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接着聊钻石的火－－技术男的故事精选

已有 7649 次阅读 2014-7-28 12:02 |系统分类:科普集锦| 望远镜, 技术男, 夫琅和费线

技术男的故事

上次写了钻石的故事。本是没目的乱写，没想到被置顶，想必编辑MM一定每人手上戴一颗2克拉吧。若把上文的思路规整规整，不过是想规劝当今的社会（丈母娘）要重视技术男。为了再接再厉，今天接着写点技术男的故事。

“科学男”和“技术男”的重要区别是，遇到难题时，科学男是没条件不上，技术男则是没条件创造条件上。遇有课题，科学男一般会说，“基金委，拿钱来，我来研究研究”。而技术男（民工）则会说，“三月后交货行吗？达到你要求后给足钱就行”。

科学猛进的时候，科学家拿钱容易地位就高，搞技术就常被看成是下里巴人。而科学达到一定水平后，科学家遍地失业，社会就又开始重视技术，甚至把技术称为科学，比如什么“Translational research (转化科学)”。

接着聊上回钻石的“火”的故事。上文提过，磨得好的钻石在阳光一照的时候可以看见一片流光溢彩，称之为“火”，德国的技术男夫琅和费（Josef von Fraunhofer）就是靠研究这“火”发了大财，同时也为很多领域的科学做出了不朽的贡献。

夫琅和费是个自学成才的磨玻璃匠（Glassmaker）。他11 岁成了孤儿，到一个玻璃作坊当学徒。在一次厂房倒塌的致命事故中他奇迹生还，并遇到当时亲临现场指挥救灾的巴伐利亚王子马柯西米兰一世（Maximilian I， Josef）的资助。王子出钱给夫琅和费买书并命令他的老板容许他晚上点灯学习。夫琅和费听说磨制透镜可以赚钱，就为此干了一辈子。后来果然精益求精，他造的天文望远镜竞然被欧洲各大天文台竞相订购。因为天文望远镜的分辨率是当时观察宇宙的前沿，有好望远镜就有好天文学。当时的天文学家也说不清，为什么两个望远镜放在一起，夫琅和费的望远镜就比别家造的清楚许多。

夫琅和费磨制完美透镜的一个秘密就是利于太阳光来校验，他发现只有磨得非常完美的透镜才可以在太阳光谱的彩虹中看到细小的黑线。在巴伐利亚温暖的阳光中，夫琅和费在他的作坊中平心静气地玩着他的技术秘密，后面大天文台的定单追着屁股走。可见一个小秘密也可以创造巨大的经济价值。

这夫琅和费的秘密黑线是怎么回事呢？说白了钻石的火就是阳光分光产生的彩虹，也可以用一块玻璃棱镜来产生（图一）。

图一棱镜分光得到的彩虹

因为很多化学元素都会吸收特殊波长的光，所以白光展成彩虹，吸收的特殊波长也就在光谱中留下条条黑线。夫琅和费发现，在“火”的橙黄光区域中，有几条暗线可以用来检验透镜的质量。按说太阳光谱中的黑线早在夫琅和费发现之前的十年前就被英国化学家瓦拉斯顿（W. H. Wollaston,）发现。瓦拉斯顿是正经的科学男，英国皇家学会的院士。可是技术男就是技术男，为了不断改进透镜质量，夫琅和费对这个“火”研究得走火入魔，为把彩虹宽宽地展开，他专门发明了一个仪器，叫“分色镜”（图二）。

图二夫琅和费展示他的新发明，分色镜。可以看到科学男和技术男衣服和鞋都不同，肚子大小也不一样。

利用用分色镜他纪录下了阳光光谱中的574根暗色的细线，（而现在的技术可以看到几百万根。图三，好多种元素啊，每个元素又有很多个吸收峰）。这些黑线，除了给有夫琅和费带来了财富，也给人类带来巨大的科学价值。这些咱先按下不表。

图三，夫琅和费线

那夫琅和费的望远镜到底高明在哪呢？小时候咱们都看过《说岳全传》，里面有这么一段话：“… 太宗皇帝驾幸五台山进香，被潘仁美引诱观看透灵牌，照见塞北幽州天庆梁王的萧太后娘娘的梳妆楼，但见楼上放出五色毫光….”. 据考证，所谓“透灵牌”就是原始形态的望远镜。而所谓“五彩毫光”就是围绕在物体周围的小小彩虹，是望远镜的一种失真，行话说叫“色差”。色差和钻石里的火一样，都是由于不同波长的光在介质里折射率不同造成的。钻石工业里要大大发扬的火却是望远镜工业里要极力避免的。

