互动科普

 光亮汞液镜有可能制成比玻璃反射镜大得多的镜片，可使天文学家制出巨型望远镜，比以往任何时候都看得更遥远。

采用反射式望远镜聚合来自亿万星球和银河系的微光已有将近四百年的历史了。借此所进行的观察已使我们得知宇宙的辽阔无垠和深邃奥秘，同时大大扩展了我们的眼界，也丰富了我们的想象力。然而，尽管取得了如此成就，传统的反射望远镜技术仍然存在着某些严重的不足。譬如，要将硕大玻面研磨并抛光，制成完美的抛物面形状，不仅花费巨大，往往还难以办到，而这种加工形状又是将平行光线聚成一点(聚焦)的理想形状。还有这类玻镜在温度发生变化时会产生变形，且尺寸超过一定限度时会因自身的重量而导致瓢曲。

因此，天文学家以及光学专家们曾尝试用一种古老的，甚至可以说是非同寻常的工艺技术取而代之，那就是用液体制镜。液镜绝不致产生下陷现象，所以，在理论上想做多大就可做多大。同时，用人工方法使液体变成抛物面则是轻而易举的事。由于重力和离心力的作用，可使诸如汞之类的反光液体旋转时表面形成精确的抛物面形。搅动咖啡时也会出现这种现象。形成的精致光学表面可无须再进行抛光处理。因而液镜远比玻镜便宜。花费的下降，甚至使业余天文爱好者也有能力置办大型光学器具(见本期业余科学家“用旋转液体制作反射镜”一文)。此外，由于光学器具乃是很多科学测量的重要工具，所以液镜在很多科研领域以及工程技术方面可能也会很有用处。

无人知晓是谁首先倡导液镜。牛顿自己可能是这种想法的创始人。这位伟大的自然科学家懂得一只旋转水桶中的水其表面可形成抛物面，同时他也是发明第一只反射望远镜的人。可是直到本世纪初，这种想法才受到重视。当时约翰·霍普金斯大学的一位偏执的物理学家兼作家Robert Wiliiams Wood试图建造一架液镜式望远镜。

Wood的兴趣广泛，从研究光学镜片和光谱到一些浅显通俗儿童诗文的写作都有所涉足。他还写科幻小说，与Arthur Train合著有“撼动地球的人”。Wood最为人知的是他曾在1904年震憾法兰西，揭发南希大学Rene Blondlot关于N射线这种辐射形式的发现。根据Wood的要求，Blondlot在自己的实验室暗室里演示如何通过棱镜过滤能够探测出N射线，并认为它是与X射线类似的射线。Wood感到怀疑，因而把此次试验的主要部件棱镜偷偷塞进自己的口袋，Blondlot没有发现，实验结果也无变化，从而证明了其虚假。美国新闻界曾大肆渲染这事件。

然而，Wood的液镜不太受重视。凡是想建造这种液镜装置的人都遇到技术上的难题，而Wood在解决这些难题方面也并不走运。虽然拍出了图片，但拍摄的星体模糊不清。Wood液镜的旋转支承轴承不够精良，因此，汞液旋转速度不稳定，造成焦距变动。还有振动和风力也使液汞表面起皱波。如果说这些尚不能称之为难题，那么还有一个严重麻烦困扰着天文学家，那就是液镜不能象玻镜那样倾斜以补偿地球的转动。所以在Wood的照片上所记录的均是些条纹。Wood对于这类问题耐心细致地条分缕析，慢条斯理地写出文章登在《天文物理杂志》上。

这种工艺技术以后一直无人过问，直到1982年1月。就在这个月，有一组科学家演示了非同寻常的方法，解决了液镜倾斜问题。普林斯敦大学的James E．Gunn和Peter Schneider以及加州理工学院的Maarten Schmidt在帕洛马山顶将五米Hale望远镜安放在固定的位置，对天空一狭长区域观察了一整夜。电荷耦合器(CCD，一种构造复杂的固体光学传感器)使观测者能够在不转动望远镜的情况下捕捉到清晰的图象。

