乔治·海尔与他的传奇望远镜们

历史上曾涌现出不少充满传奇的制镜大师，不过说到望远镜制造方面的成就，无论是以手工艺闻名的17世纪意大利光学大师朱塞佩·坎佩尼，还是一生制造了四百余台望远镜的天文学泰斗威廉·赫歇尔，亦或是一“炮”成名的罗斯伯爵威廉·帕森斯，以及精益求精的德国工程师塞格穆勒，都无法与乔治·海尔相提并论。

1929年，西蒙·托马斯为乔治·海尔绘制的肖像。来源／The Huntington Library

/ 富商海尔

富商海尔指的并不是我们故事的主人公，而是他的父亲。无论以多么苛刻的标准来看，乔治·埃勒里·海尔（George Ellery Hale）都算得上标准的“富二代”。他的家族1640年移民到美国，父亲威廉·海尔创建的电梯制造公司是全美最早的液压电梯制造商之一。提起“摩天大楼”，人们常常会先想到纽约，其实摩天大楼的概念诞生于芝加哥。1871年，芝加哥发生了一起巨大的火灾，整个城市几乎变为废墟。在灾后重建过程中，摩天大楼拔地而起，使得芝加哥一跃成为美国经济最发达的城市之一。海尔的父亲为这些摩天大楼制造了电梯而获利颇丰，在芝加哥拥有许多大楼和铁路。

也许是受到父亲的影响，海尔从小就具有很强的动手能力。不过他并不想子承父业，他对科学明显比对电梯更感兴趣，而他的爱好则得到了父母的鼓励，他甚至在家里建立了一个小实验室。十四岁时，海尔自己动手组装了第一台望远镜，从此便一发不可收拾。他开始观测星空与日食，并描绘太阳黑子。高中毕业后，他来到麻省理工学院学习物理学，期间发明了太阳单色光照相仪，并借助仪器发现了太阳涡旋，显露出非凡的才华。

安装在肯伍德天文台12英寸折射镜上的太阳单色光照相仪是 海尔早期的发明。来源／The Huntington Library

1890年，海尔的父亲为他建立了一座私人天文台，也就是位于芝加哥郊外的肯伍德天体物理天文台（Kenwood Astrophysical Observatory）。海尔在这里将他的太阳单色光照相仪首次投入观测，同时也是在这里，1894年他与詹姆斯·爱德华·基勒一起创建了赫赫有名的《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal ，简称ApJ）。

海尔的工作吸引了芝加哥大学校长威廉·雷尼·哈珀（William Rainey Harper）的注意，海尔带着他的肯伍德天文台一起加入了刚刚成立的芝加哥大学，成为了一名天文学教授。芝加哥大学是在洛克菲勒财团资助下建立的一所私立大学，因此哈珀和海尔在利用社会资本方面都有着丰富的经验。两个人一合计，立刻准备着手筹钱，修建一座大型天文台。

从1891-1897年，肯伍德天文台曾是海尔的私人天文台，后合并到芝加哥大学。来源／The Huntington Library

/初战告捷

叶凯士天文台的40英寸（约102厘米）折射望远镜，绝对符合公众对一台大型天文望远镜的全部想象：一根又细又长的管子，就好像是伽利略望远镜的放大版。它的正面有着巨大的透镜，而观测者需要通过镜筒另一端的目镜用肉眼进行观测。不过它的尺寸可比你在任何地方能见到的同类望远镜都要大——望远镜的两块主透镜分别用冕玻璃和火石玻璃制造，口径均为1.02米，镜筒长19米，总重量达到了20吨。试想一下，从这台大型望远镜的目镜里看过去，仿佛你一下子就能穿越数百光年，直达遥远的太空之中。

当时世界上最大的折射望远镜，是位于美国西海岸的利克天文台（Lick Observatory）刚刚落成的36英寸（91厘米）折射望远镜，它由钢琴大亨詹姆斯·利克捐资，加州大学负责运行管理，其主镜是著名透镜制造商阿尔文·克拉克父子公司（Alvan Clark & Sons）所磨制，落成后提供了惊人的观测效果。

1892年，海尔听说埃尔文·克拉克手里还有一套完美的玻璃镜片，直径约为1.07米，于是他心动了。如果能将这套镜片打造成一台巨大的折射望远镜该有多好啊！要实现这个目标需要大笔的经费。由于富家子弟的身份，海尔很善于和有钱人来往，这使得他似乎很容易说服这些人为他的望远镜买单。在哈珀的介绍下，海尔开始向芝加哥运输大亨查尔斯·叶凯士（Charles T. Yerkes）进行游说。