防止色差的一种技术是用两种不同材质的玻璃，即“火石”玻璃（flint glass）和“冕牌”（crown）玻璃来制成复合透镜，即所谓 “无色差”(achromic )透镜。无色差透镜由英国业余科学家霍尔（他本行是个律师）于1729年发明的。到了夫琅和费手里，他发现当时的冕牌玻璃有微观缺陷，而且越厚缺陷积累越严重。因此这种玻璃实际上不能做天文望远镜的大型无色差物镜的。为此，夫琅和费研制了自己的大型玻璃熔炉并造出自己的品牌玻璃。

除了有好玻璃，还必须要有好的加工技术。当时加工天文望远镜用的大镜片是技术的难点。夫琅和费为此专门制造了新的研磨机解决这个难题。

到了后来，连老牌的科学大国英国都造不出那么好的光学仪器。在夫琅和费领导下的巴伐利亚光学研究所成了真正的世界第一。可是夫琅和费一直是个“民科”。直到1822年，巴伐利亚的呃拉根大学（FAU， Univ. Erlangen-Nuremberg）才给他一个名誉博士的学位。用夫琅和费自己的话说，“我没时间考虑那么多问题，我研究这些就是为了改进望远镜这么个实际目的”。确实他没多少时间。他和当时很多玻璃匠一样，没有职业防护的知识，39岁那年（1826）就死于与重金属中毒相关的肺病。

咱是写科普的，写技术男不能光写他们怎么发大财，也要写出让他们发财的科学道理。夫琅和费发财是因为大镜片。那天文望远镜为啥要用大镜片呢？因为从光学讲，光学分辨率是由仪器的口径决定的。人的瞳孔口径只有两毫米左右，由此决定了人眼睛的光学分辨率是视角“一分”。啥叫一分？就是从地平线到天顶算视角九十度，把一度分成六十份就是视角一分。天上的星星虽然能看得见，但是除了太阳月亮全都小于视角一分的人眼分辨率，所以只能看到一个光点。

到了伽利略时代，他的望远镜已经有3.8厘米的口径，比人眼分辨率高多大约二十倍。据野史记载，有一天伽利略对他奶奶说，“今天我让你开开眼，看个天文奇迹”。于是拿出他的望远镜，指向天边的长庚星（金星）。那长庚星在望远镜中已经不是一个耀眼的亮点，而是个弯弯的月牙。没想到他奶奶看了一眼，不屑地说“什么奇迹，我早就看过了”。原来他奶奶属于人类中万分之一的好眼睛，能够裸眼看见金星盈亏。

夫琅和费的大师级作品是9 英寸（24厘米）折射式望远镜（图四），已经比人眼的角分辨率强了数百倍。由夫琅和费开启了“巨型折射望远镜时代”（the greatrefractor era）。各天文台竞相定制夫琅和费式的望远镜，就象今天国人抢购最强的医学成像机一样。可是巨型折射式望远镜时代只延续了七十年，口径从1826年的24厘米到1900年的125厘米, 然后就像恐龙一样退出历史舞台。为啥呢？因为透镜口径越大镜片越重，由于折射望远镜的镜片中间通光，只能由边缘支持重量，所以由自重造成的玻璃变形就足以破坏了它的成像精度。

图四夫琅和费制造的9寸折射天文望远镜

那么，难道技术的发展就停止在夫琅和费时代了？当然不是。夫琅和费之后兴起了大型反射式望远镜，反射望远镜的镜片可以固定在底座上，由很多支点支撑，所以可以做得很大。现在正在兴建的欧洲超大望远镜（EuropeanExtremely Large telescope）, 由798块直径140厘米的镜片精确地合成高达3900厘米的口径。这3900厘米到底是个啥概念呢？用它在地球上看月亮表面，分辨率就象宇航员站月面上看脚下的土地一样。

对光学望远镜来说，整个镜面（米数量级）的面型误差要达到比光波长小的水平（几百纳米）是很难实现的。因此欧洲的超大望远镜不得不用几百片小镜子来拟合一个大口径的镜面。其位置的配合是高精尖的技术，需要对镜子的材料、镜子的支撑和位置修技术做出最佳的匹配组合。如果用波长长得多的无线电波，实现大口径在技术上就容易些了。但对电波的望远镜而言，需要更大的口径才能满足科研的需要。下面是中国现在正在兴建的500米口径的贵州射电天文镜，世界第一（图五，中科院2014年七月十七消息）。