（12） 发明反射望远镜
由于天文观测的需要，光学仪器的制作很早就得到了发展，玻璃的制作早已从阿拉伯辗转传入西欧。16世纪以后荷兰磨制透镜的手工业大兴，人们对光的研究渐成风尚，各种新式的光学元件都被用于观察五花八门的光学现象。比如，凸透镜能将细小的物体放大，凹透镜可以将大的东西缩小，三棱镜能将一束阳光折射成一条彩色光谱。把透镜适当组合成一个系统就可成为显微镜或望远镜。这两种仪器的发明对科学发展起了重大作用。在牛顿之前，开普勒和伽利略发明了折射望远镜广泛应用于天文观测，英国胡克和荷兰的列文虎克等人发明了显微镜。伽利略望远镜以一片会聚透镜为目镜（凸透镜）、一片发散透镜为物镜（凹透镜）。开普勒望远镜则是由两片会聚透镜组成的。
这些光学仪器的发明激起了广大科学界的兴趣。然而，当人们追求更大的放大倍数时，这些仪器都会不可避免地出现像差和色差，使人们深感困惑。人们不知道为什么在图象的边缘总会出现颜色？这和彩虹有没有共同之处？这类现象有什么规律性？怎样才能消除？开普勒望远镜和伽利略望远镜都存在无法消除的色差，于是，消除色差以改进折射望远镜成为了当时科学界一项紧迫的任务。许多人为此投身光学研究，牛顿也不例外，他希望能够造出更好的望远镜，这个愿望激励着他对光的颜色本性进行深入的探讨。
牛顿自幼爱好动手制做模型和做试验，这对他在光学实验上的成功有极大帮助。在剑桥大学学习时，他的老师巴罗对光学很有研究，牛顿听过他讲授光学，还帮他写《光学讲义》，这对于提高光学理论水平很有好处。牛顿的特点是不仅擅长数学计算和分析总结，而且能够自己动手制造各种试验设备并且做精细实验，他很喜欢做光学实验。当时还不存在正规的物理实验室，牛顿就在三一学院自己的房间内做实验，仪器都是自己亲手制作的。
有大量证据可以说明牛顿出色的动手能力。为了改进折射望远镜，他曾经自己动手磨制透镜，自己设计研磨抛光机，实验各种研磨材料。在制造反射望远镜前，他还用较常规的折射仪器做过实验。为了改进仪器性能和消除色差，他使白色太阳光通过棱镜，分解成许多种颜色的光，他由此发现了白光的组成，揭开了颜色的奥秘。
【黄氏点评：】可见，三棱镜分光实验是牛顿改进折射望远镜过程中的一个副产品。折射望远镜这只母鸡给牛顿下了两个金蛋：三棱镜分光实验和反射望远镜。这是科学研究的乐趣之一：在解决某个问题的过程中往往会得到一些意外发现。
为了解释三棱镜分光实验，他研究了反射律和折射律，他注意到不同颜色的光具有不同的折射率，但他没有看出不同的玻璃可能具有不同的色散。因此他得出一个错误的结论，认为不可能把不同玻璃的一个会聚透镜和一个发散透镜两者结合起来制成消色差透镜。他断定，为了避免色差，必须完全不用透镜，而只用反射镜来制造望远镜。
【黄氏点评：】牛顿在理论和实验两方面都是集大成者，这样的人在整个物理学史上就没有几个，整理出来大约就这么几个：牛顿、高斯、亥姆霍兹、开尔文、基尔霍夫、瑞利、约瑟夫·汤姆生、卢瑟福、康普顿、费米等人，费米之后就再没有出现过理论和实验集于一身的物理学家了。
牛顿帮老师巴罗写《光学讲义》，这对于牛顿接触光学最前沿的知识和积累科研经验肯定是很有帮助的，这对当今中国的大学教育方式可能有启发性。
现在中国的大学有些教师被认为是在廉价剥削学生，这与某些教师惟利是图有关，他们热衷于接商业性的项目，而忽视教学工作。大学教授成了老板，个个腰缠百万贯；跑关系搞课题拉经费，成了院领导和系主任的第一要务；在校硕士生、博士生成了教授们美其名曰实习的廉价打工仔而影响学业；学术著作不求价值，但求核心期刊发表和热衷获奖。教育界过多的商业化、拜金主义横行成为了严重的教育问题。