CCD探测器通过电子方式由东往西移动其光学传感器，移动速度与望远镜所视图象的移动速度相同，这样就可以弥补地球的转动。这就和以同样速度运动的照相机去拍摄运动物体的照片一样。星体穿过探测器的狭窄宽度时，一般只有几分钟，使收集到的光量受到很大限制。然而，一夜一夜连续观测天空的同一区域，通过计算机连续累计曝光量即可得到清晰度不断提高的图象。

Gunn、Schneider和Schmidt的成就激起我个人对液镜的兴趣。最初我对液镜的了解是在上中学的时候。我对液镜产生了好奇，但是即使作为天文学家我也从未认真考虑其在研究工作中的应用。当帕洛马山峰观测工作进行的时候，正值我在亚里桑那大学的休假年度里。该大学里有两位研究人员希望利用CCD探测记录仪的功能。J．Roger, P．Angel和John McGraw当时打算建造一架创新的望远镜，来探测遥远的超新星(这台望远镜目前仍在正常运行)。该望远镜永远固定。所以不需要耗资巨大的活动框架和圆屋顶。

休假结束时，我已经明白，如果CCD摄像机能用固定的玻镜拍得清晰的图片，那么液镜也一定可以得到同样效果。当然，如果液镜不能得到高质量的图象，这种精确跟踪就没有意义了。因此，当我回到拉瓦尔大学时，我决定要弄清楚究竟液镜的光学性能有多好。首先我定购了空气润滑轴承和电动机。我们自己的车间制作了装设这种设备所需的其它全部零部件。

几个月之内，我检查了自己的第一台汞镜，其直径为50厘米，检查是采用刀刃试验。就是一人将锐利的刃口对着一个点光源的反射图像光束。理想的反射镜应能将一个尺寸相同的图像投射在点光源上。当薄片刃边遮断反射光通路时，会立即遮掩图像。性能差的反射镜使光线散射，所得图像要大些，沿刃边辉光。试验结果表明图像被完全遮掩，表明液镜确实具有精确的抛物面形状。

不久我建造了一架直径1米的液镜来研究液汞反射镜技术。我得到拉瓦尔大学研究生Robin Arsenault(现在服务于CFHT公司)和Mario Beauchemin的帮助。通过更进—步的分析证实镜面确是精确的抛物面，而且十分光滑，特别是支承镜面的机构旋转起来十分稳定，表面波纹极微，焦距也无变化。

有了这些令人鼓舞的成果之后，我决定着手进行更为重要的开发研究工作。首先，我必须建造能保证获得精确光学测量的设施，配以最新设备。这种准备工作远比实际试验更为耗费时间和精力。建造设备的过程中，必须保证精确的光学准直定心，建筑物的震动和气流干扰也必须加以考虑，这种干扰会造成极大危害。为了获得高度的光学精确度，任何镜面上小到光波长度1／40的微小外形缺陷也必须尽量减少。

在费时费力的建造工作完成后，我们赢得了一次壮观的报偿。那是在我们初期使用1．5米直径汞镜观测的过程中发生的事。Stanis1aw Szapiel(现在在国立光学研究所工作)在电视监视屏上得到一幅至今尚未弄明自的某颗人造卫星的图像。我们利用显微镜放大了这幅图像，令我们惊异的是监视屏所示为由交错的一系列明暗光环所围绕着的一只圆盘，图像看上去就象是反射镜的衍射图案。这种阴影的出现是因为：即使是在光学表面形状接近完美无缺时，也难以避免光的波动性质的根本性限制。镜面反射的光波相互重叠干涉，相互之间或者相消或者增强，十分类似于池塘水面波纹所能产生的复杂干涉图案。这样，一个光点就能显现成一系列明暗光环围绕着的一个圆盘，这种光环就是反射光相长相消的相互作用结果。因此，一幅图象的清晰度不完全取决于反射镜的质量，而且取决于其直径：反射镜越大，图象就越清晰。最初我对监视屏上所观察到的图形其实就是反射镜的光衍射图案感到怀疑。然而，经过多次讨论、计算和实验，我们只能接受我们的反射镜几乎是完美无缺的这一可能事实。

