1.1 光学材料
伽利略望远镜的发明开启了一个新时代，而且使天文学科处于近代各科学的领先地位。伽利略之后，很多哲学家、数学家的业余爱好居然是竞相制作更好的望远镜；很多富人和贵族的善举是支持建造更大的望远镜。17世纪伟大的丹麦哲学家斯宾诺莎在被迫害后一直靠磨制望远镜物镜为生，并因此结识了著名望远镜发明家、物理学家惠更斯。有人认为，斯宾诺莎的过早去世与吸入过多玻璃粉尘有关。20世纪初的富商约翰·胡克赞助了当时世界上最大口径254厘米天文望远镜的建设，条件却只是用他的名字命名这一望远镜。这种时尚居然延续几世纪而不衰。
当然，望远镜的改善不只是缺少资金与人力，建造更好、更大的望远镜，还有一个更重要的问题：必须解决物镜材料问题。17世纪初，玻璃透镜为伽利略、开普勒的望远镜发明提供了基本条件。但是30年后却发现，玻璃透镜难以获得更高分辨率。色差造成的成像模糊成为难以逾越的障碍。减小物镜色差唯一的办法，就是尽量增长物镜焦距。17世纪诞生了一批长达40多米的折射望远镜。这样长的望远镜已无法制作镜筒，望远镜的操控也因此非常困难。到18世纪初期折射望远镜已几乎走到了尽头。
伟大的牛顿认识到透镜色差起因于色散，透镜就是厚度连续变化的棱镜，有色差是必然的，牛顿因此得出色差无法克服的悲剧性结论。但是，牛顿没有止步在利用透镜成像这条道路上。他明白，还有一条成像之路可走，那就是凹面镜成像。现在已无法知道，当时牛顿是否了解，遥远的中国人早在公元前5世纪就利用青铜制作凹面镜（阳燧）收集日光，在焦点处点燃易燃物以取火了。不过，现代欧洲人确实承认：铜镜（包括凹面镜）是古代中国人发明的。1668年牛顿设计并亲自制作了以青铜凹面镜为物镜的反射式望远镜，所以完全避免了色差。主要缺点是物镜要受一定遮挡，影响收集光线；铜镜的反光率也不高，当时只有19%左右，所以成像不够明亮。
但牛顿开辟了一条彻底解决色差之路，让人们看到了希望。改善铜合金，增大反射率；增大物镜口径，提高集光量是反射望远镜的目标。18世纪英国天文学家赫歇耳在这条道路上走得最远，成就最大。他先后制作了口径15厘米、23厘米、30厘米、102厘米的青铜反射望远镜，集光量比牛顿制作的增大了1600倍。由于获得了最佳青铜成分，反射率也提高很多。赫歇耳给天文学带来了空前的大发展。
玻璃透镜并没有退出物镜舞台。18世纪中期一位英国律师霍尔创造性地利用不同材料的色散差异设计了消色差透镜，后经多龙德的实践，在18世纪晚期已经成功地制出了消色差物镜，并在19世纪带来了折射望远镜的再度辉煌。辉煌的顶点是由美国望远镜建造巨人海尔主持创造的。在克拉克父子两代光学玻璃大师的努力下，于19世纪末创建了叶凯士天文台口径102厘米的空前的折射望远镜记录。消色差物镜也使显微镜从此走出了落后于望远镜的困境，在19世纪创造出显微镜的辉煌时期。照相机镜头也是在消色差透镜的基础上才走向成熟的。19世纪是光学玻璃大发展的时期，造就了第一个功能材料群体问世的辉煌历史。
到19世纪中期，青铜反射物镜也走到了尽头。法国物理学家傅科等创造了在玻璃上蒸镀银膜的技术，使玻璃又重回物镜舞台，但这次它仅是金属膜的支撑体。美国海尔在20世纪初利用这种新技术，不断创造出一个个反射望远镜之最，直到口径达到508厘米之巨。
1.1.1 伽利略开启的伟业
L：老师！把伽利略推崇为功能材料第一人，是否离大家的认知远了一点？
H：我看不远。当然，在伽利略生活的16~17世纪，还没有“材料”的概念，这时即使使用“材料”一词，也与“物质”大体同义。公认伽利略奠基了“材料力学”，其含义也只是“关于固态物质的力学”。17世纪初的欧洲，冶金业还很弱小，矗立在人们面前的宫殿、神庙，都是用天然材料石块、木头等制成的。这时的梁柱等力学问题，就是最初材料力学的研究对象。所以力学家就是当时的“材料学家”。
L：老师的论证是否有点诡辩意味了。就算伽利略是当时的材料学家，怎么就能称他为“功能材料”的第一人呢？依您说，连材料的概念还没有，何谈功能材料？
H：所谓称呼，其实都是后人决定的。当时还没有材料概念，当然更没有功能材料概念。不过，如果说伽利略是物理学家、力学家你大概不会有意见吧？其实，这些“××学”的“学科”概念当时也没有，这些“××家”的尊号，也都是后人在有了“××学”之后追加上去的。我们根据后来功能材料的出现，再给伽氏追加一个功能材料第一人的尊号又有何不可呢？虽然玻璃不是伽利略发明的，最初玻璃只是人们的装饰品，与宝石同类。12世纪欧洲有了商品玻璃，1226年英国首次制出平板玻璃。在伽利略之前玻璃只是一种透明物质。但是是伽利略把玻璃制成透镜，再用两种不同的透镜制成望远镜。你说，是不是伽利略最早把玻璃作为功能材料来应用的啊？
L：这个“最早”还是有争议的吧？听说1595年荷兰眼镜制作工匠詹森父子就声称发明了望远镜，荷兰的李普希1608年也曾申请过望远镜专利。这些不是更早吗？
H：你说得不错。我们应该记住詹森父子和可敬的汉斯·李普希（Hans. Lippershey）。据说他们不仅制作了望远镜，而且可能还制作了显微镜。可惜，他们没有留下遗物，甚至也没有像达·芬奇那样留下设计的图形。他们无疑是更早的奠基者，是伽利略的先驱。但是，作为一种伟大科学仪器的创始者，我们只能从伽利略讲起。因为伽利略不仅只凭听到的信息，开始了独立的制作实践，留下了后来人们看到的宝贵的“伽利略望远镜”实物依据。更重要的是：伽利略开始了更宝贵的科学实践活动，并最终留下了开启人类智慧的研究成果。正因如此，称伽利略是望远镜的发明人，称他是将玻璃用作功能材料的第一人是有根据的，也是名副其实的。
L：不过伽利略的研究是以利用透镜为起点的。那谁是最早的透镜发明者呢？
H：问得好！公认的透镜发明者是英国科学家罗杰·培根（Roger Bacon）。他在1250年发明了玻璃透镜，测定了透镜的焦距并研究了成像条件等。罗杰·培根甚至还预言了望远镜、显微镜的出现。但是请注意：一句广为世人传诵的名言——知识就是力量却是另一位英国哲学家弗朗西斯·培根在1620年提出的。罗杰·培根的研究还没有导致科学仪器的发明，当然也没有使人类对世界的认知产生飞跃。
L：那么，该怎样评价伽利略开启的伟大事业和他对人类认识世界的贡献呢？
H：这恐怕是怎样评价都不会过分的。他创造了可以延伸人类视觉的科学仪器，用以观察目力所不及的周围世界。400多年来，望远镜以目不暇接的速度在更新我们对周围世界、对地球、对太阳系、对整个宇宙的认识，更新我们的世界观。这是没有任何一种科学仪器能与之相比的。作为功能材料第一人的伽利略，虽然还没涉及他在近代科学上的其他贡献，但是仍然可以看出，他对人类智慧的贡献实在是太大了！
1.1.2 开普勒的贡献
L：伽利略的望远镜取得哪些伟大成就呢？ 400多年来一直让人如此津津乐道！
H：伽利略在发明望远镜的第一年，即1609年就把它指向了月亮。世界很多民族都把月亮描绘成美丽的乐园，但伽利略很失望，他只看到了充满暗影与疤痕的世界，和一个个后来被称作环形山的圆形山脉。伽利略还把望远镜指向了璀璨的银河，那也是充满遐想的地方，但他只是看到了更多的星星，更暗的星星，并没有其他细节。他告诉人们这里仅仅是星星更密集的地方。1610年1月7日，伽利略用望远镜观察了木星，他看到三颗小星在围绕木星转，几个小时就会感受到位置的改变。后来发现这样的小星是4颗，它们被称作伽利略卫星。这个发现很有意义，证明并非所有天体都绕地球转，这是对地球中心说的一次挑战，也就是对哥白尼地动说的一个支持。
L：教会能容忍伽利略吗？挑战亚里士多德都要受惩罚，支持哥白尼能允许吗？
H：伽利略还有更离经叛道的发现。1610年他发现了金星的盈亏现象，这只有承认金星绕着太阳转才能解释。1612年，他正式公布发现了太阳黑子，并因此可以确定太阳大约一个月自转一周。这些发现不仅与教会主张太阳洁白无瑕正面冲突，而且为哥白尼学说提供更多根据。统治着欧洲意识形态的教会终于被激怒了。1613年，哥白尼的《天体运行论》被宗教法庭列为禁书，伽利略也受到警告。1632年宗教法庭把伽利略传到法庭并判罪，1633年伽利略被判处终身监禁。1992年10月31日，伽利略蒙冤360年之后获得了梵蒂冈教皇的平反。教皇约翰·保罗二世说，当年处置伽利略是一个“善意的错误”。他说：“永远不要再发生另一起伽利略事件。”
L：承认错误应该欢迎，只是太晚了。教会就不该干预科学！开普勒贡献了什么呢？
H：这里不说行星三定律，还是说望远镜！伽利略望远镜的目镜是凹透镜。由于凹透镜用来观察虚像，所以伽利略望远镜看到的是正像，更适合观看地面目标。很长时间它也被用作“观剧镜”。直到现在，小倍率的儿童玩具还在使用伽利略望远镜。但是，伽利略望远镜不适合制作放大倍率很大的望远镜，因为凹透镜目镜使得视场变小，放大倍率越大视场越小。伽利略在用他的32倍望远镜观察月亮时，已经看不到整个月面，视场小于0.25°。既很难寻找观察目标，也不利于观察比较。针对伽利略望远镜的这一问题，1611年开普勒发明了使用凸透镜作目镜的望远镜，使得同倍率的望远镜视场获得大幅度提高。只是，这时观察到的是倒像。但是对于天文观察来说，倒像与正像并没有太大差别，也没有不方便。这种望远镜也称作“开普勒望远镜”。从此以后，高倍率望远镜全都是开普勒望远镜。物镜和目镜都是凸透镜，统称折射望远镜。
L：那么，观察地面目标怎么办哪？人倒着，看起来多难受啊？
H：后来，通过棱镜组的多次反射也可以使开普勒望远镜获得正像，这时镜筒就变成了折线形状。使得物镜焦距很长的望远镜，镜筒可以缩短。这就又涉及另一种玻璃功能材料——反射棱镜材料。反射棱镜材料质量的提高，也会直接影响到望远镜的质量。因为棱镜不仅要反射光线，也要透过光线。同时具有高反射率和高透射率是这种材料的性能目标。通过将棱镜组设计成特殊的形状，也可以在保持镜筒为直线的情况下，实现倒像变正像。但必须强调一下，望远镜的高端是天文望远镜，这里完全用不上棱镜组。最关键的问题是增大物镜的口径，收集更多光线，提高像的亮度，提高像的分辨率。核心问题是提高物镜材料的质量和性能。
1.1.3 透镜色差困难
L：开普勒望远镜发明后，天文观察最关键的物镜在材料上遇到些什么问题呢？
H：问题虽然是多方面的，但首先是要彻底消灭玻璃的色彩，使之成为无色固体；其次是提高纯净度，消灭各种夹杂、气泡；还要消除各种应力，提高均匀度等。这是为了使光线能充分透过物镜，形成明亮清晰的“像”，再通过目镜放大观察这个“像”，达到“望远”的效果。这是透镜材料学的最初任务，应该说，很快基本完成了。
