是一架典型的折射式望远镜(refracting telescope,或refractor),放大倍率达到30倍。正是这架望远镜让伽利略观察到了月球表面以及木星的卫星,开启了天文学的新时代。

不过,凹透镜作为目镜,其视场较小,限制了放大倍率的提高。1611年,开普勒改用凸透镜作为目镜,使得同等放大倍率下望远镜的视场大大增加。但是,玻璃透镜作为镜片依然存在严重的问题:像差。特别是由于色散带来的色差,令天文观测者非常头疼。许多学者也致力于探究解决透射式望远镜像差的方案。意大利学者尼科洛·祖奇(Niccolò Zucchi)于1616年尝试用凹面铜镜作为望远镜物镜,但并没有获得令人满意的物像。1663年,苏格兰数学家、天文学家詹姆斯·格里高利(James Gregory)设计出了抛物面的反射式望远镜,但也仅仅停留在纸面上。牛顿从1663年起开始关注颜色问题,特别是日光通过三棱镜产生的色散现象,并且发现透镜对光的色散是导致望远镜产生色差的原因。因为不同颜色的光线在通过同一透镜时的折射率不同,从而不可能聚焦于同一点,也就带来了色差。因此,色差是不可能通过提高玻璃制造和加工的精度来解决的,这是玻璃材料自身的属性。牛顿甚至认为不同透明物质是以相同的方式折射光线,从而得出透镜色差无法避免的结论。今天我们知道,不同的透明材料折射光线时的色散程度是有差异的,因此将不同材料的透镜进行组合是可以消除色差的。牛顿的这一误会让他错失了发明消色差透镜的机会,却使他彻底转向了反射式望远镜的研究。

图1  牛顿式望远镜原理图

1668年,牛顿设计制作了一架反射式望远镜,也是历史上第一架反射式望远镜。牛顿用一块球面金属镜作为主镜,将接受的光线汇聚到一面45°斜置的平面副镜上,观察者可在镜筒一侧透过一枚小凸透镜进行观察。1671年秋,牛顿又制作了第二架望远镜,并将其提交给英国皇家学会,这也成为他进入皇家学会的敲门砖。

反射式望远镜对于反射镜的材料有较高的要求,它必须具备适宜的硬度和孔隙率,同时要有较高的反射率。牛顿在试验了多种金属材料之后,决定采用响铜(bell metal)来制作。响铜是由六份铜与两份锡混合而成,因为其亮度可与银媲美而为同时代的炼金术士们所熟知。为了改进其性能,牛顿又添加了一份砷,他认为这可以使合金更加白亮紧实且易于抛光。之所以牛顿如此重视镜面的抛光性能,是因为高含铜量的响铜锈蚀速度很快,为了保证镜面的光泽不得不时常打磨抛光。对于自创的抛光工艺,牛顿也非常得意。他选用两块直径六英寸的铜盘,一凹一凸,且能够完美贴合。在凸盘表面滴上一层薄薄的沥青,再铺上一层新鲜的、无颗粒的油灰,最后把待抛光的凹盘轻轻置于其上开始打磨,直到不发出声音为止,如此重复几次就可以将凹面镜抛光完毕。不过这一做法会导致凹面镜边缘出现塌边(turned-down edge),即边缘曲率小于中心曲率,从而带来新的像差。为了解决这一问题,牛顿在目镜与人眼之间放置一个小孔,这同时也部分消除了球面镜带来的球差。

图2  牛顿制作的第二架牛顿式望远镜

(左侧为英国皇家学会收藏的原件,右侧为其复制品。图片来源:newtonreplica)

牛顿式望远镜的诞生是天文观测史上里程碑式的事件。我们今天看来,牛顿式望远镜的“技术含量”并不高,许多儿童读物都以此作为天文科普的教具。就当时而言,牛顿也并非第一个提出反射式望远镜设计思路的人。前有祖奇、格里高利,同时期还有卡塞格林(Cassegrain)望远镜,但牛顿的贡献在于他是第一个实现了反射式望远镜设计的人,他以当时的工匠技巧和材料条件制成了可以进行天文实测的仪器,从而让反射式望远镜在接下来近200年的天文学史上占据着主导地位。

 

精益求精:镜面磨制与抛光技术的发展

牛顿式望远镜大获成功,但并不完美。由于镜面材料含铜量高,其反射率仅能达到16%,这意味着视场极暗,不利于观察。此外,尽管牛顿对自创的抛光方法颇为得意,但其实际效果并不十分理想,而且也没有从根本上解决铜材料极容易失去光泽的问题。这些缺陷,给反射式望远镜的改进留下了巨大的空间。