叶凯士因投资了芝加哥的电气化铁路系统而名声大噪，而现在哈珀和海尔要说服他投资一座新天文台。他们告诉叶凯士，如果他愿意出钱，那么这座以他的名字命名的天文台将拥有口径为40英寸，堪称世界最大的折射望远镜，超过利克天文台的36英寸（约91厘米）折射镜。

尽管望远镜看起来和铁路没有半毛钱关系，不过听到这一套说辞叶凯士果然动心了——他对所有以自己名字来命名的雄伟想法感兴趣。起初他只打算捐赠一台望远镜，最终他同意为整座天文台买单。

叶凯士天文台的40英寸折射镜（1.02米）仍然保持着目前世界上口径最大折射镜的记录。来源／Roger Ressmeyer

1897年，这台世界上最大的折射望远镜投入使用。它的主镜由阿尔文·克拉克制造，赤道仪则由华纳&斯瓦西公司（Warner &Swasey）研制。叶凯士天文台所处的地理位置并非天文观测的最理想之地，不过叶凯士本人要求天文台必须位于芝加哥附近。没人能够想到，这架望远镜能成为永远的传奇。直到今天，它仍然保持着世界上口径最大折射望远镜的记录——尽管在1900年的巴黎世界博览会上曾展出了口径达1.25米的折射望远镜，不过因为无人问津而最终被报废拆解。这一年，海尔29岁。

/折射镜的绝唱

叶凯士天文台的大折射镜落成之时，大部分天文学家还在延续着数百年来的观测传统：他们一边用肉眼观察目镜，一边用笔绘制出所看到的影像。不过在这时，一种新技术已经开始流传，并将彻底改变天文观测的历史，那就是照相术。相比于肉眼观测与手工描绘，照相底片可以更快地记录下更多星空的细节，可以进行精准测量，也适合永久保存。天文学家们不再需要在观测的同时手忙脚乱地进行研究，而是可以随时调阅出底片慢慢进行研究。

就在叶凯士天文台的40英寸折射望远镜落成之时，海尔已经开始意识到他需要一台全新的反射望远镜了。1897年2月，海尔在《天体物理学杂志》上发表了一篇论文《论折射与反射望远镜对天体物理学研究价值的比较分析》，文中明确表达了对从折射镜切换到反射镜的几点理由：首先是反射镜的造价要便宜得多；其次，由于海尔的兴趣集中在光谱与红外观测，因此不受色差的影响的反射镜比折射镜更有优势，而且玻璃还会吸收红外线，影响红外波段的观测效率。无论如何，此时他应该已经做好了从折射镜切换到反射镜的准备。

制造一台性能优异的反射望远镜远不像说一说那么简单。反射望远镜的结构可以追溯到1671年，当时牛顿在皇家学会展示了他的模型。到了1845年，爱尔兰天文学家罗斯伯爵三世威廉·帕森斯（William Parsons）在他的领地帕森斯镇建造了一台口径1.8米的巨型望远镜，以一种海兽“列维亚森”来命名。这台望远镜在之后的半个世纪内，保持着世界最大望远镜的头衔。不过它看上去显然不像一台现代化的专业望远镜，受限于支撑结构，它只能观测过子午圈的天体，而且它的主反射镜采用金属抛光的方式，反射率差强人意。尽管如此，它仍然称得上同时代最优秀的观测设备之一。罗斯伯爵三世用它观测并命名了“蟹状星云”，还描绘了M51星系的旋涡结构。许多人都相信梵高在绘制名画《夜空》时，便是参考了这台望远镜的观测成果。

罗斯伯爵三世建造的“列维亚森”有1.8米口径，不过它还算不上一台现代望远镜。来源／wiki

在这台古董望远镜之后，人们也尝试着建造了另外一台比较现代的大折射望远镜，即大墨尔本望远镜（GMT）。它拥有48英寸口径（约1.2米），安装在巨大的赤道仪上。不过受到预算不足的困扰，它的机械结构难以应付自身的重量，使得这台望远镜在转动过程中饱受振动的困扰。它采用了长焦比，因此视场非常小。它也没有考虑到照相术的发展，人们仍然需要透过望远镜底部的目镜来观测。这台望远镜有相当多的遗憾，镜面反射效率低下，赤道仪跟踪不稳，以至于制镜专家乔治·里奇抱怨道：这台望远镜简直是技术的倒退，这样的设计仿佛在告诉大家，只有坚持折射镜的道路才是正确的，反射镜的道路根本走不通！