L：怎么是基本完成了呢？还有什么问题没有解决吗？
H：有！而且是难倒了伟大科学家牛顿的问题。在伽利略和开普勒相继制造出的折射望远镜中所观察到的“像”，并不能与“物”完全一致。这包括形状和颜色两个主要方面。把这种不一致统称作“像差”。在用放大镜观察物体时，大家都会有把正方形的四条直线看成曲线的经验，这就是一种像差，称作“像畸变”。这时，像是清晰的，只是形状改变了。像差中最令人头疼的是色差，它使得像不能清晰。因为在17世纪前期，对于为什么不同的物体会有不同的颜色，还没有统一的令人信服的解释。但是，人们相信亚里士多德的说法：全反射的物体是白的，全吸收的物体是黑的。总之颜色不是物体固有的属性，应该与光线有关。
L：您还没有解释到底什么是色差，怎样产生的？是怎样难倒了牛顿的？
H：那还是要先说清颜色与光线的关系。所谓色差，直观地说是望远镜观察到的像的边缘呈现彩色状，因此边缘模糊不清。放大倍数越高，色差会越明显。参看观测金星时的色差，这需要很高的倍数。色差导致像的清晰度和分辨率降低，是提高望远镜质量的障碍。这是前面所述提高透镜玻璃质量的各种手段所无法解决的。1664年起牛顿研究日光通过三棱镜的色散现象。明确了所谓白光实际上是一种混合光线，包含了红、橙、黄、绿、靛、蓝、紫等各种颜色。世间万物的各种颜色都来源于对它们的选择性反射。牛顿还指出，不同颜色光线的折射率是不同的，因此通过棱镜折射时产生了色散。1666年牛顿进一步指出，正是色散造成了色差。由棱镜和凸透镜的断面对比可以看出，凸透镜可以看成是由很多个梯形断面的棱镜组合而成的。因为不同颜色的光线通过透镜时的折射率不同，所以不可能精确地聚焦于同一点上，于是产生了色差。
L：这不就是说，亚里士多德的结论虽然粗糙些，但基本思路是正确的吗？而且正是牛顿解决了色差产生的原因！怎么说是难倒了牛顿呢？
H：是的！牛顿弄清了色差的原因。但是牛顿也认为，既然色散是不可避免的，那么色差也就是不可避免的，是无法解决的。后来的研究发展表明：色差无法解决的判断是不正确的。而这个判断与牛顿的一次粗心实验有关：他在一个棱柱形玻璃容器里注满水，与一个实心玻璃棱柱做折射率和色散试验，结果是折射率与色散相同。牛顿进而推断：所有透明物质都以相同方式折射不同颜色的光线。当时有一位名叫卢卡斯的研究者已经测得了：不同玻璃折射时的色散程度是有一定差异的，并把结果告诉了牛顿。但是却没有引起牛顿的注意。他这一次粗心，终于导致了色差无法解决的结论的产生。
L：原来是这样。牛顿也许在考虑更重大的问题，才没有去关心色散的细微差异。
H：也许如此。但是，牛顿的这个结论影响是巨大的。它使得消色差技术在一个世纪之后才诞生，也使得望远镜的发展方向随之发生了极其重大的转变。而且，这个方向转变非但不容指责，实际还是一次伟大进步。
1.1.4 赫维留斯等的努力
L：既然不能消除物镜的色差，折射望远镜还能够继续向前发展吗？
H：由于伽利略的天文发现实在太引人入胜了，因此在欧洲各国涌现出一批利用望远镜观察天空的人，而且他们竞相提早报道研究结果，以求名垂青史。例如，德国的克里斯托弗·沙内尔1612年发表了关于太阳黑子的观测结果，使得伽利略不得不提前宣布自己早些时候的研究结果。并指出，沙内尔关于黑子是靠近太阳的小行星的解释是错误的，黑子应该是太阳本身的表面现象。伽利略的正确解释为自己赢得了发现太阳黑子的光荣。因此，科学家们竞相提高自己望远镜的水平，以求进一步看清细节。面对色差的拦路虎，他们探索出一条不得已的办法：增长物镜透镜的焦距。也就是降低透镜的表面曲率，使得光线的折射发生得更缓和些。
L：这怎么能说是不得已呢？望远镜的放大倍率不就是物镜焦距除以目镜焦距吗？增加物镜焦距，可以提高放大倍率啊！这应该是个好办法啊！
H：对于天文观测来说，单纯提高放大倍率意义并不大，这以后还会提到。何况，目镜也需要减小色差，也需要增加焦距，结果是望远镜必须做得很长。望远镜太长后操作起来很不方便。但是为了使自己的望远镜能更清晰，这种不方便就只能忍耐了。这时，人们的第一个观察目标是地球的最近邻——月亮。为了能清楚地观察月亮，波兰科学家赫维留斯像他的同乡哥白尼一样，做出了惊人之举。1641年他建造了一台长达46米的开普勒望远镜。这样长的望远镜一个人是完全无法操作的。而且这样长无法制作镜筒，在不使用镜筒的条件下，刚度极难维持。就是说，目镜对准物镜已经很难，要瞄准观察目标，操作的困难是难以形容的。前辈科学家没有任何功利目的支配，受探索未知世界热情驱动，为科学献身的精神由此可见一斑。
L：月亮是要东升西落地整日运动啊！那么长的大家伙，瞄准能跟得上吗？
H：说得对！这是所有天文观测都要遇到的大问题。彻底解决这个问题是在200年之后，使用赤道仪通过自动化电动跟踪实现的。赫维留斯他们当时的观察，只能静静地等待月亮通过视野的那短暂的时间。放大倍数越大，通过视野的时间越短，往往只有几十秒的时间。这还是以事先能做到精确瞄准为前提的。
L：那么赫维留斯的超长望远镜是否达到了预期的减小色差的效果了呢？
H：这里还是先来介绍一下这位波兰科学名人。赫维留斯早年在荷兰学习法律，后游学于英国和法国，23岁返回故乡格但斯克。1636年加入啤酒酿造协会，七年后成为协会领导人。40岁成为市议员，后又成为市长。他终生在格但斯克市管理层工作。28岁以后他的兴趣转向天文学。30岁时在自家房顶上建了一个天文台，在夫人的协助下，测定了全天星图。在建造了超长望远镜后，赫维留斯于1641~1645年研究记录了月球的表面形态，后被誉为“月球表面形态学创始人”。他首先发现了月球经度方向的“天平动”现象，是天文学史上的著名人物。简单一句话，他用超长焦方法减小了透镜玻璃色差，艰难地取得了预期的成功。
L：那么赫维留斯应该是第一位绘制月面形态图的人了吧？
H：如果把伽利略也算上，第二位是法国人（1630年代），赫维留斯虽以1645年居第三位，但准确度、详尽度都应列首位。不过罗马教廷偏爱一位叫里西奥利（Riccioli）的意大利科学家，因为他反对哥白尼。虽然里西奥利的月面图1647年才绘出。但月面形态的名称如静海、澄海、第谷等，都由赫维留斯的命名改用了里西奥利的。
1.1.5 折射望远镜艰难前行
L：赫维留斯之后，科学家们在克服像差特别是色差方面，又做出哪些成绩呢？
H：17世纪是折射望远镜诞生的世纪，也是艰难前行的世纪。所谓艰难前行是在物镜材料上没有取得突破性进展。但是，科学家在消色差透镜出现之前仍取得了令人欣慰的成绩。先是通过目镜设计大幅度减少了目镜色差。这是由透镜之乡的荷兰科学家惠更斯完成的。惠更斯是伽利略与牛顿之间的全能科学大师。其贡献主要在光学和摆动力学，他是光波动说的代表人物，是动量守恒定律提出者。像那个时代的科学大师一样，惠更斯自己创制各种研究仪器。他自幼聪慧，13岁曾自制一台车床，表现出超强能力。34岁被聘为英国皇家学会第一位外国会员。1655年他与哥哥一起，磨制玻璃透镜镜片，制作了显微镜和望远镜。他发明的小色差“惠更斯目镜”，一直用到今天。
L：原来惠更斯也是位钟情于功能材料的大师。他的望远镜水平如何啊？
H：简单说，是消色差物镜出现之前的最高水平！他磨制的透镜可以最大限度减小像差，包括球差与彗差等，靠增大焦距减小色差。他曾造出了长达37米的开普勒望远镜。不仅如此，为了解决镜筒困难和因风引起的颤动，1655年他设计了无镜筒超长“隔空望远镜”：物镜短筒被安置在稳定的高处，用长线调整角度，使之与地面的目镜短筒保持在一条直线上，以实现对目标的观察。这种超长的隔空望远镜虽然操作十分复杂，需要极高的技巧，但仍使用了近一个世纪，取得了令人赞叹的成就。17世纪著名荷兰哲学家斯宾诺莎曾有名言：正如光既暴露了自身，又暴露了周围的黑暗一样，真理既是自身的标准，又是虚假的标准。斯宾诺莎 在遭遇迫害期间，靠磨制透镜维持生计，因此结识了惠更斯，被后世传为名人交往的美谈。
L：请举出几个突出实例，展示一下惠更斯等科学家们艰苦奋斗的成果。
H：当时望远镜的主要研究目标集中在探索太阳系内的奥秘。伽利略曾注意到当时太阳系最外层的土星两侧似乎各有一个小星，像是老年人的侍者，但又看不清楚。1656年惠更斯用放大150倍的望远镜终于看清楚了：那是一个很大的扁平光环。这个绝无仅有的形状震惊了全世界，至今土星光环的美丽动人仍让人叹为观止。但是，惠更斯也无法解释这光环究竟是什么。他还发现了土星最大的卫星，取名泰坦（Titan，与金属元素钛、著名失事游船泰坦尼克同名），学名土卫6，每16小时绕土星一周。现在已知，这是一个与地球十分相似的世界，被寄予“地外生命”的希望。
L：泰坦上真的会有生命吗？也会有动物吗？这太有意思了！
H：已经跑题了。在消色差物镜出现之前，超长望远镜还有一个令人兴奋不已的成果，那就是光速的估算。1670年代在巴黎天文台工作的丹麦科学家罗默注意到，木星的4颗最大的卫星——伽利略卫星，已被精确地记录下运行规律。木卫1至木卫3围绕木星的运动周期都少于1个星期。木卫4也只有16天，都远小于月球绕地周期。木卫1至木卫3都可能被木星遮掩，即发生“木卫食”现象。也都有经计算推测的木卫食时刻表。细心的罗默发现，地球处于接近木星的T位（见图版）时，木卫食时间提前8分多；地球处于远离木星的T'位时，木卫食时间迟到8分多。罗默认为，这种木卫食的提前或推迟，正是由于光行走路程不相等的结果。路程之差为太阳与地球间距离的2倍，计算结果：光速为225300千米/秒。这与现代实测真空光速299792千米/秒相比，只低24%，是个极辉煌的成就。因此，人们也知道了光线由太阳到地球的时间是8分多。
1.1.6 牛顿开辟新路
L：牛顿认为色散导致色差，色散既然不可避免，色差也不可避免。这没有错啊！
H：是的！色差不可避免是没有错的，但是实际透镜的色差是有办法消除的。这话以后再谈吧。令人高兴的是，牛顿绝非常人。他虽然没有继续探讨透明玻璃之间的色散程度之差，可以用来消除实用透镜的色差；但是，他也并没有认输。他在想更有意义的事：透镜成像时的色差很讨厌，难道只有透镜能成像吗？再没有别的成像方法了吗？我们每天照的铜镜里不是也有像吗？反射也可以成像啊！反射并没有色散，也应该没有色差啊！顺着这个思路想下去，牛顿终于豁然开朗了。在1666年牛顿认定色散导致色差两年后，1668年他成功制出了反射镜成像的望远镜。这是一条有无限前景的思路。这是物镜材料的大转移、大变化！由透明到不透明，由玻璃到金属。
L：怎么是金属？镜子不也是用玻璃制作的吗？当时没有这种镜子吗？
