《談天說文》琥珀望遠鏡琥珀望遠鏡

中研院天文所研究助技師 曾耀寰 |2008.02.15
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瑪麗說,但我想利用樹漆製作一面鏡子,或許可以幫我看見。……上完漆後就是磨光,瑪麗花一整天清柔地以畫圓方向磨光表面,直到手臂痠疼,頭嗡嗡作響,再也做不下去為止。」瑪麗是菲力普‧普曼奇幻小說《黑暗元素三部曲》的人物,她是一位實驗物理學家,專門研究譗影子粒子豃,她在第三部《琥珀望遠鏡》裡頭遇到了謬爾發,謬爾發是一種輪子生物的種族,瑪麗和謬爾發生活了一段時間,利用當地的材料—樹漆製作了一具琥珀望遠鏡,想要透過望遠鏡看到影子粒子,謬爾發稱作思若夫,也就是《黃金羅盤》所提到的塵。

對我們來說琥珀是一種松樹脂的變質化石,在幾千萬年前產生,經過地球岩層的高溫高壓而形成了色彩豔麗的透明寶石(如圖一),黃色的琥珀最常見,其他顏色有紅、紫和藍色。主要產地在瑞典、丹麥、德國、波蘭和舊蘇聯的海岸。

琥珀的透明性也許可以用來製作折射式望遠鏡,但無法發揮奇幻小說所敘述的功能—觀察影子粒子。並且琥珀是有顏色的,透明度不若玻璃,對天文學家來說,這種望遠鏡的效能堪慮。望遠鏡對天文學來說是非常重要的工具,望遠鏡可以收集來自宇宙的各種不同頻率的光,在可見光部分,有兩種望遠鏡可資使用,折射式和反射式望遠鏡,其他波段,例如無線電波和X射線,需要靠別種望遠鏡進行觀測。

折射式望遠鏡發明較早,大約在十七世紀初,由一位荷蘭的眼鏡工匠意外發明,當時稱之為察諜鏡(spyglass),1609年義大利天文學家伽利略聽到這個消息,立刻打造一具由凸透鏡和凹透鏡所組成的折射式望遠鏡,開始進行天文觀測。後來,克卜勒進行改良,製作了一具由兩個凸透鏡所組成的望遠鏡,它比伽利略望遠鏡有更大的視野,不過所看到的影像是上下顛倒的(圖二)。

望遠鏡的主要功用不在於放大影像,天文學家所注重的是較高的解析度和收集較多的光子。這和我們對液晶電視的要求是一樣的,通常我們認為好的液晶電視不只是尺寸要大、解析度要高、亮度要夠,例如40吋液晶電視的解析度標示1366x768,這表示了長度和寬度的解析度,1366表示每英吋有1366像素(dpi),dpi的數值愈高,解析度愈好。望遠鏡也一樣,如果解析度不高,只會放大影像,最後你只能看到很粗的顆粒,就像利用電腦的影像放大功能,把數位照片不斷地放大,最後便看到模糊的影像(圖三)。而望遠鏡的解析度是和望遠鏡口徑大小成正比,望遠鏡越大、解析度越高,遠方的兩顆鄰近的星星可以清楚分辨,不會模糊在一起。

除了解析度外,望遠鏡還要盡量收集光子,所以望遠鏡必須要越大越好,就像天降甘霖時,拿較大的鍋盆可以接到較多的雨水。因此天文學家都希望有最大口徑的望遠鏡,有較高的解析度,收集較多的光子。

但折射式望遠鏡有天生的缺陷,當光線通過透鏡之後,不會在同一點聚焦,這現象稱作色差。這現象和牛頓的三稜鏡實驗是相同的,牛頓利用三稜鏡將白光分解成一道彩虹,這是因為不同顏色的光通過三稜鏡後,會有不同的折射。折射式望遠鏡裡頭也是一樣,結果反而造成星光無法聚焦,影像不清。為了解決色差的問題,折射式望遠鏡的透鏡必須作得很薄,盡量讓各種色光能聚集在一起,但是太薄的透鏡會有較長的焦距,使得望遠鏡變得很長(如圖四)。

另外太大的透鏡太重,會造成透鏡本身的變形,影響得到影像的品質,因此現代一流的望遠鏡都不是折射式望遠鏡,而是較晚發明的反射式望遠鏡,反射式望遠鏡不像琥珀望遠鏡,而是靠反射的鏡子,反射式望遠鏡就留到下回介紹。

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