故事的转机或许又与海尔的父亲有关，因为他送给海尔一块由法国铸造的60英寸（1.5米）毛坯镜面作为礼物。这个玻璃圆盘厚19厘米，重达860千克。有了这么个大镜面，海尔也再次踏上了找钱的道路。

/ 革命性的突破

威尔逊山天文台的建立离不开两个关键人物：安德鲁·卡耐基和他的钱，以及乔治·海尔与他的头脑。

卡耐基（Andrew Carnegie）刚来美国的时候可以说一贫如洗，得益于19世纪末钢铁工业的扩张，他一跃成为世界上最有钱的人之一。他是一位无情的商人，拥有商人都有的那种精明算计和令人讨厌的性格。不过年老后，他却决定放弃自己所有的财富，变成了一位慈善家。海尔适时地抓住了这一点，他与卡耐基手挽手聊天，并成功地把卡耐基的一部分钱变成了威尔逊山天文台——卡耐基的财富因此成为了全人类的财富。

1910年，安德鲁·卡耐基与乔治·海尔手挽手走路，他们有着非常好的私交。来源／The Huntington Library

叶凯士折射镜有许多无法克服的缺陷：玻璃透镜对于红外线的吸收，光谱也只能一条条拍摄。因此海尔早就决定要设计一台好用的反射望远镜。乔治·里奇（George Ritchey）被选中成为了新望远镜的设计师。里奇曾经在芝加哥手工学校里教授木工，海尔遇到他后非常欣赏他的才华，将他请到了叶凯士天文台。为了改进镜面研磨和抛光的技术，里奇制作了一台24英寸（约60厘米）折射镜，这台望远镜也是60英寸望远镜的原型。它配备了可更换的副镜，并且可以方便地对天体进行照相。

60英寸反射镜的一项重要创新，便是通过增加和改变副镜，可以使望远镜同时拥有四个焦点：主焦点、卡塞格林焦点、牛顿焦点以及折轴焦点，就好像把四台望远镜集合在了一起，这是望远镜设计领域的一次重大革新。对于主镜，里奇选择在玻璃镜胚上镀银膜，这使得新主镜的反射率远超之前的任何一台反射镜。而望远镜的支架则吸取了GMT的教训，设计得更为粗壮，保证望远镜可以平稳地进行跟踪。

60英寸望远镜还是一台专门为照相设计的望远镜，它取代了数百年来天文学家直接用肉眼观测的传统，没有设计单独的目镜。威尔逊山天文台也是世界上第一个为照相天文学而生的天文台，拍摄下来的照相底片被存档用于后续的天文研究。这种观念与管理上的巨大变革，其影响甚至不亚于技术本身的进步。

自此以后人们开始意识到，反射望远镜才是真正适合专业天体物理研究的专业设备。之后建设的所有大型天文望远镜，全都采用了反射结构，而且主镜的口径突飞猛进。

/ 缔造经典

就在世界上最大望远镜——60英寸望远镜即将建成的时候，海尔已经在规划下一个雄心勃勃的目标了，这是一台100英寸（2.5米）的望远镜。甚至连海尔自己都怀疑，建造这种尺寸的望远镜究竟会一战封神，还是一场灾难。

他富家子弟的身份再次显灵了。海尔的一位朋友、钢铁大亨约翰·胡克（John D.Hooker）愿意投资为他建造一台84英寸（约2.1米）的望远镜。海尔利用自己的热情说服胡克改变主意，他说新建的望远镜直径必须是100英寸，它的聚光能力将是60英寸望远镜的三倍，是目前最大望远镜的六倍，它的出现“将大大超越世界上所有的天文观测设备”。胡克认捐了4.5万美元，作为新望远镜的研制费用。海尔预计光学系统大约需要四年时间完成，圆顶建筑和安装需要一年时间，而建设经费大约还差50万美元。最终还是卡耐基出手了，在1910年访问威尔逊山后，他对60英寸望远镜充满了热情，第二年便追加捐赠了1000万美元，并希望在自己去世前能听到好消息。

不过，棘手的问题接踵而至。首先是如果要达到设计的精度，镜面必须保持极低的膨胀和收缩率。主镜是1906年从法国订购的，1908年运到美国后海尔和里奇都非常不满意，因为在镜片内部可以明显看到大量气泡、漩涡以及分层。他们向法国制造商提出重铸，并且在1910年春天铸造了一个比较满意的镜片，结果这个镜片在冷却过程中直接破裂。他们再次浇铸了一个更薄的镜面，却发现镜面在使用过程中可能会发生形变。最终，第一次那个内部不完美的镜面被保留了下来。