H：1508年就有了水银玻璃镜。但是这种镜子不能用来制作望远镜物镜。因为水银层反射前后都要透过玻璃，无法保证成像质量。17世纪的直接反射镜，还都是铜合金制的，这是人类最早创造的金属材料。现在欧洲人承认，世界最早的镜子材料是中国人发明的。英国皇家学会详细记录了牛顿当时对选用什么材料来制作反射镜的总结评述，十分珍贵。牛顿评论道：“镜用合金通常都有微缩孔，这只有在显微镜下才能看见，在抛光时已能显现，影响成像质量。”他还指出：“将铋混入钟铜会使其变成白色，但会生成气体造成微缩孔。……砷可以使金属变白，变密实。”后来，皇家学会还做过以钢为反射镜的实验，也采纳过胡克的建议，即采用造币厂的塑性变形后的银盘来制作反射望远镜的物镜。因为早在1550年庞特就已经指出，银可以制作反射材料。
L：那么，到底牛顿是用什么金属制作的反射望远镜物镜的呢？
H：现在查不到明确的记录。但是，这已经不太重要。最重要的是这架像玩具一样的反射式望远镜，如同伽利略的发明一样，石破天惊般彻底改变了人类对望远镜的思考：不必停留在透镜上！后来反射式望远镜居然变成了天文望远镜的主流。望远镜的口径从5厘米增到15厘米、50厘米、500厘米甚至数千厘米，不断攀升发展进步。当然也包括物镜材料的继续变化。牛顿正是这一伟大变化的第一推动者。不过，话说回来，我推断牛顿的反射镜材料还是铜基合金。而且对这位伟大科学家的冶金学经验还真不敢过分恭维，也许还赶不上中国东周时期的工匠水平。
L：这架反射式望远镜还有两个部分：平面反射镜和目镜，用的是什么材料啊？
H：这些虽是辅助部分，但也很重要。反射物镜所收集的全部光线都要通过这块平面反射镜送达目镜，使我们看到形成的像。平面反射镜材料应该与物镜是一样的。至于目镜我推测应该会使用惠更斯目镜，这时惠更斯目镜已发明十年。惠更斯也访问过英国，并与牛顿相见，而且惺惺相惜，惠更斯对这位比他小14岁的科学巨人十分钦佩。尽管前面把牛顿的发明赞美了一通。但是，像一切刚出世的新事物一样，这时的牛顿反射望远镜还很不完美。色差是没有了，像的边缘很清晰。但是，其他像差如球差、畸变等还会出现；更重要的是并非进入望远镜的光线全都参与成像，只有被反射的光线才能参与成像。反射率越低，像就越暗淡。当时牛顿得到的反射率只达到19%，像的亮度可想而知。还有物镜很容易锈蚀，要经常重新抛光，才能保持反光率。但是，牛顿把原理问题解决了，剩下的技术问题一定会有人想出高招的。
1.1.7 中国对反射镜材料的贡献
L：您是说古代中国的反射镜及材料研究吧，这些与牛顿的研究有传承关系吗？
H：直接的传承确实没有记载。但是同为地球上的文明，也很难说毫无关系。我们可以顺便领略一下东方文化的发展模式。甚至可以反思一下我们近代落后的原因。早在公元前5～前4世纪，在诸子百家中独树一帜的墨家不以说服国君、谋求官职为务，而是以方兴未艾的手工业为主要谋生手段。首领墨翟是鲁国的机械手工业者，精通木工。墨家多直接参加劳动，接近自然，热心自然科学，有点像今天的独立知识分子。墨家门徒传承的经典《墨经》是《墨子》一书中的重要部分，有《经上》《经下》《经上说》《经下说》四篇。《经说》是对《经》的解释或补充。
L：《墨经》很不好懂。我有个问题：他们为什么要研究凹面镜成像呢？
H：还是需求牵引之故吧。当时阳燧取火一定是很先进的技术，相当于前些年的自动点火器。手工业者的墨家相当于今天的工程师，当然要研究了。鉴洼（凹面镜）的中，相当于凹面镜的焦点，“景”就是物的“像”。景大而正，是说放大而成的正虚像；景小而易，是说像变小而且方向也已改变。说在中之内外，是说像的倒正大小取决于物在焦点的里边还是外边。你看，对凹面镜成像规律的描述是多么正确啊！
L：是很正确，很了不起。可惜没有当时关于阳燧取火的记述啊。
H：有啊！当然不是《墨子》或《墨经》，而是传说成书于春秋时期的另一个经典《周礼·秋官司寇》。其中有“司烜氏掌以夫燧取明火于日”的记载，应该是比《墨经》更早的。东汉经学家郑玄明确地解释“夫燧”即为阳燧。这说明先有阳燧应用，后有凹面镜成像研究。这一顺序也是合理的。成书更晚的西汉时代刘安所著《淮南子·天文训》中，更明确地说明了阳燧取火的功能。就是说，即使牛顿的研究与中国人关于凹面镜的研究无关，阳燧研究也毫无疑问是铜器用于“功能性”用途的早期证据。
L；这些经典虽然明确了“燧”的含义，但并没说“阳燧”就是铜器啊！
H：我们还有经典哪！成书于春秋时齐国的《周礼·冬官考工记》中有“金有六齐”的记载，这里的金就是铜，齐就是指铜锡合金，而且明确指出了合金的成分：“金锡半，谓之鉴燧之齐。”就是说，做鉴燧用的合金，是含锡量最高的铜锡合金。锡含量越高，硬度越高，有利于通过抛光提高反射率。
L：中国古代铜镜经常能看到，汉唐铜镜也不少见。铜制的凹面镜现在还有吗？
H：最早的中国古代铜镜是甘肃广和县齐家遗址的史前出土文物，属于公元前20世纪。距今已4000多年，相当于中原的夏代。至于铜制凹面镜，即古称阳燧的，过去注意得不够。经认真一查，也绝非稀罕之物。保存十分完好的汉代阳燧十分多见，战国以前的阳燧也并不少见。关于《考工记》所描述的锡青铜成分表述，目前学术界的观点还不一致，图版给出了其中一种解读的“六齐”成分位置。不管《考工记》六齐的成分怎样解读，“金锡半的鉴燧之齐”都是含锡量最高的铜锡合金，这是毫无疑义的。
L：真应该赞颂一下我们的祖先。在两千多年之前，就在干着与牛顿相似的工作，只是成像的用途不同，要求的精度有些差别。我们决不能有愧于祖先，一定要重新振兴中华先民敢为天下先的创新精神。
H：说得好！从这节起，金属上升为光学材料的主流，尽管这一用途现在已成陈迹，但大家应记住，金属的反射性能在当时和现在都是事关科技前沿的大事。
1.1.8 反射镜大放异彩（上）
L：在1660～1670年代牛顿发明反射式望远镜后，立即出现研究的追随者了吗？
H：并没有。这期间还出现过1672年卡塞格林式的抛物面反射物镜和1674年胡克制造的格利高里式反射望远镜，这些都属于向色差挑战的尝试。与已经由惠更斯等发展起来的折射隔空望远镜取得的成功相比，这些尝试还不具备淘汰后者的实力。直到1721年英国数学家哈德利制作出口径15厘米的格利高里式反射望远镜，情况稍好些。这样的口径已经与惠更斯等的折射望远镜口径相当，具有与后者一争高下的实力了。它们的长度只有2米左右，操作方便会有极大的诱惑力。
L：是啊！不知道这样的口径与焦距是否可以对折射望远镜构成性能优势呢？
H：没有哈德利的观测成就记录。但到消色差物镜出世前的18世纪中后期，反射镜的优势出现了。威廉·赫歇耳和妹妹卡洛琳·赫歇耳完成了这个伟业。当时折射望远镜还处在超长焦隔空式阶段，即使到消色差透镜出现的18世纪末，口径也很难超过10厘米。而反射望远镜可做得更大，因为铸造大块金属要比制造大块优质光学玻璃更容易，经验也更多。况且，玻璃透镜必须整体完好无瑕，而金属反射镜只要镜面形状准确、有足够高的反射率即可。应该介绍一下赫歇耳家族，这个家族影响天文学长达一个世纪。威廉·赫歇耳和妹妹卡洛琳其实都是音乐爱好者，他们出生在德国的汉诺威（当时归英国管辖），由于厌恶战争，威廉逃离了军队乐团，回到了英国本土。威廉靠教儿童音乐谋生，卡洛琳天生一副好歌喉。在父亲影响下威廉很早就迷恋上天文，这时他一边教妹妹英语，一边磨制青铜镜片，小十二岁的妹妹成了他各方面的助手。1776年他们合作制成了口径15厘米的牛顿式反射望远镜。1781年3月12日他们用这台望远镜发现了太阳系中比土星更远的新行星——天王星。这一辉煌成就，轰动了全世界。而这个物镜的青铜成分正是威廉自己研究成功的。
L：原来赫歇耳兄妹只是业余的天文学爱好者，还兼冶金，一直都是这样吗？
H：是的。天王星的发现震惊了英王乔治三世，也改变了赫歇耳兄妹的命运。乔治三世不仅宽宥了威廉早年擅离军队的过错，还任命其为宫廷天文学家，从此威廉可以不再靠音乐谋生而专心天文学研究了。其实天王星还改变了反射望远镜的命运，由于天王星的发现，人们进一步认识到提高分辨率和提高目标亮度的意义，这些都要求增大望远镜口径。青铜制作更大尺寸反射物镜的困难，远小于玻璃透镜的制作。在这一轮口径尺寸的竞争中，反射镜胜出。1782年下半年，威廉应国王邀请，移居伦敦附近。4年后他成为研究银河系结构的权威，首次提出银河系的盘状结构。三百年前哥白尼将地球逐出了宇宙中心，如今，赫歇尔又将太阳从任何带有特殊意义的位置迁移出去。
L：就是说，天文学家依靠望远镜物镜尺寸的增大，在把研究对象不断向远处延伸，现在不仅超越了太阳系的外缘，还将深入到银河系，并进一步伸向更远的深处。
H：正是这样。实际上，物镜尺寸在决定着研究空间的尺度。而物镜尺寸又与物镜材料有着某种不可思议的关联。所以，在对宇宙的探索中，功能材料有着难以预知的特殊价值，这也是始料不及的。威廉·赫歇耳对铜合金物镜材料做了系统研究，获得了理想青铜镜材料的成分为：铜68.21%，锡31.7%。铜越多时，合金颜色变黄，硬度变低；锡越多时，合金颜色变蓝，硬度增高，反射率增大，抗腐蚀能力增强。但是，合金含锡量超过45%时，变得极脆，难以制作大尺寸物镜。
1.1.9 反射镜大放异彩（中）
L：这样说来，赫歇耳兄妹是反射式望远镜及其物镜材料的最杰出人物了。
H：是的。作为一个三代天文世家，还应包括把威廉引导到天文道路上来的父亲老赫歇耳，以及威廉的儿子约翰·赫歇耳。1782年以后由于有了爱好天文的国王乔治三世的支持，他每月有了300多英镑的收入，不用再靠音乐养家糊口，可以专心推行天文计划了。威廉的研究已经突破银河系，开始了对银河系外世界的观察了。已经注意到很多银河系外的目标，也在酝酿着新的望远镜物镜的制作。
L：看来，天王星的发现对赫歇耳是决定性的。人确实是需要偶然的机遇啊！
H：天王星的发现确实带有偶然性。但是，这偶然性由赫歇耳撞上，又带有必然性。天王星被赫歇耳发现时在双子座。这是黄道12星座之一，经常被人观察。1690年以来，天王星已至少被观测并记录了19次，但每次都被误认为是暗恒星而忽略了。见过这颗星的也不乏名人，如英国皇家天文学家布拉得雷（光行差测定者）等大师。结果机会被一位望远镜制造工匠、小城民间乐手、天文爱好者威廉·赫歇尔偶然撞上了。确如笛卡儿所言：机遇只垂青有准备的人。赫歇耳兄妹一共制作了各种尺寸的反射望远镜400架。每架的物镜都由威廉亲自磨制。制作出售的望远镜也至少76架。他也熔制过大量铜合金。每次制作水平都有所提高，在发现天王星时，此星略带蓝色。这没有逃过威廉的眼睛。他更换高倍目镜观察，此星出现边缘，而恒星绝无此特征。威廉以为是发现了彗星，他连续观察多日后，以发现新彗星向英国皇家学会做了报告。很快法国科学家算出其轨道：近乎正圆形。于是，第七大行星被确认了！