图3  约翰·哈德利(1682-1744)

约翰·哈德利(John Hadley)是一位英国数学家,他更为人所知的身份是航海仪器八分仪的发明者,但是他在天文光学仪器方面的贡献同样不容忽视。哈德利自幼就显示出仪器制造方面的天赋,35岁成为英国皇家学会会员,从此开始钻研镜片磨制的技术。1721年,在他的两个兄弟的协助下,哈德利制作了一架6英寸口径、62英寸焦距的牛顿式望远镜,其放大倍率达到200倍。经过与惠更斯的123英尺折射式望远镜的对比发现,哈德利望远镜除了视场较暗以外,观测效果均与惠更斯望远镜相当,且操作更为便捷。当时的折射式望远镜为了尽可能消除色差,不得不采用厚度较薄的镜片,从而使得焦距大大增加,于是镜筒越来越长,这才有了惠更斯近40米长的望远镜。此时,哈德利望远镜的优势就显露无疑,参与了这次对比考察的皇家学会会员们对它赞不绝口。

图4  哈德利望远镜

哈德利在镜面磨制和抛光方面也有着独到的见解,尽管他自己并没有留下太多文字资料,但从时人笔下得以窥见。1738年罗伯特·史密斯(Robert Smith)出版《光学大全》(A Compleat System of Opticks)一书,根据书中的记载,萨缪尔·莫利纽克斯(Samuel Molyneux)和詹姆斯·布拉德利(James Bradley)以及哈德利分别在牛顿的抛光工艺基础上提出了各自的改进流程。莫利纽克斯与布拉德利试验了超过150种红铜、锡和黄铜的组合,并根据反射镜的不同质量要求选择不同成分和加工工艺。哈德利则给出了镜面加工的详细流程。首先根据所需曲率半径用凹面的黄铜工具加工出一件凸面大理石工具,接下来用这块大理石打磨反射镜的凹面。打磨完毕后,用另一块同样形状的凸面工具,表面盖上一层吸满沥青的绸布,对凹面镜进行抛光。最后一步是局部抛光,对一些不规则之处进行微调。整个过程中还要不时检测,在曲率中心放置不同形状的小孔,观察镜面反射所得到的像。一旦发现差错,就要立即调整磨制或抛光的流程,甚至要对工具进行修正。整个加工过程对于加工者的经验要求极高,虽然史密斯已经尽可能详尽地记载了哈德利的“秘方”,但读者仍然很难通过这些文字掌握其中的技巧。正如牛顿在《光学》一书中所说:“想要更好地掌握抛光的技艺,重复实验比我的描述更重要。”哈德利正是凭借着如此精益求精的打磨,极大地提升了反射式望远镜的性能。

 

至臻完美:赫歇尔从“民科”到制镜大师

天文仪器愈加精良,天文学家的胃口也在日渐增大,这就又要求更优良更精密的仪器出现。威廉·赫歇尔(William Herschel)本是一位音乐家,也是一位业余天文爱好者。1773年春,在繁重的音乐创作和授课缓和之时,他开始将注意力投向太空。很快,小型的望远镜已经无法满足他的观测需求。一次偶然的机会,他从一位制镜爱好者手中购入一批工具、镜样、镜坯以及加工指南,从此开始了他制作望远镜的生涯。

今天的材料学家通常愿意把制备新材料戏称为“炒菜”,因为很难通过材料的组成成分判断其性能,只能根据材料的表现反过来调整成分,就好比菜咸了加糖、甜了加盐一样。200年前的情况也是如此过多的锡使合金变脆,过多的铜则使合金迅速失去光泽。根据从制镜爱好者手中购得的“菜谱”,赫歇尔铸造了一个2英尺口径的金属盘,成分是32份铜、13份锡和1份粗锑。在第一次尝试成功的基础上,赫歇尔开始试验不同成分的合金,希望找到最适合用作望远镜反射镜的材料。赫歇尔曾铸造了一面6英寸的钢镜,但发现孔隙率很高,难以承受高抛光;他也曾尝试过铸铁,但加工了一半后也放弃了;他在家中自建炉灶熔炼金属时也曾遭遇铸模破裂、金属液横流的危险场景……经历过多次失败之后,赫歇尔最终确定出最理想的材料成分:含锡29.37%的铜合金。自此赫歇尔便采用5份锡加12份铜(含锡29.41%)的“配方”铸造铜镜,这为他进一步制造更大口径的镜面铺平了道路。

