克拉克父子的折射镜——天文望远镜的发展

    天文望远镜发明之后的二百多年里，望远镜一直是欧洲的专利。不论世界上任何地方使用的重要的天文仪器，都是欧洲人设计和制造的。欧洲的天文学始终处于世界领先地位，意大利、法国、英国、德国轮流坐庄。直到19世纪中叶以后，美国一对名字叫克拉克的父子才终于打破了这种局面，他们硏制的折射望远镜至今仍是世界第一。令人感兴趣的是，这对父子原来竟是画家。

1. 关闭画室磨透镜

    克拉克父子是马萨诸塞州的画家，他们以给人画肖像画为生。老克拉克名叫阿尔万.克拉克(1804~1887)。老克拉克非常热爱天文学，达到了痴迷的程度。他已不满足于一般的观察星空、了解宇宙，他决心像赫歇尔一样自己动手磨制望远镜镜片，所不同的是他打算磨制折射望远镜。

    然而，制造望远镜可不是说做就能做的，因为此时已不是伽利略时代，经过一代又一代天文学家的努力，望远镜已经达到了很高的水平。老克拉克面对困难是有思想准备的。他首先想到了哈佛天文台有一架口径38厘米性能不错的折射镜，那是由德国制造的，继承了德国科学家夫琅和费（1787~1826）的技术。他立刻找到正在使用这架望远镜的天文学家邦德，问他能否让自己好好看看这架望远镜。他的要求被答应了。他仔仔细细地研究了这架望远镜的各种性能，看它的优点有哪些，还有什么缺点。他还检测了它观测时的微小误差，以及它与理想状态的差距，等等。

    此时，老克拉克已心中有数，他决心要磨制出比哈佛天文台38厘米折射镜还要好的透镜。他关闭了画室，不再为别人画肖像，开始专心致志地研磨透镜。

    经过多年默默无闻、艰苦枯燥的工作，老克拉克磨出了口径20厘米、质量上乘的透镜。但是他可没有赫歇尔那么好的运气，赫歇尔一生中总共磨制了数百块镜子，当时的天文学家都是争相购买赫歇尔的产品，因为赫歇尔在磨镜初期已经发现了天王星，成为众所周知的著名天文学家。而老克拉克，人们只知道他是个画家，谁能相信他磨出的透镜呢？所以，没有人愿意买他的镜子。

    没有办法，老克拉克只得把透镜安装到自己的望远镜里，并且选择了一项对望远镜要求很高的工作一一近距离双星的分辨工作，只有质量极佳的透镜才能将相距很近的一对双星分辨出来。经过不懈地努力，老克拉克获得一批观测成果。当他把自己的观测结果公之于众后，引起了英国一位双星权威天文学家道斯的注意：道斯不仅购买了老克拉克的透镜，而且还在1859年把他请到伦敦，将他介绍给当时的著名天文学家罗斯、约翰.赫歇尔等人。老克拉克终于得到了天文学家的认可，他成功了。

    回到马萨诸塞州以后，他就在小儿子阿尔万.格雷厄姆.克拉克(1832~1897)的帮助下，在坎布里奇开设了一家专门制造望远镜和其他光学仪器的工厂，从此他们的事业兴旺起来。

2. 天狼星伴星的发现

    1860年，密西西比大学名誉校长巴纳德决定要为他的大学造一架口径47厘米的折射镜，这架折射镜超过了哈佛的那架，将成为美国首屈一指的最大折射镜。

    巴纳德将磨制透镜的重任交给了克拉克父子。仅用了两年时间，克拉克父子就完成了这项任务。他们将透镜安装在简易的支架上做各种各样的测试时，他发现在天狼星的附近有一个微小的光点，任何星图上都没有这个小光点，会不会是透镜的瑕疵所致呢？

    小克拉克反复对它进行观察、验证，最后得出结论，透镜的质量非常好，那个暗弱的星点确实存在。德国著名天文学家贝塞耳(1784~1846)在研究天狼星自行以后，发现天狼星走的是一条弯曲的路径，他猜想这是天狼星受其他天体的引力作用所致。但是，贝塞耳在天狼星的周围找不到任何一个可以产生这种影响的天体。1844年，他预言天狼星的附近有一颗看不见的伴星，虽然它暗弱，但是它的引力却不小。小克拉克通过自己的透镜发现了贝塞耳猜想的天狼星伴星。这是一个非常重要的发现，后来人们证实它是一颗白矮星，这是人类发现的第一颗白矮星。

    为此，克拉克获得了法国科学院颁发的一枚奖章，更重要的是，克拉克父子的声誉从此更高了。然而，这块透镜却因为当时美国南北战争的原因而始终未能运到密西西比，于是他们把它运到了芝加哥大学，安装在镜筒内。那里的天文学家使用这架望远镜对双星和木星等天体做观测和研究工作。

