1672 年 1 月 11 日，牛顿向英国皇家学会的会员们展示了自己的反射式望远镜。不同于源自伽利略时代的透镜成像折射望远镜，牛顿的望远镜使用反射镜成像。后来，科学史家便称牛顿发明了望远镜。然而，这种简略的历史叙述却掩盖了一个更有趣也更复杂的故事。牛顿发明望远镜的说法立即受到另外两位竞争者詹姆斯・格雷戈里（James Gregory）和劳伦特・卡塞格林（Laurent Cassegrain）的质疑。更令人困惑的是，最早使用曲面镜聚焦光线的想法早在牛顿之前 1500 多年就被提出了；而实用反射望远镜的最终实现，却比牛顿晚了半个多世纪。
反射式望远镜用到的光学原理很早就被提出了，它可以追溯到“亚历山大港的希罗”的反射光学，希罗是公元一世纪的埃及数学家、工程师和发明家。他证明了一个抛物面反射镜可以聚焦平行的入射光线并成像。没有证据表明希罗真的制造出了反射光学器件。但现在，屋顶上常见的电视天线“大锅盖”就利用了希罗的理论，它将展宽的无线电信号聚焦到一点。
中世纪伊斯兰光学学家也发现了曲面镜聚焦的特性，其中最著名的是 10 世纪波斯学者阿布・赛义德・阿尔・阿拉・伊本・萨尔的《燃烧的反射镜和透镜》。不幸的是，伊本・萨尔的作品在当时似乎没有什么影响，直到 20 世纪才被人们重视。希罗是文艺复兴时期意大利艺术家和工程师最喜欢的作家，所以反射望远镜的原理再次出现在莱昂纳多・达・芬奇未发表的手稿中也就不足为奇了。但达・芬奇对望远镜的兴趣也只在于写写画画，他并没有尝试实际建造这样的望远镜。
真正制造出第一个望远镜的荣誉落到了意大利天文学家尼科洛・祖基（Niccolò Zucchi）头上，他在撰写的《光学哲学》一书中提到他在 1616 年建造了一架带有曲面铜反射镜的望远镜。反射镜在焦点处形成的图像需要放大才能看到。祖基在光路上加了一个传统折射式望远镜的目镜，将反射镜聚焦的图像放大。但他发现最终得到的图像被扭曲得无法辨认。他发现了反射式望远镜的一个主要问题：很难研磨和抛光出合适的曲面金属镜面。尽管磨制透镜也会在表面产生缺陷，但反射镜表面的缺陷导致的光线偏折却会比透镜表面相同大小的缺陷强六倍。(光线在透镜中弯曲，会减弱缺陷的影响，而反射镜会放大缺陷的影响。)
即使祖奇的望远镜能工作，它也只有一面反射镜，所以不是一个全反射望远镜。所有真正的反射望远镜都至少有两块镜子: 成像的主镜和将图像从望远镜主体投射出去的副镜。第一个双镜反射远望镜的设计出现在 1636 年法国数学家、物理学家马林・梅森（Marin Mersenne）的《和谐宇宙》中。他从未试图实现他的设计，可能是因为他意识到制造抛物面反射镜的巨大困难。
这时，牛顿出现了。大约在 1668 年，牛顿按照自己的设计，用铜-锡-砷合金制成了一面反射镜，并成功地制造出了一台能正常使用的反射望远镜。他耍了一点小聪明，造了一个球面镜。虽然球面镜不能产生完全精确的图像，但比抛物面镜更容易研磨和抛光。然而，我们不应该低估牛顿作为一个工匠的能力。他的望远镜足以观察木星的四颗大卫星。它和当时的许多折射望远镜一样强大，而且体积更小。
在牛顿公开展示他的望远镜之前几年，苏格兰数学家和物理学家詹姆斯・格雷戈里 (James Gregory) 在他的《光学推广》中发表了一种与牛顿略有不同的反射望远镜设计。他的设计使用了抛物面主镜和椭球面副镜。与梅森不同的是，格雷戈里试图把自己的望远镜真正制造出来；与祖奇不同的是，他的望远镜有一个完整的双镜反射器。尽管格雷戈里聘请了伦敦最好的镜片制造商理查德・里夫 (Richard Reeve) 磨制镜片，但他的反射镜质量无法满足成像的要求。
据报道，牛顿的老对头罗伯特・胡克 (Robert Hooke) 在 1674 年按照格雷戈里的设计成功地制造出了一个能够正常使用的反射望远镜。但它很快就损坏了，没能保存下来。在这之前两年，胡克也是声援格雷戈里指控牛顿的主力。同样在 1672 年，医生让-巴蒂斯特・丹尼斯 (Jean-Baptiste Denys) 在一份法国杂志上发表了一封信，声称他的助手洛朗・卡塞格林 (Laurent Cassegrain) 才是设计了第一种反射望远镜的人。人们对卡塞格林知之甚少，也不知道有没有人试图在 17 世纪按他的设计方案建造望远镜。他使用了抛物面主镜和双曲面副镜，打磨起来特别复杂。
格雷戈里和卡塞格林的设计并没有立即实用化，不过，牛顿的设计也没有。尽管反射望远镜与折射望远镜相比有许多优点，但牛顿的球面镜无法有效地按比例放大，最终只能变成一个有趣的科学玩具。
早期的折射望远镜主要有两个光学问题难以解决，即球面像差和色差。首先，一个简单透镜的曲面是一个球冠—— 这是 17 世纪的技术唯一能做到的构型，它不能将光聚焦在一个点上，所以自然会产生一个扭曲的图像。这种球差可以通过使用极长焦距的透镜来缓解，但这种解决方案导致望远镜变得越来越长、越来越笨重。第二个问题，色差，是促使牛顿研究反射望远镜的原因。不同颜色的光在通过透镜时弯曲的角度略有不同。在彩虹中，这种效果很美。但在折射望远镜中，红光图像与蓝光图像之间会隔开一小段距离，产生彩色条纹，成像因此变得模糊。
没有透镜的反射望远镜比简单的折射望远镜成像更清晰。然而，直到 1721 年，牛顿建造出第一台望远镜 50 多年后，英国发明家约翰・哈德利（John Hadley）才成功地建造了一台大型牛顿式反射望远镜(还不完全是牛顿的球面镜设计)。英国皇家学会的成员将它与克里斯蒂安・惠更斯 120 英尺长的折射望远镜进行了对比，并宣布哈德利的望远镜性能更好。哈德利接着也制造了一台可以正常工作的格雷戈里式反射望远镜。更重要的是，他向当时主要的仪器制造商传授了一种成熟的研磨和抛光金属镜片方法，使批量生产高质量望远镜成为可能。
今天，所有主要的天文台，包括哈勃太空望远镜，都使用反射望远镜。我们应该把发明它功劳送给谁呢？提出概念的希罗？尝试实际建设的祖奇? 成功制造出现代望远镜前身的牛顿？还是让反射望远镜变得可行的哈德利？他们都不可或缺，但没有一个人的工作是足够的。
这个故事给我们的启示远不局限于望远镜这一个例子。对几乎所有的工业设备来说，声称发明者是某个特定的人都是不准确的。提出概念、制作样机和大规模应用可能非常不同，这个过程通常不是一条坦途，而是一条漫长、曲折又具有挑战性的征途。
作者：Thony Christie
翻译：藏痴
审校：*0
原文链接：How many great minds does it take to invent a telescope
本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Thony Christie
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