钻石火彩的启示：如何把人类的视力提高一亿倍？

来源：赛先生

撰文：吴建永

责编：王雨丹

此系列的上篇写了钻石的火彩，以及珠宝商业怎样追求完美的火彩以此卖个好价钱。本篇谈谈科学家怎样利用火彩来把人类的视力提高上亿倍，扩展到宇宙的边缘。另外想推崇一下光学仪器的工匠精神，即对光和火彩充满激情，强迫症般地追求尽善尽美，也就是我们所说的 “不疯魔，不成活”。没有对火彩的极度追求，就没有今天许多惊天动地的科学发现。

光分七彩

上篇文章提到，钻石的 “火彩” 本质上是白光通过折射变成多种色彩光的现象。我们经常见到彩虹，在太阳下走过沙地，也常能看到沙粒反射出的点点闪光（沙粒的星与火）。但当科学家牛顿买了一块 “能把光分成彩虹的三棱镜” 后，却有了与常人不同的见地。牛顿说，这些现象的本质是因为白光其实是由七种不同颜色的光混合而成的。说说很容易，但要说服古今中外所有的人则需要有更高明的手段，即用实验来证明。他技高一筹的实验是不但可以把白光分开成为七种颜色的光，还能再把这七种光合起来，再重新变为白光（图1）。按照这个实验，他说不同颜色的光是由不同颜色的 “粒子” 造成（即光子）。

牛顿说光是光子的说法 捅了蚂蜂窝 开启了百年的科学争论。一半科学家赞成并捍卫光子学说，而另一半人则极力反对，认为光是光波。光到底是粒子还是波，双方争论了几百年，各自都拿出了铁打的实验证据。直到量子力学出现，这一争论才有了结论。这个结论就是和稀泥——光即是粒子也是波 (所谓波粒二重性），你们说光是波或是粒子都是对的，但也都是错的，因为你们认为是波或是粒子只能二选一。但是，只要你们能从量子力学的角度看问题，一切就自然合理了。果然，之后大家都不再争吵了（当然，还有民科和少数哲学家没有放弃）。

另外，牛顿说白光有 “七” 彩，是因为他在向古希腊哲学致敬，崇拜七这个迷一般的数字。实际上，光的颜色是连续的，“七彩” 既没道理也没证据。

图1 牛顿的分光实验 白光不但能被分成多种颜色，而且分出的多种颜色还能再合起来变回白光。

把彩虹摊开

那么，“光分七彩” 这个现象到了工匠手里，又是个啥情况？德国的玻璃工匠夫琅和费（Josef  von Fraunhofer，1787-1826）首先来了个极致玩法：把彩虹摊得好宽好宽。至此，为了叙述方便，我们要给“火彩”换个比较正式的名字，叫“光谱”（light spectrum）。中文“谱”这个意思，取自“族谱” “乐谱”。意思就是把白光分开，宽宽地摊开在桌面上，那样便于研究。

对于摊宽了百倍的阳光光谱，夫琅和费肯定没有找到明确分开七种颜色的分界线啦，所以牛顿的光分七彩是错的。

然而，夫琅和费发现光谱里面居然有好多条垂直的暗线（图2）！虽然他当时并不知道这些暗线是啥，但强迫症般的执着促使他不断地改进仪器，把光谱越摊越宽，看到的暗线也越来越多，最后他竟在阳光的光谱中发现了574根暗线。这些细细的黑线被命名为“夫琅和费线”。用现在的技术，太阳的光谱中已经可以看到几百万根夫琅和费线了。

图2夫琅和费线 阳光的光谱应该这么读：从右到左是红橙黄绿青蓝紫，两边都为黑色是因为出了可见光范围，眼睛看不见了。右边的黑区叫“红外”即可见光红色的外面。红外光眼睛虽然看不见，但是特殊的照相机（ “夜视”相机）能看到。靠近暖气，皮肤也能感觉到它发出的红外光，即热能。左边的黑区叫“紫外”，即紫色之外。也是眼睛看不到但可以晒黑皮肤、破坏DNA和导致皮肤癌。可见光谱和与之近邻的红外和紫外区可以粗分成9组夫琅和费线，A到H，每组里又可细分成更多的组和细线。