1917年11月1日日落时分，胡克望远镜已经做好一切准备，迎接睁开眼睛的那一刻。但是当它转向木星的时候，大家却震惊地发现六七幅重叠图像出现在眼前。经过排查，发现可能是圆顶中的热效应导致望远镜升温所致。经过大半夜的等待，凌晨三点时分，大家再次聚集观测，在目镜中央看到了另一颗闪耀的恒星。100英寸胡克望远镜成功了！

绝大多数望远镜之所以成为经典，只是因为其自身技术上的进步。不过威尔逊山的100英寸胡克反射镜却是个例外，它之所以有名，还因为它的使用者以及用它做出的天文发现实在难以被人忽略，埃德温·哈勃就是其中之一。利用胡克望远镜，哈勃发现之前所认为的“岛宇宙”，其实是银河系外的一个个螺旋星系。它打开了一扇认识宇宙的一扇全新的大门。哈勃还用这架非凡的望远镜证明了宇宙正在膨胀的事实，这也直接导致了“大爆炸”宇宙学的诞生。

诺贝尔奖获得者阿尔伯特· 迈克尔逊（Albert Michelson）是100英寸望远镜的另一位用户。他利用100英寸望远镜以及专门开发的恒星干涉仪，测量天空中的距离。1920年12月13日，他发现参宿四的直径为3.46亿千米，远大于太阳的直径。这些观测帮助了罗素等人建立红超巨星理论。正如海尔所预期的那样，新的观测设备为天文学带来了新的发现与新的思路。

威尔逊山天文台的100英寸（2.5米）胡克望远镜圆顶内部，1949年6月拍摄。来源／Mount Wilson Observatory

/ 进军帕洛玛

海尔不安分的内心从未改变，就在100英寸望远镜落成的时候，他已经在讨论建造一台更大的望远镜了。1928年，海尔在《哈珀斯》（Harpers）杂志上发表了一篇文章，其中有一段著名的话：“星光散落到地球表面每平方英寸的土地上，而我们此时能做的，便是尽可能地收集并聚拢它们，超越100英寸直径的范围”。毫无疑问，这里的100英尺指的便是威尔逊山天文台的100英寸胡克望远镜。

几个月后，他便与洛克菲勒基金会国际教育委员会签订了一项协议，由后者提供六百万美元的资助，建造一座全新的天文台以及一架巨型望远镜。

这项事业的另一位热忱推动者是拉塞尔·威廉姆斯·波特（Russell Williams Porter），他是一位出色的望远镜设计师，同时也是艺术家和工程师，还是一位极地探险者，有着丰富的人生经历，他将会负责新天文台的圆顶以及望远镜结构设计。波特绘制的仪器透视图非常有名，他绘制了天文台和望远镜的许多细节。

拉塞尔·波特绘制的望远镜设计图，他是海尔望远镜的重要设计者。来源／Palomar Observatory

从100英寸胡克望远镜的建设中已经可以意识到，建造更大的望远镜，最大的难点就是主镜镜面。镜面必须使用一些硬度很高，同时还不容易受到温度影响的材料，石英被认为是一种比玻璃更好的替代方案。不过当他们找到了通用电器公司，咨询熔化石英来铸造5米镜面的时候，通用电器直接拒绝了他们，表示这么大的镜面根本无法铸造！

此时望远镜的建设仿佛陷入了僵局，加州理工已经花掉了预算中的十分之一。而接下来的故事，就像海尔经常说的那样：“我们解雇了足球队的教练，然后试着从其它方向寻找突破”。康宁玻璃公司研发了一种被称作百丽（Pyrex）的玻璃，这种玻璃十分耐热，几乎不受温度变化的影响。实际上，我们的厨房中也经常能见到这种材料，比如烧烤用的玻璃盘或者婴儿奶瓶都是用它制成的。尽管它的效果不如石英，不过总比普通玻璃要强多了。