教师应该更多地安排学生做些协助编写讲义、协助教学、动手制作等与教学有关或提高学生能力的工作。比如300多年前牛顿就能够自己磨制透镜，并制作多种光学仪器，然而直到今天，国内物理专业毕业的学生有几个知道如何磨制透镜、制作实验设备或者独立设计实验？教育改革的方向其实是很容易明确的，比如物理就是应该强调实验设计和动手能力、实验总结和分析能力、以及写作实验报告或各种物理教材的能力，要减少理论课和做习题的分量。而规划教育改革和编写具有启发性的教材可能才是真正的问题。
为了制造反射望远镜，牛顿亲自冶炼合金和研磨镜面。到1668年，他终于制成了第一架反射望远镜样机，该反射望远镜长6英寸，直径1英寸，放大率约30-40倍，因为是以金属磨成的反射镜为物镜，从而避免了透镜的色差。1671年，牛顿经过改进后制成了放大率更大的第二架反射望远镜，他把这个反射望远镜送到皇家学会评审并作了有关望远镜的讲演，皇家学会把它作为珍贵的科学文物保存至今。牛顿也因此名声大震，1672年被选为皇家学会会员。
反射望远镜的发明奠定了现代大型光学天文望远镜的基础，迄今大多数天文观测使用的就是这种望远镜。不过，后来折射望远镜也取得了一些进展，有人使用具有不同折射率的玻璃组成的透镜消除了色散现象。
【黄氏点评：】牛顿不是第一个研究反射望远镜的人。最早设计反射望远镜的是苏格兰数学家和天文学家詹姆斯·格雷戈里（James Gregory，1638-1675），他正是在苏格兰推广牛顿《原理》的数学家（David Gregory，1659-1708）的叔叔，所以反射望远镜又称为格雷戈里望远镜。叔侄两个都是数学家，又都与牛顿颇有渊源，有些象发现无线电波的赫兹叔侄俩，更巧的是两个叔叔都短命。我不知道科学界怎么会有这么多的巧合。
格雷戈里在1663年发表了他设计的反射望远镜，但是没有试制成功。牛顿在1668年制成第一架反射望远镜样机，1671年制成了效果更好的第二架并送给了皇家学会。胡克在1673年也制成一架反射望远镜送给皇家学会。
我们看到，牛顿研究反射望远镜也不是凭空创造的，也是站在巨人的肩膀上的，再一次体现了科学研究的传承性。这种传承性，换个说法就是：科学研究必须依靠积累和传递。牛顿的这种科学研究方法也让我联想到了日本的科技发展方式：日本在二战后引进消化了大量的欧美科技产品，最终在很多方面反而超过了欧美。中国在科技战略的制定方面也必须考虑这种传承性，我们一定要站到巨人的肩膀上去。
胡克确实是一个命运不好的人，他在很多方面总是被牛顿压着，很象三国演义里提到的“瑜亮情节”，既生瑜，何生亮？后来的毛泽东、刘少奇不也是类似情况吗？这种“胡克现象”值得探讨，虽然说历史总是要崇拜强者才能进步，但是千年老二的悲剧角色怎么老是在历史上出现？历史总是要循环轮回的吗？
与同时代的科学家相比，牛顿高明的地方在于他具有一种本领：能够从更深层次的原理来透过现象看到本质。比如，通过三棱镜实验发现了白光的组成并提出颜色理论后，他马上认识到折射望远镜的色散现象是难以消除的，于是制造反射望远镜就是必然的选择。
牛顿和胡克都把自己研究的东西送给皇家学会，这似乎是当时的科研时尚，也表明了皇家学会具有可敬的权威，从哈雷这样的皇家学会会员的表现来看，皇家学会无愧于这种权威。我们的中科院或任何大学、研究机构可曾具有这样可敬的权威？如何培养这种权威？
(未完待续)
京ICP证030609号 本站通用网址：凤凰网