L：看来，由赫歇耳发现真不是偶然的。他的望远镜和物镜应该是全世界最好的！
H：正是！观测经验也是一流的。到了1786年，他探测更深宇宙的计划已有很大进展。正式发表了《一千个新星云和星团表》，这里就包括大量银河外的信息。除了少量别人的研究结果之外，收录了他本人的全部新发现。在所有这些繁重的观测中，威廉都得到了妹妹卡洛琳的全力帮助。卡洛琳也放弃音乐完全成为天文学家了。威廉给她一具小望远镜专门搜索和发现彗星。1786年4月，威廉再次移居白金汉郡斯劳。这时他为了证实自己的观测完全可以透过银河，达到更远的星系，计划建一座口径达102厘米、焦距12.2米的大型反射望远镜。威廉亲自制作青铜物镜，望远镜1789年落成。这是18世纪天文望远镜的顶峰，一时间成了备受瞩目的珍奇景观。乔治三世和各国宾客时常前来观瞻。国王所赐津贴，威廉全部用于维护望远镜运转和支付工人的工资。他的经济状况依然拮据，有一段时间不得不继续靠制作和出售望远镜来维持。直到1788年威廉50岁时结婚，娶了一位既十分富有，又对他的研究工作十分理解、倾力支持的寡居女人玛丽，经济情况才有了彻底改观。
L：威廉·赫歇耳漂泊半生、勤奋清苦，老年终有好报，也让人欣慰啊！
H：玛丽还给威廉生了独子约翰，后来子承父业，也成为优秀的天文学家。1821年英国皇家天文学会成立时，威廉众望所归成为首任会长，后来还被册封为爵士。1822年，威廉与世长辞。他84岁的寿命竟恰巧与他发现的天王星绕日公转周期相同。卡洛琳终生未婚，陪伴威廉50余年。威廉的许多发现都有她的功劳，她也有不少独自的成就：发现了14个星云和8颗彗星，对星表做了修订，补充了561颗星的位置。1848年卡洛琳98岁与世长辞，是18~19世纪著名天文学家之一。
1.1.10 反射镜大放异彩（下）
L：18世纪的欧洲贵族们大力支持科学研究是附庸风雅还是有利可图啊？
H：这两种说法都是贬义的，是不对的，受“为富必然不仁”的影响太深了。富有者不满足于富，而做善事者大有人在。有益于科学即为善事，一定要问其所图吗？总比大清国里竞相花钱买官依势鬻爵要好得多吧。欧美也确有暴富者“被捐助”的实例，后面再说。这位罗斯伯爵还真是一位功能材料先驱。他为建造一座能超过威廉·赫歇耳的口径102厘米反射望远镜，首先花费5年时间才研究出一种最适合制造反射镜的铜锡合金。为了保证最终目的实现，他从1827年起，先后试铸一片直径38厘米和一片直径61厘米的反射镜；1840年又试铸一片91厘米的反射镜。1842年，伯爵开始最终铸造直径185厘米的反射镜。其面积是赫歇尔望远镜的2.25倍，反射镜铸成后缓冷了16个星期。镜面磨好后，刚要安装到望远镜上就开裂了。他只好重新铸造，直到第五次才算大功告成。为了不影响研究，他还备用了一块反射镜片，重达3.6吨。
L：这位罗斯伯爵对科学还真够痴迷的。他本人真的是一位天文学家吗？
H：是的。威廉·帕森斯1841年子袭父爵，成为第三代罗斯伯爵，后世天文学家普遍称他为罗斯，是一位真正的贵族。在著名天文学家中，门第如此高贵者极少。罗斯的最高理想就是建造世界上最大的望远镜。他将望远镜安置在自家领地比尔，位于爱尔兰岛中央。遗憾的是当地气候不佳并不适于天文观测。望远镜的镜筒用厚木板制成，铁箍加固。镜筒长17米，直径2.4米。为了挡风，镜筒安置在沿南北走向的两道高墙之间。高17米，长22米。因此镜筒只能沿南北方向转动。镜片与镜筒的安装很困难，直到1845年才能测试和使用。现在那里已变成一个著名的观光胜地。
L：罗斯的望远镜除实现了当时最大这个目标之外，取得重要研究成果了吗？
H：为了与赫歇耳一比高下，罗斯观测了赫歇尔曾经研究过的星云。因为口径大，像明亮，确认了赫歇耳没有看清的M51河外星云的旋涡状结构。这是追踪照相技术出现之前的1845年知道的第一个“旋涡星云”。1848年，罗斯发现M1星云内部贯穿着许多不规则的明亮细线，像一只螃蟹，罗斯称其为“蟹状星云”，这个名字一直沿用至今。事实证明，这两项发现在科学史上都有重要的意义。罗斯这架巨大望远镜，通常称为“利维坦”（Leviathan，大海怪）。
L：拉塞尔并不是贵族吧？他的反射望远镜是出于怎样的目的呢？
H：拉塞尔虽不是贵族，却是一位天文爱好者。他在靠酿酒技术致富之后，也想圆一个儿时的梦想。拉塞尔的梦想是建造一架大望远镜。他在1844年参观了罗斯领地，考察了大海怪“利维坦”是如何制造成功的，有何经验教训。实业家出身的拉塞尔要比罗斯实际得多。他没有盲目去追求巨大，而是追求实用。他先在利物浦造了一架口径61厘米的望远镜，取得巨大成功。1855年才建造口径122厘米的反射望远镜。他的望远镜虽然不如罗斯的大，但在实际应用效果上却远远超过了罗斯的。这是因为如下两个优势。首先，拉塞尔率先把夫琅和费在折射望远镜上安装的那种赤道仪装置用到了反射望远镜上，从而使庞大的望远镜操作变得方便自如，既可以瞄准任何天区，又可以跟踪观测目标。此外，他强烈意识到，天文台必须建造在气候适于观测的地方。平民拉塞尔没有领地，倒少了个束缚。他把望远镜运到适宜观测的英国属地马耳他岛。由于法国傅科等这时已发明了物镜新材料技术，罗斯和拉塞尔的望远镜遂成为青铜天文望远镜的绝响。
1.1.11 反射镜材料的新变革
H：19世纪中期，罗斯和拉塞尔的大口径青铜物镜反射望远镜标志着青铜物镜最后的辉煌，同时也是尽头。玻璃已在等待再一次登上物镜舞台的机会，以重新创造历史。
L：您是说折射望远镜将因为消色差物镜的开发而重新与反射望远镜展开竞争吗？
H：不是！那是另一种竞争，早已开始了，还没有来得及去说。现在要说的是反射望远镜内部的事。与其说是竞争，不如说是新生，反射镜材料的新生。这要从法国物理学家傅科说起。法国学者傅科在1851年进行了著名的傅科摆实验。他根据地球自转的理论，提出在赤道以外的任何地方，单摆的振动面都会发生旋转现象。他还付诸实验加以证实。因为能巧妙而直观地说明地球在自转，受到了广泛的欢迎。世界各地的博物馆、展览馆、天文馆大厅都有设置。傅科的创造是多方面的。他在短暂的一生中，在诸多方面做出了富有创新意义的贡献。1857年他提出了在玻璃表面镀一薄层银的技术，而银层具有接近100%的高度光线反射能力。
L：我知道傅科摆，北京天文馆就有，很直观也很有趣地证明地球在自转。玻璃镀银应该是化学家的事啊，傅科是位物理学家，看来创造是永远不分界限的！
H：是的！几乎同时，1856年德国化学家冯·里比应用新发现的化学反应，实现了在玻璃表面覆盖一薄银层，进而发明了将银镀到抛光玻璃上的新制镜法。同年德国物理学家冯·斯坦黑尔也使用这种工艺制作了反射镜。1857年傅科向英国天文学界宣读了他的论文《银质玻璃望远镜镜片》。后来，傅科还发明了测量镜面形状的更好方法，虽然与早期磨镜者们的方法类似，却有高得多的精度，使磨制形状正确的镜面变得更容易了。这一系列努力都在召唤玻璃重返望远镜的物镜舞台。这次不是利用玻璃的透明性，而是利用它的高硬度（HV700）、低相对密度（2.7）、高耐蚀性、抗氧化性以及与金属薄膜的紧密结合性能。金属银膜及1937年出现的镀铝膜，具有对光线100%的反射率。相对于上述优点，青铜物镜简直全是劣势：硬度低（HV500）、相对密度高（8.0）、耐蚀性低、抗氧化性低以及66%以下的光线反射率等。
L：这样说，19世纪后半叶应该再也不会出现青铜物镜的反射望远镜了吧？
H：可是，有时令人意外的事情也会发生。1862年澳大利亚决定在墨尔本建造一架大型望远镜，用以研究南天的星云和各种天象等，因为大型望远镜都建在北半球。澳大利亚当局组成了一个包括罗斯伯爵在内的著名天文学家和望远镜制造商组成的委员会来确定望远镜设计方案。该委员会确定了建造一台直径122厘米的卡塞格林式反射望远镜，这无疑是正确的。但对于物镜材料，尽管当时玻璃反射镜已经开始普及，可是委员会却做出了使用铜反射镜的建议。
L：为什么？难道他们不知道傅科等的研究吗？傅科的论文不是在英国宣布的吗？
H：委员会认为，在当地气候条件下玻璃镜面银镀层会比金属镜面更容易氧化。而且这样一架巨大的玻璃望远镜的维修操作也会很难。可是望远镜建成后不久，天文台就为这一错误决策而后悔不已。因为当1877年金属镜面因为严重锈蚀而需要重新抛光时才发现，整个镜子必须运回地处爱尔兰的原制造厂才能完成。天文台只得在缺乏经验的情况下就近勉强抛光。这架青铜望远镜只用了15年。这次决策失败成为保守型技术决策的重要典型样本。墨尔本望远镜不幸以反面教员的姿态，在展示大型青铜镜面反射望远镜的最后风姿。
1.1.12 反射镜新材料的大成功
L：1862年墨尔本金属反射望远镜的失败，很快导致了玻璃反射望远镜的出现吧？
H：并没有。教训的沉痛使得大型反射望远镜的建设停顿了近40年。你也已提到折射望远镜在向反射望远镜发起挑战。19世纪后半期，大洋彼岸的美国迅速崛起。1885年美国的钢产量已经超过英国，成为世界第一产钢大国。1839年美国的巴比特最先创造了轴承合金，1898年美国工程师最先创造了工具钢之王——高速钢。1873年美国科学家吉布斯在材料热力学研究上已领先欧洲。美国人已开始觊觎望远镜这个科学仪器的王冠了。恰在这时，美国出现了一位为建设大型望远镜而生的人物——格奥尔基·海尔。他堪称建造大型望远镜的奇才。从19世纪到20世纪，他先后建造了4台世界顶级大型望远镜。最后一台落成时，他已溘然长逝10年，遂将其命名为“海尔望远镜”。
L：您是说，建造大型望远镜的使命已移向美国？海尔会选择哪种物镜材料呢？
H：进入20世纪，大型望远镜越来越复杂，价格昂贵，经济实力已成决定性因素。物镜材料已经没有悬念，是玻璃加金属膜。海尔是一位天文学家，更是一位公关能手，他极善于筹集这种完全没有经济回报的纯公益项目的经费。1905年海尔任威尔逊山天文台台长，建成一台口径153厘米的反射望远镜。物镜是玻璃的，表面镀银膜，反射率可以接近100%。它安装在加利福尼亚州威尔逊山上。该望远镜于1908年正式使用，虽然没有达到罗斯望远镜的口径，但是使用效果已远非后者可比。利用它的高反射率，第一次揭开了白矮星的秘密。
L：海尔的第二台望远镜为什么叫“胡克”望远镜啊？是哪个胡克啊？