光谱中这细细的暗线到底是什么呢？其实就是光线通过原子周围电子云的时候，电子云把光 “吃掉” 的现象。一种形状的电子云只吃掉某个特定颜色的光，把这个颜色吃掉了，就会在光谱中这个颜色原来的地方留下一条黑线。自然界就是这样神奇，太阳光通过太空到达地球的路上会遇到很多原子，并和这些原子外面的电子云打交道。比如，遇到一亿个氢原子，它们的电子云都是跳一样的舞，跳一个花样并吃掉一个颜色，跳另一个花样就吃掉另一个颜色的光。之后，阳光的光谱里就会出现由氢原子电子云跳舞产生的一组四根黑线（巴尔末线系）。氢是如此，氦是如此，氧钠钙铁镁汞也都是如此，像指纹一样各有各的特征。所以，夫琅和费线是光谱上很多原子特征吸收的集合。

按说太阳光谱中的黑线在夫琅和费发现的12年前就被英国化学家瓦拉斯顿（W.H. Wollaston）发现了。但瓦拉斯顿是正经的科学男（院士, 贵金属钯和铑的发现者），而科学男就是不如技术男疯魔，所以黑线并没有以瓦拉斯顿命名，只是被后代的历史学家提起。相反，夫琅和费却是真的走火入魔，为把光谱分开得更宽，他甚至专门发明了一个叫 “分光计” 的仪器（图3）。

图3 分光计 夫琅和费（前景中间站立者）向科学家们展示他新发明的分光计。

夫琅和费线的科学意义

夫琅和费线这一美丽的现象，在多个科学领域都做出了不朽的贡献。在这里举两个简单的例子：

一是了解远处恒星的化学组成。宇宙很大，恒星太远而且温度很高，人类不可能上去采样分析。据此，那时（18世纪）有人断定人类永远不可能知道某些恒星的化学组成。

然而这些科学家刚说嘴，就打嘴。夫琅和费线发现的45年后基尔霍夫（Kirchhoff ）和本生（Bunsen）发现燃烧金属会产生明亮的彩色光（脑补一下焰火），而这些彩色光在光谱上是明亮的线，与夫琅和费线（黑线）的位置完全吻合。因此基尔霍夫说燃烧的原子发射亮线，冷的原子吸收光产生黑线。夫琅和费线其实是原子对光的吸收造成的。如果星光光谱中的夫琅和费线与地球上氢、氦、钠离子的吸收线完全吻合，说明那些地方有氢、氦和钠，因此咱们不去实地采样也能知道遥远的恒星上有什么化学元素。

第二个例子是证明宇宙膨胀。宇宙膨胀即星星都在向宇宙的外边飞，离我们远去。然而，我们看到的恒星都是不动的，怎样知道它们都在高速离我们远去呢？自1848年以来，很多天文学家发现遥远星系的夫琅和费线的位置和近处星球的线位置不同（图4）。而且不是一根线不同，所有的线都向红色的方向移动，这现象称作 “红移”（Redshift）。

为什么红移可以证明宇宙在膨胀呢？我们都有这样的经验，当你站在街边，远处一辆救护车疾驶而来的时候，它的警笛声音尖厉；而当救护车从你身边驶过后又逐渐远去的时候，警笛声又变得低沉。也就是说，同样的警笛，当它快速接近你的时侯音调会升高，快速离开你的时候音调会降低，这个现象称作多普勒效应。光和声音都是波，所以也会出现多普勒效应。声波的声调变化可以对应于光波颜色的变化。所以，警笛离你远去时的声调降低，可以对应夫琅和费线的红移，说明远处的星星正在离你远去。天文学家哈勃（Edwin Hubble,1889-1953）在1919年用当时最强大的2.5米望远镜研究了上千颗星星，得出了让人跌破眼镜的惊人发现：距离我们越远的星系红移就越厉害。利用红移作为度量可以知道看到的大部分星星属于银河系，这是我们的家园，而银河系之外还有千千万万个与银河系类似的 “河外星系”，它们的红移很多因此距离非常远。这个规律称为哈勃定律（Hubble's law），提示了宇宙的膨胀。