确证以上结论还要求更为严格的检验。Robert Content(当时是拉瓦尔大学博士研究生)利用散射片干涉仪对这一1．5米直径的反射镜进行了广泛的检验。这种仪器能通过记录光干涉图以极高的精确度测绘出物体表面的形状。我们对用CCD摄像机记录下来的成百幅干
涉曲线图进行了处理，结果满意地证明我们所得出的结论是有代表性的。

检查液镜要比玻镜更为困难。因为液面形状能很快变化。测得的值也不能象玻镜那样进行综合得出平均值，而均化能将空气湍流和振动所造成的像差减到最小。在这个试验阶段，我们的精心准备得到了报偿。干涉测量最后表明，调整正确的液镜保持抛物面的精度至少可达到光波长度的1／30，接近对哈勃空间望远镜所规定的精度。

虽然我们在实验室内的测试所取得的结果，远比我们两年来期待的结果要好，但是，我们需要鉴定液镜安置在室外，日晒夜露时情况又将如何。为此，于1986年我们建造了一个装有1米直径液镜，第二年又装了一个1.2米液镜的观测站。学生们在此工作了63个晴朗的夜晚，搜寻以前曾有过报导但并未确定的星体闪光。探测器是一台可编程序的35毫米摄像机，能记载下闪现时间不超过两分钟的星体的踪迹。我们用不多的费用没有任何困难就建起了这个观测站(见框内图文)。工作结束后，装置运行良好。但是，我们一颗也没有找到，于是得出结论，即使那些星体存在，也是极稀少的。最为重要的是这次观测工作导致了一本具有里程碑意义的出版物的出现，该书详细描述了利用液镜式望远镜所作的首次成功研究。

然而，不管它是多么容易制造、多么便宜和多么精确，一台望远镜如果不能瞄准需要观察的目标，那又能作出些什么观察呢?我认为几乎任何传感和记录系统都可用于固定式望远镜。即使我们只考虑这种已经证实的技术——利用CCD来记录观察结果。液镜式望远镜也可望大大有助于天文观察工作。

宇宙学家，特别是绘制宇宙图的宇宙学家将会得益于这种望远镜。他们的研究工作要求观测极暗弱的天体目标，因此需要长时间使用大型望远镜，由于普通玻璃望远镜造价高昂，任何一位科学家都无法个人置备。大口径望远望需求频繁，甚至一个协作小组观测某个特殊的目标一年内最多也只能使用十几个夜晚，这样，完成这类观察研究往往就要化费好几年时间。

液镜耗资少，宇宙学家们要比玻璃望远镜更容易得到它们。这种耗资不大的设备能加速许多专项研究工作的进程，它们包括从寻找遥远的超新星和粪星体到宇宙的演化和拓扑结构等。不列颠哥伦比亚大学的Paul Hickson在与拉瓦尔大学的合作研究中，已建成一台2.7米的液镜式望远镜，用于光谱观测。这台望远镜使用了CCD记录仪和干涉滤光镜，1992年末首次投入使用。美国航空航天局的Andrew E．Potter Jr．和洛克希德公司的Terry Byers已建成一台3米口径的液镜式望远镜，用来搜寻宇宙空间里小到半英寸大小的碎片，这些空间废弃物对于人造卫星、宇宙飞船以及空间站等都会构成威胁。

液镜式新设备除了口径大以外，还有一些重要特性，如：表面质量高；散射率低；可用较高快门速度和焦距可变等。因此，液镜可以加强许多科学领域里的研究工作。我们和西安大略大学的Robert J．Sica所领导的小组进行的合作研究，把液镜当作光学探测和光学测距(LIDAR)系统的接收器使用，可以监测地球上空3O公里至110公里的大气层。首先装置向天空射出大功率的激光束，使大气分子激化。然后，激化分子发射出光，光的强弱和波长均由激化分子所在之处的大气密度和温度条件决定。我们为这装置建造的2.65米汞镜，其聚光能力使该装置成为当今世界上最灵敏的大气记录仪之一。