H：早在威尔逊山153厘米望远镜建设之前，海尔已经成功说服了一位美国洛杉矶的富商胡克出资建造一架口径212厘米的大型反射望远镜。当时胡克不仅非常希望将自己名字与世界最大望远镜联系在一起，而且还希望纪录不会很快就被别人超过。为此，他甚至主动增加了捐款，希望把望远镜口径增大到254厘米，即100英寸。第一次世界大战耽搁了这一计划的实施。这台整体重达90吨的望远镜，于1917年正式启用。它操作灵活方便，能以很高的精度跟踪恒星。胡克望远镜长达30年之久一直是世界反射望远镜之王。从此人们可以精确地测量恒星的大小和距离。
L：海尔的第三台望远镜不建在威尔逊山了？他会选择哪里呢？有哪些故事呢？
H：1923年海尔因身体状况已提前退休。洛杉矶的光污染严重威胁天文观测。海尔在帕洛马山另寻处女地，决定建设一台口径508厘米（200英寸）的反射望远镜。1929年海尔争取到洛克菲勒基金会资助，开始了史诗般的浩大工程。如此巨大的玻璃物镜即使极小温差也会影响镜面精度。为此玻璃背面铸成蜂窝状，既减少重量又提高刚度。而且反射镜内任一点距表面都小于5厘米，温度可较快达到均匀。铸造玻璃毛坯用10个月严格控温缓冷，经历了河流泛滥和地震居然劫后余生。镜坯在纽约州康宁玻璃制成后，要横跨美国运抵加州帕洛马山。为平稳火车夜行昼宿，限时速40千米，行驶一条专线以减少桥梁和隧道。反射镜净重14.5吨，镜筒重140吨，望远镜可动部分重达530吨！海尔1938年辞世，这硕大无朋的巨镜1948年落成。帕洛马山天文台门厅塑了海尔半身像。1969年威尔逊山和帕洛马山两天文台合并，统称海尔天文台。该望远镜的问世彻底澄清了历时一个多世纪的银河系和河外星系尺寸的“沙普利争论”，证明银河系直径只有10万光年，河外星系可远达数百万至数十亿光年。人类时空认识发生飞跃变化。
1.1.13 透镜色差的消除
L：折射望远镜是在何时结束了靠超长焦来减小色差的？转机是怎样出现的呢？
H；应该说，最早的机会是：17世纪一位跟牛顿同时代的叫卢卡斯的人注意到不同玻璃对不同颜色光线的折射率是有差别的，就是说不同玻璃的色散程度不同，尽管很小。到了1730年代，英国律师兼数学家切斯特·穆尔·霍尔首先想到，可以利用不同玻璃的色散差异，来解决透镜的成像色差问题。他是从透镜的断面形状来思考这个问题的。从中心算起，凸透镜是一叠摞起来的正梯形棱镜，而凹透镜是一叠摞起来的负梯形棱镜。如果凹透镜玻璃的色散是凸透镜的2倍，那么一块平凹透镜与双凸透镜合在一起，色散可以相互抵消，光线还能汇聚在一起，这就是消色差的基本原理。
L：玻璃色散的差异有这么大的意义，牛顿是不该忽略的。但是有这样的玻璃吗？
H：正如你说的，当时他可能在考虑用反射代替折射的重大问题呢。至于玻璃，霍尔在1733年已经发现燧石玻璃的色散显著高于当时著名的冕牌玻璃，符合前述的条件。如果用冕牌玻璃做凸透镜，用燧石玻璃做凹透镜，并且将两块透镜设计得正好能够拼合在一起，这种复合透镜就会像一个增长了焦距的凸透镜那样，既能够使光线聚焦，又能在很大程度上抵消色差。
L：霍尔的设计确实很巧妙，他的发明成功了吗？这可是个了不起的发明啊！
H：是啊！这是个曾让牛顿束手无策的问题。这是工业革命的前夜，人人都很注意保护自己的发明。霍尔为了保守秘密，防止别人捷足先登，1733年他做了独出心裁的精心安排：让一家光学玻璃厂磨制他的凸透镜，同时让另外一家玻璃厂磨制他的凹透镜。这样别人就不会知道他的秘密和意图了。孰料人算不如天算，这两家玻璃厂都因为太忙不约而同地将霍尔的委托转包给了第三方——乔治·巴斯（George Bass）。巴斯注意到两块透镜的主人都是霍尔，它们又能紧密合在一起。两块透镜磨好后，巴斯将它们拼合起来仔细观察研究，终于惊奇地发现：成像的彩色边缘消失了！
L：可怜的霍尔！秘密最终还是没有保住。他要是能像惠更斯或斯宾诺莎就好了。
H：是啊！科学初创期的学者们都是自己制作仪器，不是没有道理的。霍尔的秘密传开后，光学家兼仪器制造商约翰·多龙德极为重视，对此做了更透彻的研究，奠定了消色差透镜理论基础。1757年他利用冕牌玻璃和燧石玻璃制造了消色差透镜，并且获得了制造消色差透镜的专利。不过，在他的申请报告里完全没有提及20年前霍尔已经做过几乎相同的工作。1758年，多龙德向皇家学会宣布了他的成果，3年后多龙德被选为皇家学会会员，并被任命为英王乔治三世的眼镜制造师。1761年，约翰·多龙德去世。4年后他的儿子彼得·多龙德子承父业，进一步发明了性能更好的消色差透镜。它由3块透镜组合而成：一块凹透镜夹在两块凸透镜之间。1785年彼得·多龙德最先把消色差物镜用在了显微镜上，使显微镜质量有了飞跃性的提高。
L：色差问题是先在望远镜上发现的，消色差物镜什么时候才应用到望远镜上呢？
H：望远镜和显微镜的最初发明是分不出先后的，也应该同时遇到了色差问题。色差同时困扰了两者的发展。消色差物镜出现后立即结束了长达一个多世纪的超长焦望远镜的历史。但是，18世纪末最早的消色差物镜折射望远镜，口径很难做得很大，只有10厘米左右，赫歇耳的巨炮1779年已经达到了102厘米。反射望远镜的优势难以撼动。直到19世纪初，才出现了折射望远镜可以与反射望远镜争锋的态势。
1.1.14 折射望远镜突向顶峰
L：折射望远镜是怎样又能向已具有大口径优势的反射望远镜发起挑战了呢？
H：到19世纪初年，以青铜为物镜的反射望远镜虽然具有口径优势，但有如下缺点：反射率低，经常只有50%左右，光线收集效率低；维修频率高，为保持反射率要经常抛光；笨重、操作困难等也是很突出的。消色差玻璃物镜经过半个世纪的发展，终于迎来了德国光学家夫琅和费。夫琅和费出身贫寒，11岁成为孤儿。1801年在一家玻璃作坊当学徒时，遭遇作坊崩塌被埋，贵族坊主马克西米利安一世亲自将他从废墟中救出，并给予他学习机会，将他送往著名的光学学院接受玻璃工艺培养。12年后夫琅和费居然成长为该学院的领导者，他能设计并制造精良的消色差透镜，首创牛顿环法检查光学表面精度及透镜形状，对应用光学做出卓越贡献。经夫琅和费等的努力，巴伐利亚取代英国成为光学仪器的制造中心，连动手能力极强的迈克尔·法拉第都自叹弗如。
L：夫琅和费和法拉第都是学徒出身，又都成了大师级人物，惺惺相惜啊！
H：正是！1823年夫琅和费受聘为慕尼黑大学教授、慕尼黑科学院物理陈列馆馆长。同年夫琅和费在爱沙尼亚建造了一台当时最好的口径24厘米折射望远镜，具有光线利用率高、成像质量好、维护简单等特点。特别是夫琅和费首次将望远镜安装在赤道仪上，平衡性极佳，用一根手指就可以推动这台焦距4.3米的望远镜。1824年夫琅和费被授予蓝马克斯勋章，成为贵族和慕尼黑荣誉市民。但由于长期从事玻璃制作而导致重金属中毒，年仅39岁的夫琅和费竟于1826年英年早逝。
L：惜哉，夫琅和费！后来折射望远镜又有了哪些重大发展和成就呢？
H：受夫琅和费鼓舞，折射望远镜也掀起了增大口径的热潮。19世纪前期，美国加入天文望远镜竞赛。钟表工匠出身的邦德自学成才，1847年被任命为哈佛天文台台长。他用公众捐款建造了口径38厘米的折射望远镜。美国的肖像画家阿万·克拉克立志磨好透镜。他仔细考察了邦德的望远镜，找出了改进方向并潜心研究，后来在儿子小克拉克帮助下建厂造镜。1870年克拉克父子接下美国海军天文台建造66厘米折射望远镜的订单，完成效果极佳。美国金融家利克赚了不少钱，渴望树碑立传。1874年他宣布，留下70万美元用来建造一架当时最大最好的天文望远镜，指定小克拉克承办。14年后，一块直径91厘米的透镜终于制成，装入长18.3米镜筒，这就是著名的利克望远镜。1888年正式启用时利克已去世多年，根据遗愿他被安葬于望远镜基座之下，后来该天文台被命名为利克天文台。
L：看来各国都不乏热衷为天文事业做奉献的志愿者，令人肃然起敬。
H：1885年南加利福尼亚大学想建造一架超过利克的更大折射望远镜，向克拉克提出请求，却又无法筹齐资金。为此，天文学家格奥尔基·海尔挺身承办。他获悉金融家叶凯士用并不体面的手段赚得巨额钱财，从1892年起就盯准该财东。海尔意志坚强、娴于辞令，经反复游说，叶凯士不得不把钱一点点掏出腰包，为新望远镜和新天文台资助总额达34.9万美元。小克拉克历时10年制好直径102厘米的透镜，它重达230千克，装在18米的镜筒里。整个望远镜重达18吨，但平衡灵活。1897年这架折射望远镜首次启用后三星期，小克拉克在目睹这一盛况后去世。这是海尔建造的第一台大型望远镜。今天，叶凯士望远镜和利克望远镜依然在全世界保持着折射望远镜的冠、亚军称号。这意味着折射望远镜已走到尽头，光学玻璃自身强度已难以支撑更大的直径。整个20世纪，更大口径的折射望远镜再也无人问津。
1.1.15 透镜指向微观世界
L：现在我们来讨论一下玻璃透镜在探索微观世界中所发挥的重要作用吧。
H：好啊！其实，据说荷兰工匠詹森父子不仅制作过望远镜，也制作过显微镜，但是都没有留下可靠资料。图版的所谓摹制品，也是只凭传说。这里必须从罗伯特·胡克讲起。他是比牛顿稍早的英国科学家、发明家。他的成就以描述材料弹性的胡克定律最为有名，据说他比牛顿更早提出了引力与距离的平方成反比的关系。总之像那个时代的很多智者一样，他的才能是全面的。约1660年胡克制作了由物镜和目镜构成的复式显微镜。1663年胡克利用它发现了软木薄片的微细结构，看上去像一间间长方形的小房间，把它命名为细胞（cell），这正是该词的起源。
L：可以像认定伽利略是望远镜发明者那样，认为胡克就是显微镜发明者吗？
H：我认为可以。当时人们对望远镜的认识和重视程度远高于显微镜。1663年英国数学家詹姆斯·格里高里（James Gregory，1638—1675）首先设计了用抛物面形反射镜成像的望远镜，却由于技术原因无法制造出来。1674年胡克凭高超的能力完成了制作，就是后来著名的格里高里望远镜。胡克的复式显微镜与现代显微镜结构一致，更适宜被认定为发明人。另外，他的观察结果1665年以巨著《微观图画》一书形式发表，产生了无比重要的影响，被很多学科看成是开山鼻祖之作，如“细胞学” “昆虫学” “植物学” “材料组织学”等等。
L：俨然是又一个全才的牛顿式人物，在这个时期的英国，科学巨人何其多啊！
H：是的。胡克和牛顿虽然几乎是同时代人，胡克年长8岁，但两人的关系却十分不睦。史学家多认为牛顿应负主要责任。胡克去世后，牛顿当上了英国皇家学会会长。随后，英国皇家学会中的胡克实验室和胡克图书馆被解散，胡克的所有研究成果、研究资料和实验器材或被分散或销毁，没多久这些属于胡克的东西就全部荡然无存了。连牛顿的好朋友哈雷（哈雷彗星发现者）都看不过去，认为牛顿太过分了。
L：真是难以想象。还是谈一谈另一位同时代人列文虎克吧。有时还会混淆的。