新主镜还采用了蜂窝状的设计，优点是可以大大降低重量。在主镜内部共有36个圆孔，每个圆孔都会连接一个支撑结构，通过巧妙的力学平衡设计来维持镜面的形状。

第一次试验浇铸是在1934年3月25日，工人们手里举着大大的长柄勺，勺内装满了玻璃熔液，而天文学家们就站在几米远之外旁观。浇铸过程甚至还通过广播进行了现场直播！然后最终的结果是——不太好。由于浇铸镜面的模具的内部使用了铁栓来固定砖块，当玻璃溶液倾倒下来时，铁栓立刻被熔化了，导致砖块漂浮在玻璃熔液上。工人们在玻璃还没有凝固时，就试图用钩子把砖块捞出来，不过很快大家便意识到这块镜面已经完全报废。第一次试验的结果，就是生产了一个20吨重的大玻璃块。

你能想到一个20吨重的大玻璃块还能用来做点儿什么呢？答案是可以用来做展示，这样公众就可以看到望远镜主镜是多么庞大的东西！这台失败的主镜如今就存放于纽约的康宁玻璃博物馆展厅中。

在解决了螺栓熔化的问题之后，1934年12月2日，第二次尝试成功了。尽管这次得到的镜胚仍然不甚完美，不过已经够用。镜胚花了足足十个月的时间进行自然冷却。在此期间，康宁玻璃的项目主管乔治·麦考利曾经钻进炉子仔细检视镜面。他在镜胚表面还是发现了一些草皮断片，这是炉顶掉下来的残渣。不过所有人都明白，他们不可能再重新铸造一遍了。

1936年，重要时刻到来，主镜被装载到一节平板火车车厢上运往加州。火车车厢经过特殊改造，在平板车上打上孔，主镜则被牢牢地订在车厢上。工作人员甚至在主镜外围包裹了一层铁板，以防途中有人向镜面开枪，当然铁板外层还不忘加上了康宁公司的广告。

与此同时，选址团队还在四处考察。当时的候选台址除去帕洛玛山之外至少还有两处，分别是威尔逊山北边的平顶山（Table Mountain）以及帕洛马山东南方向的瓦尔肯山（Vulcan Mountain）。海尔曾经说过，他梦想在帕洛马山上建造一座天文台。因此尽管选址团队四处踏勘，不过帕洛马山已经胜出。

在当时，帕洛马山是全美国最黑暗的地方之一。在它西南40英里（64千米）的圣地亚哥县，当时还是个规模很小的县城。而山下最近的居民区埃斯孔迪多（Escondido），则比县城人口更少，几乎是个无人区。当时正是美国经济大萧条时期，帕洛马山周围的许多地区甚至还不通电，完全不会有灯光干扰的问题。现在的情况则已经大相径庭。

天文台开工的第一步，是要先建设一座发电站。帕洛马山的位置实在太过偏僻，因此只能自己修建发电站来满足需要。上山的公路也非常糟糕，汽车常常会陷在泥里，只能用撬棍一点点把车挖出来。

为了安装巨型的圆顶，工人们要在地面打一圈孔，再将桩子安装在内来支撑圆顶的结构。而望远镜则安装在独立的基墩上，这些基墩要一直穿透地面，连接到地下7米深的基岩上。圆顶的轨道在安装后需要进行抛光，以便重量巨大的圆顶在轨道上旋转顺滑。望远镜的支架则是由西屋公司（Westinghouse）位于南费城的工厂来制造的，这家工厂专门为海军舰船生产涡轮机和部件，因此有能力完成这些大型钢构件。钢构件生产完成后，将被吊装到船上，用货轮从费城通过巴拿马海峡，运到西海岸圣地亚哥港。再通过卡车将这些零件一件件运上山。最终在圆顶内组装到一起。

望远镜的赤道仪由一个球形轴承驱动，在安装的过程中，会将轴承装入圆形套筒结构内，再泵上润滑油。这样一来，整个望远镜就悬浮在一层薄薄的油膜上，运转自如。提供润滑油的是美孚石油公司，他们甚至专门在杂志上做了广告，广告语便是“世界上最大的眼睛漂浮在美孚的油上”。当然，这里有个小错误，因为反射望远镜严格来说并不像一只眼睛。

1937年4月30日，加州理工学院在帕洛马山上举办了一场盛大的仪式，庆祝望远镜主体结构完工，爱因斯坦也出席了这个仪式。整个望远镜几乎就要完工，只差了一块主反射镜。主镜面正在加州理工学院进行打磨和抛光。就在此时，随着第二次世界大战的爆发，望远镜建造工作被迫停止，主镜也被封存。海尔没能等到他梦想的大望远镜建成那一天，1938年2月21日，他离开了人世。

……

1948年6月3日，加州理工学院校长李·杜布里奇宣布200英寸望远镜将被正式命名为“海尔望远镜”。来源／Caltech Archives

#所见所得，都很科学#