由于成本不高，其抛物面形状又异常精确，因而液镜还可在光学车间的检测工作中，用作基准表面。到目前为止，液镜最富独创性的用途为设在列日的太空中心的由Nathalie Ninane制成的一个1．4米汞液镜全息系统。当将其照亮时，即可产生全息图像，而这个图像就可用来作为加工依据，将玻璃镜面抛磨加工成完美的抛物面。

建造直径可能超过30米的巨型望远镜的远景开始令我激动，我们究竟能建造多大的望远镜呢?这个问题只有通过建造直径越来越大的望远镜这种尝试才能回答。不过，我们不太费力就以低成本制成2．7米液镜确是一个良好的开端。然而，仍存在一些可能限制直径尺寸的因素。

地球弧面会导致焦距的微小改变，不过这很容易校正。然而，还有个可能令人烦恼的地球物理因素，即复合向心效应。这种效应能使大气以螺旋线形式扫过地球。当某物体(如旋转液体的表面)在一个旋转座标系统(如地球)上运动时，就会产生这种效应。也在不列颠哥伦比亚大学工作的Hickson和Bard K．Gibson两人和我都已独立过计算说明这个问题的影响不严重。仍然是老问题，我们早期的观察发现风力会产生明显干扰。虽然建一个挡风罩可以使液镜避免外界气流运动的干扰，但是液镜本身旋转时所产生的风力也可能会使液镜直径受到限制。大液镜的外缘要比小液镜外缘旋转速度快。就好像边缘上的旋转木马要比靠近中心的旋转木马移动快一样。这种快速会产生局部空气湍流。

所幸的是有几种办法可使我们能够把表面波动减弱到最低限度：采用薄层汞液可有效减弱这种湍流的影响。在汞液表面漂布一层有机分子(如油类)也可以减小空气吹动所造成的波纹。在旋转液上面附一层塑料薄膜是一种可靠的解决办法。经过对各种材料的试验，我们采用了有韧性的聚酯薄膜保护液镜表面，它不会使图象发生畸变。

还有一些其它改进措施。汞液重，采用较轻的液体代替可能会有好处，因为较轻的液镜可以安置在成本较低的轴承上和容器内。于是，我们开始用比汞轻的液体金属——镓作实验。结果令人振奋。虽然镓在摄氏30℃时就会凝固，但却很容易使其达到过冷状态(过冷状态可使一种物质在其正常的凝固温度之下仍然保持液态)。两名拉瓦尔大学研究生John Gauvin和Gilberto Moretto将一些镓在魁北克的严冬中置于户外，使其过冷到零下30℃，证实镓样品数星期后仍能保持液态不变。只有在温度降到零下30℃以下时才开始凝固。Gauvin制成了一台0.5米直径的镓合金液镜，性能十分可靠。

在光学校正装置方面作出的种种改进也可以通过增大采集光线的大气层空域高度的方法，使液镜式望远镜更为有效。在抛物镜面的反射过程中，只有那些直接位于抛物面中心线上的遥远点状目标才能被聚焦成一个点，而那些偏离中心线魄点所成的像则是一些斑，且随着距轴线距离的增大斑也会变大，致使图像模糊。这种失真现象对于任何一种望远镜都会发生，但可采用辅助光学设备予以减少。这类辅助设备可由协调配合的多块透镜或反射镜组成，用以将反射光束偏离部分往回汇聚成一条线，以消除最后成象上的种种偏差。采用典型的这种装置，可在一度的视场范围，亦即两倍月球视径内获得清晰的图象。通过将多台望远镜安置于不同的纬度，从不同的天区取样，可以扩大视区。然而，研制新的校正装置，使一台望远镜就可以获得更宽阔的视野将会更为有效，花费也会远远少得多。

基于上述原因，维多利亚大学的Harvey R．Richardson和维多利亚Herzberg宇宙物理研究所的Christopher L．Morbey设计了一台计算机校正仪，以抵消液镜反射的特定误差。这台设备有点麻烦，因为它是依靠对三面独立的反射镜的位移的测定。这台校正仪还可以使液镜在入射光线偏离镜面对称轴线达7.5度时，仍能生成清晰的图象。实际上，这种最先的尝试说明：当抛物液面是以锐角反射光线时，所造成的严重像差是可以校正的。