H：列文虎克是荷兰的一位独立研究者。有的文献更重视列文虎克的工作，认为其意义或价值更大，应超过胡克。我却不认同这一观点。两人几乎同龄，没有师承关系。列文虎克的显微镜是所谓单式，即单镜头式，其实就是装有载物台和调焦螺钉的放大镜，与后来的显微镜发展并没有连续性。列文虎克没有受过正规教育，属于自学成才类型。科技史上这样的卓越人物是很多的，例如法拉第、夫琅和费等。列文虎克不同于胡克的重要价值之一是他提出了“微生物”的概念，发现了微小的轮虫、滴虫和细菌，并将其统称为微生物，这是该名词的起源，也是列文虎克最重要的贡献。其二是他探讨了用不同材料制作透镜的效果比较，他试过玻璃、宝石、钻石等，但实际效果并没有差别。
L：应该说，发现微生物是非常重大的贡献，即使评价高于胡克也不无道理啊？
H：但是，科学需要交流、争论和辩驳，相互启发是非常重要的。列文虎克过于封闭，虽然他最后与英国皇家学会建立了联系，但是交流还不够，对观察结果采用图形描绘的能力也不够。不过总体来看，列文虎克关注的微观尺度更小，如极微小昆虫的孵化、细菌、细胞、精子等。对微观过程和生物体的研究是他的一个重要特点，如否定了微小虫子是生自泥土的错误观点，这些都必须充分肯定。称列文虎克是“微生物学”奠基人是非常准确的。
1.1.16 显微镜为何进步缓慢？
L：说显微镜发展缓慢，是怎么比较出来的啊？怎样发展才能叫作“快”啊？
H：这是与望远镜相比较而言的。如果不从詹森父子算起，而是从伽利略和胡克算起，显微镜的发明（1660年）比望远镜（1609年）晚了半个世纪左右。这说明，人类对空间世界的关心远大于对身边世界的关注。随后，望远镜和显微镜都遭遇到色差困难，显微镜随即一直处于停滞状态；而望远镜却在17世纪和18世纪，或通过超长焦折射望远镜使色差变小，或通过应用青铜反射镜使色差消失。大型望远镜使得天文学取得了空前大发展，完成了对太阳系的深入认识，发现了天王星（1781年）和多个行星的卫星、小行星和彗星，太阳系尺度扩展了一倍以上；认识了银河系和河外星系（1789年），使天文学科成为科学的最前沿。但是，显微镜在17世纪后半叶和18世纪里却没有取得比胡克和列文虎克更突出的成就。这就是快慢的比较，也是对“快”的描述。这里物镜材料问题显然是发展快慢的关键。
L：噢！确实如此。所谓物镜材料是指望远镜获得了青铜反射镜的特殊恩赐吗？
H：难道不是吗？当然，显微镜无法通过增加物镜焦距来减小色差也是一个原因。说到底还是材料发展的客观实际所致。冶金技术是人类最早发展起来的技术，在需要时它发挥了作用。17世纪的显微镜与其说是科学仪器，还不如说是特殊艺术品。当时显微镜制造者们追求的似乎并不是高性能，而是视觉享受。比如1650年的意大利显微镜，与胡克显微镜一样，制造于17世纪中期。很明显，它的追求不单是放大物体以方便研究，更重视光鲜美丽的外表，给人以高贵典雅的美感。18世纪初的复式显微镜都有很大色差和其他像差，成像模糊，人们宁愿使用成像质量较好的单式显微镜。但复式显微镜仍然做出一些漂亮产品，显微镜基座一般都连一木盒，盒子可用来放显微镜零件和其他物品，也是展示美感的部分。
L：18世纪应该有所进步了吧？消色差物镜是在这个世纪诞生的啊！
H：是的，但那已是在18世纪晚期。18世纪广泛使用的仍是英国制的一种卡夫（John Cuff，1708—1792）显微镜。其主要特色在于：镜臂合理；使用最先进的凹面镜聚光方法；当遇到不透明样品时，可达到足够的亮度，完成观察。它最有意思的是能够实现活体观察，但分辨率很低，只约10微米（现代显微镜分辨率至少1微米）。1761年英国的亚当斯为英王乔治三世制造了一台精美的纯银显微镜，却并没有先进性能。只是增加了变换物镜的旋转盘，为后世继承。1785年，终于由彼得·多龙德创造了消色差透镜显微镜，可以大幅度提高分辨率，可是已快到18世纪末期了。
L：经过一个半世纪的停滞，是不是到19世纪后，显微镜才有了大发展啊？
H：正是！19世纪前期，已是产业革命后科学技术高速发展时期。而望远镜在这个世纪完成了反射物镜材料的革命性变化，彻底淘汰了金属物镜。折射望远镜因消色差物镜的出现，已能够向反射镜发起挑战。显微镜也迎来了高速发展期。其中主要原因包括：制造出色差和其他像差极小的高质量物镜和目镜；精密机械加工使透镜几何尺寸准确度大大提高；光学发展使显微镜结构更加合理；照明系统明显改进。因此，这一时期制出了分辨率极高的显微镜和暗视野显微镜，引发了生物学、医学和显微科学的革命，对材料科学的形成也产生了重大影响。其中有些人做出了重要贡献，例如：消除物镜各种像差的英国李斯特，就是一位早慧天才。
1.1.17 显微镜的划时代发展
L：根据上文分析，显微镜的大发展应该是在19世纪后半叶，有标志性事件吗？
H：有啊。显微镜与望远镜的大发展相差一个到一个半世纪。标志性事件是卡尔·蔡司1846年创办显微镜产业。大型望远镜是单件生产的，显微镜却要批量生产了。蔡司靠借来的100泰勒（德当时货币），申请从事机械、光学仪器制造和销售的个人作坊。他只有简单的工具和昏暗的煤油灯，但他胸怀理想，自信满满。先靠出售眼镜、放大镜和天平维持，还为耶拿大学维修物理和化学仪器。1847年蔡司扩大了厂房并收了第一个学徒。这一年，他开始从事在少年时就着迷的事业——制造显微镜。这年蔡司在新厂房制造出第一台显微镜，只有一个透镜，是解剖时使用的，一年卖出了23台。首战告捷，蔡司开始尝试制造复式显微镜，共两个光学部件：一个物镜和一个目镜。1857年，蔡司的第一台复式显微镜“Stand I”问世。1861年，蔡司在图林根工业展上获金奖，被赞道：“卡尔·蔡司复式显微镜是德国制造的最动人仪器之一。”1863年，蔡司成为宫廷指定供应商，已拥有约20位雇员。应指出，这些成功完全来自蔡司昔日做科内尔（Körner）博士学徒时练就的熟练技能，是无数次“失败—重来”的反复实践换来的经验。这种低效率制作是因为缺乏理论指导。
L：原来举世闻名的蔡司显微镜是这样起步的。那么，理论问题如何解决呢？
H：50岁的卡尔·蔡司远见卓识。1866年他邀请26岁的阿贝博士加盟自己的显微镜产业，开始了终生合作。阿贝出身工人家庭，贫寒勤谨，靠父亲的老板资助和自己做家教才念完中学和大学，1861年在哥廷根大学获博士学位。阿贝认为：“对所用材料认真研究后，设计者还需要获得透镜的详尽参数，才能结束在黑暗中的摸索。”经过潜心研究，阿贝在1867年制出测焦计，1869年制出折射计及分光仪，1870年后又制出数值孔径计、高度计和比长仪等。1873年阿贝发表了后来被称作阿贝成像原理的著名公式。他首次定量揭示，物镜分辨率要受到下列条件的约束：光线的波长、物镜孔径和物镜与被观察物之间介质的折射率。阿贝成像原理成为光学仪器的经典，指导着一代代的研究者，也标志着显微镜已走向成熟，成为一门学问。蔡司显微镜从此成为新时代的著名品牌，质量和创新赢得了全世界的尊重。
L：卡尔·蔡司可真是淘到了“宝贝”，这样的合作者旷世难求啊！
H：是的！阿贝不仅奠定了显微镜的理论基础，还在很多方面做出了实际技术贡献。例如，1869年阿贝为改进被观察物体的照明发明了阿贝聚光镜，大幅度改进了像的亮度。1870年代为了彻底消除物镜的色差、球差、彗差，阿贝还提出了成像的正弦条件，可以具体指导物镜的制作。1889年阿贝又发明了“油浸物镜”，由于高倍率物镜与被观察物体之间的距离已经非常小，如果两者间用高折射率的油填充，可以明显提高分辨率，有时这一点点提高对于研究是决定性的。总之，阿贝不仅是显微镜设计的理论大师，而且是一位工程师，对显微镜的发展贡献至伟。
L：显微镜划时代发展了，也应该对科学技术做出应有贡献了吧？像望远镜那样。
H：正是！德国细菌学家科赫，1876年分离出导致炭疽病的杆菌，1883年后又发现了阿米巴痢疾和两种结膜炎的病原体，其后还发现鼠疫﹑疟疾﹑回归热﹑锥虫病等多种疾病的病菌，科赫因此获得了1905年诺贝尔生理学或医学奖。他曾在一封给卡尔·蔡司的信中写道：“我的成功的一大部分，应归功于你出色的显微镜。”
1.1.18 显微镜成为材料研究武器
L：显微镜发展中，对哪个科技领域的影响最大？是什么时候成了材料研究武器的？
H：前面已经说过，应该是对病理和医学领域的影响最大。但是就时间而言，对地质、材料领域的影响则更早些。早在18世纪，瑞典是欧洲的钢铁大国。1774年瑞典皇家科学院曾发表一篇《铁与钢的腐刻》的论文，用以了解钢铁的均匀度、致密度等质量问题。1820年德国学者魏德曼斯忒廷曾发明磨平陨铁的表面并加以腐蚀的方法，显示了陨铁的非凡花纹，后被称为魏氏组织。但这时并不需要借助放大镜或显微镜。1828年英国地质学家尼克尔创造了一套观察矿物、岩石微观形态的方法，包括截取样品、制成薄片、磨光、抛光、腐刻等。通过这种研究，可以获得各种矿物、岩石的微观细节特征，晶体学信息等，以利于矿物判断。观察工具就是各种倍率的放大镜和显微镜，并形成了一门叫作“岩相学”的学问。
L：那您认为魏氏组织就是材料研究的发端吗？但是，还没有用到显微镜啊？
H：不这样认为。虽然后来在分析材料组织时，经常提到魏氏组织，那只是因为陨铁魏氏组织图形给人留下的印象太深了。人们愿意把相似的组织都叫作魏氏组织。1863年，一位英国的岩相学家也是著名钢城谢菲尔德一家钢铁厂的继承人，叫索拜。他用岩相学方法，观察了钢的组织。使用的显微镜是英国制品，并不是蔡司的。索拜虽然继承了祖业，但并不热心经营，每天醉心于大自然的观察和新现象的研究。1863年的这次观察，使他看到了高碳钢中有很多片层状薄片，是低碳软钢中没有的。后来经过分析，他判断这是碳与铁的化合物（Fe3C），硬度很高。正是这种很硬的Fe3C的存在，才使得钢变得很硬。现在人们普遍认为，索拜的这种观察就是材料科学研究的开始。1963年英国、美国的材料学家们专门集会，纪念索拜观察钢的碳化物组织100周年。
L：从此以后，索拜就开始用显微镜专门研究钢铁材料的微观组织了吗？
H：并没有专门研究。他还是更热心于岩相学研究，他发表的论文中仍以岩相学的居多。他也被尊称为岩相学奠基人之一。但是，他关于钢铁材料的研究论文虽然只有十几篇，却不仅解决了碳在铁碳合金中存在的形态问题，而且指出，钢中除了碳化物之外，其余部分应该是纯铁。他还认为，碳化物与纯铁的混合物应该是高温下某种物相的分解产物。这已经与现代材料科学对钢的认识非常接近了。索拜通过显微镜观察，发现了钢铁材料的微观组织中包含着极有意义的细节。这些细节就是不同物相的存在。他的发现包括：①铁碳化合物，后被化学分离法确定为Fe3C；②自由铁，即纯铁，1890年被美国金相学家命名为铁素体；③Fe3C与自由铁的团块混合物，后被命名为珠光体；④石墨；⑤夹杂物等。所以，后人尊称索拜为金相学之父。为了解决对钢铁这种不透明物质的观察，索拜还改造了自己显微镜的照明方式，以尽量提高成像的亮度。
