當伽利略用日心說證據(jù)震撼整個科學界時，只依靠了一個用兩個玻璃片和一個小管子作的簡易望遠鏡，但人們對這個小玩意如何在那個時代產(chǎn)生巨大影響并不十分了解。
十六世紀之前，人們一直認為宇宙學是哲學家的鉆研領域，其目的是探詢宇宙的物理結構；而天文學的主要任務，則是用數(shù)學的方法記錄各個天體的具體位置，從而制訂歷法，并為占星學提供依據(jù)。因此，數(shù)學家們研制了許多用肉眼觀測天文現(xiàn)象帶刻度的工具。想要逾越宇宙學與天文學之間的鴻溝，通過精確的天文觀測來確定宇宙的結構，一直到伽利略·伽利雷發(fā)明望遠鏡之后才成為可能。
望遠鏡的物理原理并不復雜，凸透鏡和凹透鏡的性質(zhì)在古希臘時期就被人們掌握，而在工藝上磨制合適的鏡片卻要到15世紀了。
伽利略及其發(fā)明的望遠鏡
最初，人們通過對球形玻璃進行切割獲得鏡片。從十五世紀末期開始，一些德國的眼鏡制造商開始從平板形的玻璃上切割鏡片，然后放在凹形或凸形的模具中打磨。這樣的生產(chǎn)方式使得人們能夠獲得屈光度更為精確的鏡片。加之十三世紀末期，意大利的威尼斯已能生產(chǎn)出瑕疵較少、透明度相當高的的新型玻璃，少數(shù)眼鏡商決定使用這種高質(zhì)量的鏡片進行生產(chǎn)。這些都為望遠鏡的誕生鋪平了道路。
1608年，放大鏡和望遠鏡的專利在荷蘭被多人提交。荷蘭政府對這種新型觀測工具在軍事上的應用表現(xiàn)出了極大的興趣，誰知到了年底，卻決定不批準這些專利申請了——因為這種由一片老花鏡片和一片近視鏡片構成的金屬管的構造實在太簡單了。幾個月以后，這種放大工具的制造秘訣就傳遍了大半個歐洲。
伽利略用自制望遠鏡觀測星空的復原圖
當時，伽利略正在意大利的帕多瓦大學任教，經(jīng)常利用業(yè)余時間設計制造一些科學儀器。他深深了解科學工具與科學研究之間的密切聯(lián)系，同時也具備相當?shù)脑O計及制造才能。1609年，他獲悉荷蘭眼鏡商發(fā)明了“單筒望遠鏡”，便找來一只加以研究。結果很快被這種裝置吸引，并立刻加以改進。在1609年末至1610年初，他成功將望遠鏡的放大率從原有的兩三倍提升至大約三十倍。經(jīng)過改進后的望遠鏡，脫離了荷蘭人發(fā)明的雛形，成為了伽利略的重要研究工具。
伽利略在制作出望遠鏡之后，首先將其獻給了威尼斯的貴族。貴族們對這種望遠鏡在軍事上的用途非常感興趣，而伽利略也順利拿到資助得以繼續(xù)用望遠鏡觀測天體。
伽利略指導威尼斯貴族使用望遠鏡
1610年3月，伽利略公布了自己借助望遠鏡所觀測到的首批天文學發(fā)現(xiàn)：銀河是由無數(shù)星體構成的、月球表面高低不平、木星周圍有四顆衛(wèi)星等。這些發(fā)現(xiàn)震驚了整個歐洲，幾個月后，又一批觀測成果接踵而來：太陽表面存在黑子、金星存在盈虧現(xiàn)象以及土星的奇怪外觀等。
原來，伽利略改進了30多倍的望遠鏡之后，首先觀測的便是離地球最近的天體——月球。他驚訝地發(fā)現(xiàn)，月球表面并非人們想象中那么完美無暇，而是坑坑洼洼。從此之后，月球不再是之前如亞里士多德所認為的半透明的、完美的球體，也不是但丁所描述的第一個“行星”，一個“永恒的珍珠，壯麗地直升入天堂般的蒼穹”了。這證明了天體并非上帝所造完美無缺的物體，這在很大程度上挑戰(zhàn)了天主教會所宣揚的教義。