3. 火星卫星的发现

    1970年，美国海军天文台出资5万美元，请克拉克父子为该台造一架当时全世界最大最好的折射望远镜。几年之后，望远镜造成了，透镜口径66厘米，重45千克，镜筒长13米。海军天文台的天文学教授霍尔(1829~1907)通过自己的观测实践证实了这架望远镜的价值。

    1877年8月，火星大冲（从地球上看，地外行星与太阳的地心黄经相差180度时，称为冲。此时行星整夜可见，午夜上中天。行星与地球最靠近的时候发生的冲，称为大冲，是观测行星的最好时机），世界上许多天文学家都想利用这一有利时机获得一些有关火星的惊人发现，霍尔也不例外。霍尔想发现火星的卫星，这是一个大家都十分关注的问题，因为当时人们已知许多大行星都有卫星，土星有八颗，木星和天王星各有四颗，海王星和地球各有一颗。火星有没有卫星呢？远镜已经发明二三百年了，人们还始终没有看到它呢，如果有，肯定也是很小、很不容易发现的。

    霍尔从8月初开始寻找火星的卫星，连续观测了十来天，一无所获。8月11日晚上观测结束之后回到家里，他已经丧失了信心，决定放弃了。他的妻子鼓励他说：“再试一个晚上吧。”霍尔同意了，就在8月12日晚上，他终于在火星附近发现了一个很小的运动天体。随后的观测，证实了他自己看到的确实就是火星的卫星，而且几天后他又发现了另外一颗。

4. 里克望远镜和叶凯士望远镜

    接二连三的重大发现，令克拉克父子的声誉进一步提高。此后，在两个金融家的资助下，克拉克父子造出了两架更大的折射望远镜，而且直到今天也没有人超过他们。

    1874年，加利福尼亚的金融家詹姆斯.里克（1796~1876)为了让自己能流芳百世，决定拿出70万美元造一架91厘米的折射望远镜，以他自己的名字命名。这项重任自然落在了克拉克父子的肩上。经过14年的艰苦工作，1888年初，克拉克父子终于造好了这架全世界最大的折射镜——里克望远镜。可惜，里克早于十多年前即已去世，而老克拉克在望远镜落成前几个月去世，他们都未能亲眼目睹里克望远镜的风采。望远镜镜筒长18.3米，安装在加利福尼亚北部海拔1400米的汉密尔顿天文台一一该台后来改名为里克天文台。里克的遗体安葬在望远镜的基座下面，这是他生前的遗愿。天文学家用里克望远镜作出了许多成绩。例如，1892年，著名天文学家巴纳德(1857~1923)用它发现了木星的第五颗卫星。木卫五比伽利略当年发现的4颗卫星小得多，直径只有110千米，以至于在伽利略发现卫星之后二三百年之内也没有人能发现它。木星的其他小卫星都是到了20世纪才发现的。

    里克望远镜获得成功之后，小克拉克紧接着又着手磨制另一块更大的、口径101厘米的透镜。这是南加利福尼亚大学向他订购的，但是计划实施了一半之后这所大学却因缺乏经费而决定放弃它。而克拉克已经为此投入了大量财力和物力，磨制透镜所需的毛坯玻璃已经准备好，难道就此罢休吗？正在为难之时，芝加哥大学年轻的天文学家海尔(1868~1938，后来成为最成功的望远镜制造专家〉出来帮助克拉克。海尔凭他的三寸不烂之舌，说得大金融家査尔斯.泰森.叶凯士(1837-1905)同意拿出34.9万美元来制造望远镜以及建设安装它的天文台。

    1895年10月，口径101厘米、重230千克的透镜完工了。它被安装在芝加哥西北约130千米、海拔73米的日内瓦湖边、以叶凯士名字命名的天文台。镜筒长18米，整个望远镜重18吨以上，但是运转却很灵活、方便。

    1897年5月21日，叶凯士望远镜正式投入使用，而此后不到一个月，即1897年6月9日，为了望远镜事业倾注毕生精力的小克拉克却因劳累过度而与世长辞了。

    克拉克父子制造的叶凯士望远镜和里克望远镜是世界上最大的两架折射望远镜，而且冠亚军的宝座一直坐到了今天。为什么没有人再去超越他们呢？这是因为大型折射望远镜虽然具有很大的优点，也有难以克服的缺陷。首先是玻璃透镜的口径越大越难做，第二是透镜越大也就越重，导致透镜中央部分越容易凹陷。透镜安装在望远镜里时只将它的边缘卡住，天长日久，沉重的透镜中央部分就会凹陷变形，导致严重地影响观测质量。于是，人们还是把希望寄托在反射望远镜上。