L：索拜的研究，立即带动冶金学家或材料学家们关心金相学研究了吗？
H：没有。非但没有，还有些人嘲笑索拜：用显微镜来观察钢铁？这不就是人们说的“坐井观天”吗？直到20年之后，才有更多人用显微镜来研究各种钢铁材料，使得金相学，现在称“材料微观组织学”，形成了系统的学问。从此建立起了微观结构与材料性能之间的对应关系，大大推进了对钢铁材料的认识。后来，蔡司等显微镜工厂还开发了一种专门用于金属组织观察的“金相显微镜”。当初那些嘲笑者们这时才销声匿迹或不再发声了。
1.1.19 摄影技术的发明与材料 (上)
L：现在我们可以探讨另一种光学仪器——照相机的诞生与材料的关系了吗？
H：可以。但是，称“摄影技术”应该更合适些。因为这与望远镜和显微镜不同。它并不是以发明一种仪器的形式完成的。摄影技术的核心是成像过程，因此必须回顾人类对成像现象的认识，这是极其古老的学问。我国战国时期《墨经》（公元前5世纪）有对小孔成像的最早记载：“景到（倒），在午有端，与景长，说在端”，还有“景，光之人煦若射。下者之人也高，高者之人也下”。因为文字过于古奥，专家们已经将经文解释成现代汉语：“物体的像之所以倒转，是由于屏上有小孔”，“像，因光线照人而生，投射成像立如箭头。光照下面的就成像在高处，光照高处的就成像在下面”。亚里士多德在公元前4世纪对小孔成像也有详细记载。
L：那么，如何把这些与材料联系起来呢？既然小孔即可成像，似乎不需要材料！
H：不错！如果与现代的镜头成像比较，小孔相当于镜头，似乎成像并不需要材料。但这是假设不记录“像”前提下的分析。而且即使不记录“像”，而只是观察它，也需要把“像”与其他的光线分开，这就需要暗箱，一个密不透光的箱子或不透光的房间。在壁上开个小孔，使箱外景物之光穿过此孔，在壁上构成倒影，以便清晰观察。意大利学者卡尔达诺在1550年就极力推荐这种装置的作用。如有画者在房内或箱前，铺纸在倒影处，可描绘图像形成记录。所以暗箱需要不透明材料，而且需要保证暗箱不漏光的制造技术。1568年，意大利贵族丹尼尔·巴尔巴洛著书指出；在暗箱小孔拴上绳子，将小孔随意放大或缩小，可用来调节影像的清晰度，甚至提出给暗箱小孔处装上凸透镜。这便是第一个有透镜暗箱的发明。所以，1553年玻尔塔就使用意大利语Camera描述了摄影技术的第一个部分——暗箱。可调节尺寸的小孔可叫作光圈。图版1725年的光圈表明，需要金属材料和精确的尺寸加工技术。
L：在16～17世纪还没有如何记录小孔成像的感光材料，暗箱有什么用呢？
H：虽然没有感光技术，但不能说没有记录技术。一个重要的记录手段就是手工描绘。美丽的风景，人的肖像都可以成为描绘对象。15世纪文艺复兴时期，意大利已有最发达的绘画艺术。这种用手工描绘的画作，应该是一种匠人的技术或艺术。肖像描绘就如后来照相馆的服务。另外，意大利数学家兼天文学家丹提（E.Danti，1536—1586）在1573年所著《欧几里得远近法》中，提出使用金属凹面镜，可以把倒像再反射成正像，这使得暗箱的作用又有更大发展，可以成为肖像画的更有力工具。其后，开普勒在1611年所著的《暗箱》（Diaptria）一书中，已经对这种肖像画暗箱给出明确建议：安装由凹透镜与凸透镜组成的复合透镜组，可以增加像的亮度。如果把开普勒的透镜组看成是照相机的镜头，把人工记录肖像看成是摄影底片，就已经构成了最原始的图像记录系统——原始相机雏形。意大利的巴尔巴洛和德国的开普勒可被认定为原始相机雏形创造者。
L：但是真正能称作原始相机的应该是1769年著作中描绘的那种暗箱吧？因为这时已经懂得了根据物体的所在位置来伸缩调节透镜，使得成像更加清晰。
H：也有一定道理，但这些都属于进一步改良。这也使我们认识到：摄影这样复杂技术的发明，需要无数人贡献智慧，用哪一个人作为它的发明者都是不恰当的。应该强调的是：在感光现象和感光材料出现之前200年，如何获得物体清晰“像”的技术，已经由于各种原因准备就绪了。
1.1.20 摄影技术的发明与材料（中）
L：尽管暗箱是推进摄影技术的积极因素，感光才是更关键的，这是何时发现的？
H：1725年德国阿道夫大学医学教授舒尔茨在实验中发现：装有硝酸银溶液的烧杯，曝光几分钟后会变黑，而没曝光的仍然是原始的浅白色。他认为，变化不是热和空气引起的，而是因为光的作用。他还发现溶液中含银越多，曝光变黑的速度越快。1727年舒尔茨又做一次实验，他将硝酸银溶液和白垩混合后涂在纸上，上面覆盖一张按字母形状剪成的黑纸。经太阳照射后，他发现除去覆盖黑纸的部分之外，其余部分都变黑了。于是，他最后得出结论：这一变化不是太阳热量所致，而是由光线本身所引起的反应。他在1727年发表了《硝酸银与白垩混合物对光之反应》的论文。白垩（chalk）是一种细腻的碳酸钙粉，可用来涂饰墙壁。舒尔茨的论文称：将硝酸银与白垩混合物，加水制成白色泥浆，放入玻璃夹板，外面覆以黑色且剪成图案或文字的纸，经曝光后，则玻璃板会显现出图案、文字来。这一发现受到科学界的广泛重视。舒尔茨也被认为是发现感光作用第一人。德国人则赞誉他是现代摄影技术的始祖。
L：舒尔茨的贡献确实是最关键的，称为摄影技术始祖并不为过，影响深远哪！
H：舒尔茨把光与热分开，预示了光子的作用，这是后话。1737年法国的海勒特（M. Hellot）发明一种墨水写字用纸，浸在硝酸银溶液后，可以消除墨水所写字迹。但是，如果再经日光照射，又能显现墨水所写黑字。继续研究，最后终于发明了摄影技术中的显影剂。1802年英国化学家维吉伍德进一步将透镜所成影像投射在硝酸银纸上，可以将影像较长时间保存。他的这一贡献实际上完成了与现代照相机相同模式摄影仪器的发明，即最原始模式照相机，当时称之为“晦影照相机”。 这种仪器利用早已发明的暗箱，而针孔处已换成了透镜，硝酸银纸构成了感光记录部分。这种可以感光的硝酸银纸，是维吉伍德用白纸浸湿在硝酸银溶液中，再于黑暗处晾干后制成的。硝酸银纸若在日光下曝露，只要两三分钟就会变黑。但是，如果在暗箱内投射物体的影像，感光则需要数小时之久，而在红光照射下则完全不会感光。
L：维吉伍德很了不起，他已经完成了现代照相机的几乎所有重要环节。
H：维吉伍德还有一位了不起的学生兼朋友，就是后来的戴维爵士。戴维堪称人类史上最伟大的化学家之一。他一生发现9种化学元素：钾、钠、镁、钙、锶、钡、硼、硅和氯，是绝对的冠军。而戴维又有一位同样伟大的学生迈克尔·法拉第。在摄影技术上戴维的贡献是发明了定影处理。维吉伍德很早（一说是19岁）就已经掌握了用凸透镜、暗箱、硝酸银纸制作图像的办法。他在涂有硝酸银溶液的纸上覆盖一块绘有图像或写有字迹的玻璃板，所得到的感光图像会有中间色调。这使维吉伍德领悟到：不同颜色的光线能造成不同程度的感光效果，而短波长光线的感光能力最强。
L：那么，大化学家汉弗莱·戴维是怎样解决了定影处理的呢？
H：维吉伍德未能找到如何使硝酸银纸在感光到一定程度后就不再继续感光的方法，即如何实现定影处理。戴维方法的最关键之处是以氯化银取代了硝酸银，然后才实现定影处理的，从而成功地制取了人类史上第一张能够长久保存的相片。到此为止，感光、显影、定影三个环节的材料都有了方案。所以维吉伍德和戴维被英国皇家科学院誉为“暗箱”与感光材料结合的先驱者。到此为止，我们已经感觉到摄影技术的发明远比望远镜和显微镜要复杂。
1.1.21 摄影技术的发明与材料（下）
L：维吉伍德和戴维的方法与现代摄影技术相差还远，后面是如何继续发展的呢？
H：摄影技术的几个环节都在发展。先说透镜，在现代摄影技术中这是个最贵重部分。1812年英国科学家乌拉斯顿利用多片凸透镜和凹透镜组合起来，制造出有史以来成像质量最好的镜头，还奠定了研发未来更好、更精准摄影镜头的基础。摄影镜头类似于折射望远镜物镜与投影目镜的结合。它要尽可能地消除所有的像差，包括色差、球差、彗差、畸变等等。乌拉斯顿是第一位开拓者。后来根据拍摄目的的不同，开发了出焦距长度不同、性能各异的不同系列的摄影镜头。
L：那么，现代摄影技术有没有一个可以称之为达到成熟的标志性事件呢？
H：有，而且还经过权威部门正式发布。但是人们普遍认为，世界摄影史上第一张可以作为摄影成像作品的，是1826年夏天由法国摄影术和印刷制版术发明者尼普斯在实验室中获得的。尼氏服役过高级军职，曾任法国尼斯市市长，1793年在法意战争中一目失明。1826年他使用照相暗盒和一块白蜡感光板摄影。白蜡上涂有曝光后会永久硬化的朱迪亚沥青，曝光后用薰衣草油把没有曝光的沥青洗掉。这张照片是曝光8个小时后得到的，是像与原景物相同的正片。这一世界首张照片的景物是法国中部尼氏居家窗口外的屋顶。该作品现收藏在美国得克萨斯大学博物馆中。他发明的这个摄影法，经不断改进，被印刷制版界普遍采用，并称为“日光刻蚀法”。世界印刷制版界尊崇尼普斯是照相印刷制版术的发明者。
L：尼普斯发明的并非现代使用的银显影方法，应该叫感光沥青法吧？
H：但是，它确实是第一张照片啊。1827年9月，尼氏去英国拜访哥哥，偶识英国画家鲍尔（Bauer），鲍尔惊喜于尼氏的发明，邀请尼普斯去英国皇家学会演讲，并奏请英王乔治四世驾临听讲。不料，一向低调的尼普斯临时怯阵，违约未赴，造成英方极度不满，并因此否认尼普斯有此发明，令人惋惜。1829年尼普斯开始和法国的达盖尔合作改善照相术，他们一起开发出“物理碳印法”。合作一直持续到1833年尼普斯去世。
L：那么您说的权威部门宣布的到底是哪一种方法啊？有贡献的人太多了。
H：1839年8月19日由法国巴黎国立天文台台长阿拉贡在法国科学院与艺术院联合会议上宣布“达盖尔银版摄影术”正式诞生。达盖尔是一位艺术家，他的银版法又称银版照相术，是在研磨过的银版表面造成碘化银感光膜，经30分钟曝光后，靠汞升华显影而成正片。曝光时间比尼普斯的日光刻蚀法短了很多。这种方法拍摄的照片具有影纹细腻、色调均匀、不易褪色、影像左右与实物相反、不能复制等特点。而尼普斯多年来并没有因为是摄影术最早发明者而得到过荣誉。1839年，却因为达盖尔的一席话而使尼氏后人得到了补偿。在天文台长阿拉贡作为代表要购买达盖尔摄影术发明权时，达盖尔说：个人收购难使全民受益，应由政府收购。最终法国政府被说服，并且宣布全体国民都有使用权。由政府发给达盖尔年俸六千法郎，给尼普斯儿子年俸四千法郎。
L：达盖尔不愧有艺术家风范，不忘合作者情谊，不忘让全民受惠，堪为后世楷模！