图5 赫歇尔的镜面抛光机

赫歇尔从业余爱好者出发,却将铜反射镜的制作加工技术推进到近乎完美的境界。他和妹妹卡罗琳·赫歇尔(Caroline Herschel)一起观测天象、研究天文,还一起制作了数百架望远镜,每一架的镜片都是亲手铸造、磨制、抛光。根据赫歇尔自己的记载,他们在英国巴斯(Bath)生活期间,一共制作了200块7英尺焦距、150块10英尺焦距、80块20英尺焦距的镜片,在此基础上优中选优,挑选出最适于观测的镜片来。实际上,赫歇尔不仅仅是镜片制作大师,更是一位望远镜建造大师。从望远镜设计、镜片制作和加工、镜片装配及调整,整个过程中涉及的各种化学的、光学的或机械的问题,他都能一一化解。1785-1789年间,赫歇尔兄妹在英国斯劳(Slough)主持建造了一架48英寸口径、40英尺焦距的反射式望远镜,这是当时乃至其后50年间地球上最大的望远镜。


图6  赫歇尔的40英尺望远镜

 

盛极而衰:大型金属反射镜的余晖

40英尺望远镜的建立轰动一时,不过在实际观测中,它所发挥的作用并不如想象的大。一方面,重达半吨的巨大镜片需要经常抛光;另一方面,由于所处的地理位置和天气条件所限,它的很多观测结果也可以通过小型的望远镜获得。因此,到1815年以后,40英尺望远镜就停止了工作。1840年,在威廉·赫歇尔之子约翰·赫歇尔(John Herschel)的主持下,它被彻底拆除了。不过这一庞然大物给人类留下了充分的想象空间,也激发着后来者去追求更大口径、更长焦距的巨炮般的大型望远镜。

图7  帕森斯顿的“利维坦”望远镜(画作)

世界上的天文爱好者千千万万,但有能力建造大型望远镜的并不多。赫歇尔的40英尺望远镜就有赖于英国国王的资助,这样的投资人实在是难得一见。不过,第三代罗斯伯爵威廉·帕森斯(William Parsons, 3rd Earl of Rosse),正是一位既有财富又懂天文的合适人选。他于1842年开始制造72英寸口径的反射镜,还为此发明了蒸汽动力的打磨机。经过多次铸造、打磨,最终获得两块合格的镜片。1845年,这台名为“利维坦”(Leviathan)的大型望远镜在罗斯伯爵的领地帕森斯顿(Parsonstown)树立起来,它超越了赫歇尔的40英尺望远镜成为当时地球上最大的望远镜。


图8  “利维坦”望远镜两块原初镜片中的一块

“利维坦”望远镜是大型金属反射镜的巅峰之作,也是落日余晖,因为材料学的发展再次影响了天文仪器的设计和制造。1856年德国化学家李比希发明了在抛光镜面镀银的工艺。很快,德国人斯坦海尔(Carl August von Steinheil)、法国科学家傅科(Jean Bernard Léon Foucault)将这一工艺用于制作反射镜。相较于金属镜面,镀银玻璃质量更轻,既不易碎也不容易失去光泽,且加工、抛光更为容易。因此这一新型“复合材料”迅速取代铜制镜面,成为望远镜制作者们的新宠。铜材料作为天文望远镜镜面材料,起始于牛顿,经哈德利的发展、赫歇尔的完善,至“利维坦”的达到顶峰,独领风骚近两百年的历史,终于落下了帷幕。材料作为人类文明的基石,它的发展影响甚至决定了科学技术的演化路径。随着材料学的发展,越来越多的非传统材料被纳入入天文光学材料的范畴,金属铍、碳化硅、碳纤维增强复合材料等已经在各种光学天文望远镜上得到了应用。相信在未来,还会有更多样的材料构成人类的“天眼”,助我们了解宇宙的奥秘。

 

参考资料

郝士明. 功能材料图传[M]北京:化学工业出版社,2017:3–31

Henry C. King, The History of the Telescope.

Jim A. Bennett, The Art of Polishing: Practice and Prose in Eighteenth-centuryTelescope Making. From Earth-Bound to Satellite. Brill, 2011:103-121.

Mark Bratton, The Complete Guide to the Herschel Objects: Sir William Herschel's Star Clusters, Nebulae and Galaxies.CambridgeUniversity Press, 2011:6-17

The Scientific Papers of Sir William Herschel.


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原文发表于《新材料产业》杂志2017年9月刊。

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