由現(xiàn)代家用天文望遠鏡拍攝到的月球表面，可見坑坑洼洼的環(huán)形山
而他通過望遠鏡觀測，得到最著名的發(fā)現(xiàn)莫過于木星的衛(wèi)星。
1610年1月7日，伽利略通過望遠鏡觀察到了當時被描述為“三個固定天體，因為渺小而幾乎看不見”的木星衛(wèi)星，它們都靠近木星，成一條橫跨的直線。然而，第二天晚上觀測時發(fā)現(xiàn)那些木星旁邊的天體竟然改變了位置，那么，它們作為固定天體就無法解釋了。3天后，它們其中的一個甚至消失了，伽利略認為是因為天體藏到了木星的背后。幾天后，伽利略得出結論：它們在環(huán)繞木星運行。同時，他還發(fā)現(xiàn)了木星四個衛(wèi)星中較大的三個，并于1月13日發(fā)現(xiàn)了最后一個。后世的天文學家將它們命名為伽利略行星以紀念它們的發(fā)現(xiàn)者，這些行星如今被命名為艾奧、歐羅巴、伽倪墨得斯和卡利斯托。
伽利略對木星衛(wèi)星觀測的手稿
伽利略對木星光環(huán)的觀測極大地打擊了當時占據(jù)統(tǒng)治地位的“地心說”。按照“地心說”的理論，所有天體都應該圍繞地球旋轉，然而到了1611年，伽利略已經(jīng)總結出相當精確的衛(wèi)星運行周期。
伽利略望遠鏡的另一個重大發(fā)現(xiàn)是土星光環(huán)。最初，當伽利略觀測土星時，將土星光環(huán)誤判為行星，甚至是衛(wèi)星，以為這是一個由三部分組成的星系。之后，當他再度觀測時，土星光環(huán)則直面地球，以至于認為之前的那兩部分突然消失了。1616年，他再次觀測土星時，光環(huán)又重新出現(xiàn)。他對此非常疑惑，一直到后來才意識到，這不是“行星，衛(wèi)星或者三組分的星系”，只能是光環(huán)。由此，伽利略成了發(fā)現(xiàn)土星光環(huán)的第一人。
伽利略對土星光環(huán)的早期觀測
除了木星和土星之外，伽利略對金星，太陽黑子和銀河系也都進行了觀測，這成為了人類第一次以科學態(tài)度審視星空的記錄。
而伽利略用這架望遠鏡指向天空，得到了一系列的重要發(fā)現(xiàn)，宣告了天文學從此進入了望遠鏡時代。
在伽利略的基礎上，1611年，德國天文學家開普勒用兩片雙凸透鏡分別作為物鏡和目鏡，使放大倍數(shù)有了明顯的提高。
伽利略望遠鏡與開普勒望遠鏡的顯像對比
1757年，杜隆通過研究玻璃和水的折射和色散，建立了消色差透鏡的理論基礎，并用冕牌玻璃和火石玻璃制造了消色差透鏡。從此，消色差折射望遠鏡完全取代了長鏡身望遠鏡。
十九世紀末，隨著制造技術的提高，制造較大口徑的折射望遠鏡成為可能，隨之出現(xiàn)了一個制造大口徑折射望遠鏡的高潮。
但由于折射鏡片通過固定邊緣和側面，這個支撐結構的致命弱點，導致鏡片很大很沉之后，重力引起的變形會讓望遠鏡無法維持理想的形狀，后來專業(yè)天文臺望遠鏡都向反射望遠鏡發(fā)展。不過，憑借沒有中心遮擋、銳度好、鏡筒消光趨于完美等優(yōu)勢，折射望遠鏡在中小口徑望遠鏡中，依然有很大的潛力。
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