H：也不能忘记塔尔波特的贡献。1841年英国皇家学会会员塔尔波特发表了《塔氏纸照相术》。该法是制取感光性极强的硝酸银纸为底片，曝光后用酸液显影，用溴化钾液定影，为世界上首张纸质“负片”。由负片可洗印多张正片，成为与现代摄影术最接近的照相方法。
1.1.22 最早的科学摄影与材料
L：为摄影技术做出贡献的人物真是太多了，历时也极长啊！这是为什么呢？
H：原因很多。首先是因为这不是一项普通发明，而是一项伟大发明；它不单纯是一个器件，而涉及多种科学和技术；另外，多种方法并存形成了竞争态势。摄影是一种艺术，但它更是极其重要的技术。凡是有图像的科学或技术都离不开摄影。所以从意大利学者玻尔塔1553年用Camera一词来描述成像用暗箱起，到达盖尔摄影术发明的1839年，历时近300年，一直在牵动众多科学家和工程师的关注。
L：那么，最早的科学摄影是什么学科？在什么时候实现的呢？
H：这里要介绍一位天文学家。他是18世纪最著名的英国赫歇耳家族成员，威廉的独子约翰·赫歇耳。他在南天天象研究中做出过重要贡献，后来也被封为爵士。天文学家关心摄影是非常容易理解的，他们的发现需要证据，成果需要分享，疑问需要大家讨论。只有摄影才能做到这一切。所以，约翰·赫歇耳不仅是一位天文学家，还是化学家、摄影师。很多与摄影新事物有关的新词都出自他的创造，如“摄影”（photography）、“负片”（negative）、“正片”（positive）等。是他最早发现硫代硫酸钠能作为溴化银的定影剂。他的另一项重要发明——1842年创造的古典摄影工艺蓝晒法（cyanotype），用铁氰酸盐可以实现一直保持纯蓝色的照片，现在还在使用。
L：有哪些科技摄影作品曾引起过科学界或大众的巨大反响？
H：1882年9月出现的大彗星曾在全世界引起很大反响。因为发生在南半球，北半球特别是欧美的民众只能借助照片看到它的雄姿。这是摄影术发明以来最明亮的一次彗星。在全世界掀起了彗星热，很多摄影爱好者不远万里赶去南非拍摄。有人估算它的亮度已达到﹣17等，是超过满月的亮度。拍摄高亮度彗星，难度不大，还不能算作科技摄影。第一件科技摄影作品很多人认定为美国科学家杜雷波的月球照片。那是达盖尔摄影术发表后的1840年。由于材料感光能力较弱，曝光时间很长，被摄物因地球的自转要移动位置，拍照月亮细节需要使用望远镜。这些因素合在一起，使得拍照成为一件困难而备受关注的事情。从图版看，杜雷波采用的应该不是达盖尔法，因为月球的左右与实物一致。现在任何一个大变焦消费型数码相机都可以拍到这个水平。但是150年以前，即使对于天文学家们来说，这也不是轻而易举的。
L：科学家们都很重视摄影术的应用吗？取得了很重要的成绩吗？
H：当然！非常重视。从达盖尔摄影术发表第二年天文学家就在探讨摄影术的应用，虽然天文学家都是素描高手，但是，当把他们的素描作品与照片加以比较时，仍是差如天壤。所以从摄影术诞生之日起，天文学立即出现了一个天体摄影分支。这还因为，天文观测是人眼瞬间感受；而很多暗弱天体需要长时间光线累积，才能分辨出其形态和尺寸。于是，感光材料成为一个重要问题。科学摄影希望有灵敏度尽可能高的感光材料。在19世纪后期，对暗弱天体，如河外星云的拍摄，动辄需要几小时，甚至十几小时的拍摄。这既考验望远镜的精确跟踪能力，也考验感光材料的灵敏度。19世纪后期显微摄影也成为一个重要研究领域。1872 年，著名德国细菌学家科赫在波兰地区发现凶恶的炭疽病时赶到现场。科赫的研究证明：细菌是该疾病的致病“元凶”，确立了疾病的细菌起源理论。1877年科赫创造了世界上第一个细菌照相法。他先将细菌干燥固定，再用甲基蓝染色，然后照相。他还使用盖玻片制备了永久样品。
1.1.23 光学玻璃大发展
L：光学玻璃的概念和产业是何时形成的呢？有明确的代表性人物吗？
H：这是一个由小到大，由模糊到清晰的过程。人们普遍认为1250年英国学者罗杰·培根发明了透镜。他的发明，据说是受到了透过露珠看到物体可以被放大的启示，这是可信的。所以据说罗杰·培根的透镜最初是通过熔化玻璃滴注成凸透镜的形状，后来出现的凸透镜是平凸的。该形状反映了磨制镜头技术在形成和进步，最后出现的是凹透镜。透镜的第一个实际用途是放大观察对象。据文献记载，放大镜最早出现于1289年的意大利佛罗伦萨，这项发明是由一位名叫阿尔马托的光学家和一位比萨市民斯皮纳完成的。1455年约翰·古登堡（ Johan Gutenberg）发明铅活字印刷后，大量小字印刷物的出现增加了对放大镜、老花镜的需求。1500年代，荷兰已经出现了发达的眼镜行业。这是玻璃用途的新开拓，尽管这一用途还远不像平板玻璃那样，能带来巨大商机。
L：您是说，即使到了伽利略和开普勒的时代，光学玻璃仍是以眼镜业为主的？
H：是的！如果以此为光学玻璃的起点，那么1757年起，消色差透镜的发明把玻璃明确分成高色散燧石玻璃（F）和低色散冕牌玻璃（K）两大类。一般冕牌玻璃做凸透镜，燧石玻璃做凹透镜。通过适当组合，形成各种焦距的消色差透镜。这时可以算作光学玻璃的正式形成。冕牌玻璃属于含碱硼硅酸盐体系，轻冕玻璃属于铝硅酸盐体系，重冕玻璃及钡燧石玻璃属于无碱硼硅酸盐体系；绝大部分燧石玻璃属于铅钾硅酸盐体系。瑞士的吉南在1798年首先用黏土棒搅拌的方法制得了成分均匀的光学玻璃，建立了最早的独立光学玻璃制造工厂。1818年在夫琅和费主持下德国也出现了以制作光学玻璃为主业的工厂，主要目标是为满足更高需求的折射望远镜提供物镜玻璃。
L：真正专门的光学玻璃企业应该是有更大规模的需求才能出现吧？
H：正确！这是在显微镜批量生产出现之后，是光学玻璃的新阶段。1881年耶拿的蔡司显微镜已经发展到很大规模。阿贝发现物镜最佳设计的理论之后，很多新的设计往往因为没有合适材料而无法实现。1886年蔡司厂已雇佣250位工人，生产的显微镜达到了一万台。随着显微镜用户对成像质量要求的提高，显微镜制造遇到了材料瓶颈——没有适当的光学玻璃能满足高性能显微镜的设计。此时合作伙伴蔡司和阿贝不得不迎接新的挑战：研发新的光学玻璃，以满足阿贝的新设计。最后，他们成功了，阿贝遇到了合作者肖特，一位研究玻璃的化学家。如同当年蔡司找到了阿贝一样。他们合作伙伴关系形成时，肖特还未满30岁，已于1875年获得了耶拿大学的博士学位。阿贝鼓动肖特与他合作研发具有独特性质的光学玻璃材料。1881年，肖特在自己的老家威腾，进行了第一次玻璃熔化实验作为合作研究的起点。次年，他移居耶拿，在一个为他新建的玻璃制造实验室里工作。
L：从此，为满足不断提出的新光学性质的“功能材料”研制就正式开始了吧？
H：是的！像后来大多数新材料研究路数一样的尝试法是：针对新要求，搜寻现有知识；设计新成分，添加必要元素；熔化新成分玻璃；测试新材料的性能，做分析研究。直至多次循环。这期间将耗费大量人力物力。但随后的结果表明，付出是值得的。1884年肖特和阿贝在耶拿创建“肖特玻璃工厂”。肖特玻璃一直是驰誉世界的光学玻璃。1886年蔡司发布了全新的物镜系列——消色差物镜，包括了干物镜（不加浸液）、水浸液物镜、均匀浸液物镜。这些物镜与新型目镜在用户视野中展现了没有像差的完美图像。
1.1.24 显微摄影与材料科学
L：与天文摄影相比，显微摄影技术的出现要晚得多啊！这是为什么呢？
H：确实晚得多！其原因还是由于需求。天文摄影的难度要大得多，但是天文学家们实际却参与了摄影技术的开发。被摄对象不断移动这一看起来十分巨大的难题，在摄影技术出现之前其实已经解决了。把天体观察拍摄下来，其科学意义是人人都懂得的。而到了达盖尔摄影技术宣布成功的24年后，1863年索拜用显微镜观察钢铁的研究，还被人讥笑为“坐井观天”，这就是需求的差别。德国医生和细菌学家科赫关于致病细菌的研究是1876年才完成的。直到这时，显微摄影才为人们所认识和重视。请看1890年那张显微摄影技术的照片，还是有些笨拙感觉吧。
L：那么，到底是什么时候才有了成熟的显微摄影技术呢？
H：这确实是个很有趣的问题。世界各国当时都有了很多显微镜制造厂，都在为此而奋斗。蔡司的一个数据可以为此提供参考。1893年奥古斯特·柯勒发表了他为显微照相设计的照明系统。法国金相学家奥斯蒙是金相学创始人之一，他在1901年发表的高碳钢的退火和淬火的显微组织照片已经毫不逊色于现代研究结果。所以，最早的商品照相显微镜，消像散（简单说，像散就是视场中心与边缘处的差异）照相镜头的发明，以及最早的金相显微镜都是出现在19世纪的最后10年间。这里还涉及一位蔡司显微镜的大师级人物柯勒的出场。柯勒改进了显微镜的照明系统。1911年，蔡司显微镜实现了柯勒提出的在一台显微镜上所有物镜齐焦的想法。虽然转换物镜的轮盘在1761年英国的亚当斯为英王乔治三世制造的纯银显微镜时已经使用了，但是换了物镜仍需重新对焦。柯勒实现的是从一个物镜转换为另一个物镜时，图像依旧在焦平面上，不需要再次对焦。1920年，比较目镜问世。此技术可以实现观察来自两台显微镜的样品。
L：那么奥斯蒙的贡献是什么呢？他对显微镜的进步提出哪些改进措施了？
H：不！奥斯蒙的贡献不是在显微镜改进上，而在于把显微镜技术应用在材料研究上。他是用显微镜建立起材料组织学的主要人物。当时出现了改变人类生活的伟大新材料——钢铁。如何认识这种新材料，冶金学家们有义不容辞的责任。奥斯蒙是从显微组织角度认识钢铁材料的核心人物。他明确了钢中碳含量增加时，钢组织的变化是珠光体含量的增多。当钢中的含碳量提高使得组织中出现一种新形态的产物（被他命名为“莱氏体”）时，钢就变成了生铁。这就是钢与生铁差别的组织学依据。他还指出，钢在淬火时组织会变成他命名的“马氏体”组织，这是钢能够变硬的原因。
L：奥斯蒙为什么能命名钢中各种组织的名称啊？他有什么特殊权力吗？
H：19世纪末20世纪初正是钢铁知识大爆炸之时，奥斯蒙和美国的冶金学家豪乌（H.W.Howe）等数人是权威性人物。他们借用矿物岩相学的方式，命名所发现的钢铁组织为各种“体”（英文后缀为“ite”），以表彰做出贡献的人物。并无显示自己权威的含义，只有向 “某人” 表达致敬的意味，这是由岩相学延续下来的约定俗成的学者风度。奥斯蒙和豪乌提议命名的组织名称最多：如索氏体、奥氏体等，却并没有用他们二人名字命名的组织。有趣的是，从19世纪末到20世纪初以奥斯蒙和豪乌各为一方领袖，进行了以“钢在淬火时为什么会变硬”为主题的、历时半个世纪的大讨论。所有与钢铁材料组织有关的大师们都参与了。对立之决绝，语言之尖刻，令人瞠目结舌。不过，这场讨论对材料科学的进步产生了积极推动作用。