这种令人鼓舞的校正仪在理论上几乎不受什么限制。校正仪可使液镜式望远镜(尽管视野不宽)能够观测大部份可见天区，能用于光谱测量或拍摄高清晰度图像。在实际使用方面，Min Wang、Gilberto Moretto和我本人与马赛天文台的Gerard lemaitre合作，正在探索普通校正镜的新的改进途径。由lemaitre开发的这方面的新光学技术是将镜面作成复杂的形状，使它能消除反射误差。目前，Min Wang，Moretto和我已在计算机上设计出一种使用两只辅助镜面的高性能校正仪，可以在偏离中心轴线达22.5度的天区内拍出清晰的图象。

全息装置至少在理论上可以作为调和反射光及光源之间差异的最佳调节器。预先录得的全息图可以投射在反射光的通路上。当光线通过全息图时，可以滤除预先估计到的误差。通过对计算机生成全息图象的镶嵌拼接可以在很大视域内补偿从天顶远处射来的光线所产生的象差。在拉瓦尔大学，Guylain Lemelin，Roger A．Lessard和我正在研究全息校正器。遗憾的是，我们发现要做出这种仪器的实用型有待工艺技术的发展，而这方面目前才刚起步。

经常有人问我能否将液镜式望远镜安置在宇宙空间。这种可能性是令人感兴趣的，因为液镜的光学性能优异，重量不大，而且装设也不复杂。虽然月球上温度条件差，但是无疑可安置液镜式望远镜。用轻质镓合金甚至更轻的碱金属合金制成的液镜在月球望远镜中仍能保持液态，因为这类轻金属的融点很低。不过，到目前为止，我觉得将液镜式望远镜安置在轨道上还是不可能的。因为地球或月球上的重力加速度是生成抛物面所必不可少的条件。而轨道望远镜是一种自由落体，也就不受重力影响了。采用安装加速发动机的想法不切实际，因为发动机最终会因燃料耗尽而停止工作。

以太阳帆作为动力的飞行器具有的潜在可能性改变了我的想法。1992年我在“宇宙物理杂志”上发表了一篇文章，分析用太阳帆作为轨道运行液镜式望远镜动力的可能性。太阳能取之不尽，因此太阳帆可保持加速，使液面形成抛物面。虽然这种想法确切地说更象科学幻想而不是科学实际，但是其假设是合理的。目前，还没有一台太阳帆飞行器发射成功，但是美国航空航天局在七十年代末所进行的研究表明制造这种飞行器是可行的。

如果飞行器的运行速度低于其应有轨道速度，利用太阳帆加速形成的液镜就不会逐渐增加动量和离开太阳系。此时太阳帆能够刚好抵销重力，使望远镜保持在轨道上运行。太阳帆也可能取代所有各种重力，得出一台能够长期使用的稳定装置。格拉斯哥大学的Colin Mclmies已经指出,装有太阳帆的飞行器能够在各种轨道上运行井可在中途转换轨道口在这种情况下.轨道运行液镜式望远镜就可像普通玻璃镜望远镜一样指向各种目标。我深信可以制成一千米直径的宇宙液镜。想像一下科学家们利用如此巨大的液镜将会有怎样的发现会令人振奋不已。

1987年6月，《现代物理学》杂志副主编Per H.Andersen写过一篇题为“未来宇航员能用液镜进行观测吗?”的报导。七年后的今天已经建成了一些供研究用的液镜式望远镜。随之而来的问题是会有多少宇航员使用液镜进行观测。这个问题只有未来才能作出回答。但是，我希望最低限度液镜式望远镜会完成观测之类的专项宇航工作，而最大限度则是我企盼液镜式望远镜有朝一日能用于大部份宇宙研究，而使可倾斜的传统望远镜退居某些专门研究领域。这似乎是遥远无期的梦想，但是，我认为液镜结构之简单和造价之低廉将具说眼力。同时，业余天文爱好者，工程技术人员以及所有的科学家们都将明白液镜的潜在能力。他们可能会创造出比Lewis Carroll的镜子更大的奇迹。