图4 红移 邻近（左）和遥远（右）星光的光谱中，都有比例相同的夫琅和费线，但是遥远星光的夫琅和费线出现在光谱中更红的区域，这个现象便是红移。

既然星星光谱有红移，那有没有蓝移啊？如果红移是宇宙膨胀，那么蓝移是否意味着宇宙正在缩小？这个问题很好。实际上，天空中大多数星系在红移，但也有少数星系在蓝移，只说明有些星系正在向我们接近，并不影响整个宇宙正在膨胀的结论（如同岸边的回流并不影响一江春水向东流）。
仙女座星系（Andromeda， M31）就是少数蓝移的河外星系。计算了一下，这个仙女正以每秒116公里的疯狂速度向我们冲来，四十亿年后，会与我们的银河系相撞并融为一体，到那时夜晚的天空会被多个明亮的恒星照亮，犹如绚烂的烟花（图5）

图5 仙女座撞银河的惊天动地  此图是40亿年后的天象。根据哈勃望远镜的研究和计算机模拟，由艺术家创作。图源https://grist.org/living/galaxy-right-ahead-the-milky-ways-on-course-for-a-head-on-collision/。

望远镜工匠的秘籍

工匠研究光谱的目的，与科学发现的浪漫还是很不一样的，夫琅和费的研究目的是为了发财，而且真的因此发了大财。
夫琅和费11岁时就成了孤儿，到一个玻璃作坊当学徒。他没受过系统教育，是个自学成才的磨玻璃匠（Glass maker）。在一次厂房倒塌的致命事故中他奇迹生还，并被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）慧眼识珠。王子爱才心切，出钱给夫琅和费买了书，并命令作坊老板容许他晚上点灯学习（老板心疼灯油很贵）。夫琅和费成人后听说磨制透镜可以赚钱，就为此干了一辈子。由于他匠心独具，造出的天文望远镜被各大天文台竞相订购。

工欲善其事，必先利其器，要想有好的天文学发现，就需要有好的望远镜。那个时候的天文学家都知道，夫琅和费的望远镜就是比别家造的清楚许多。
夫琅和费磨制完美透镜的秘籍就是利用夫琅和费线来校验透镜。他发现，在光谱的橙黄光区域中，有几条暗线可以用来检验透镜的质量。只有磨得非常完美的透镜才可以在太阳光谱中分辨开这几条细小的黑线。

脑补一下，在巴伐利亚温暖的阳光中，夫琅和费在他的作坊里平心静气地玩着他的技术秘籍，后面大天文台的订单追着屁股走，收钱收到手软。在一个工匠手里，小秘密也可以创造出巨大的经济价值。
夫琅和费的望远镜还有一个非常值钱的秘密，比较复杂，需要慢慢道来。很多小伙伴读过《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……” 据我的民科级考证，所谓 “透灵牌”就是原始形态的望远镜，而 “五彩毫光” 就是围绕在物体周围的小小彩虹。这种围绕物体周边的小彩虹能破坏图像分辨率，行话叫“色差”（chromatic aberration），是所有光学仪器都要极力避免的（图6左）。色差与钻石火彩原理一样，都是由于不同波长的光在介质里折射率不同造成的。因此，在钻石工业里要大大发扬的火彩却是光学仪器工业里的敌人。

从几百年前至今，减少色差的主要技术是用两种不同材质的玻璃（“火石” 玻璃[flint glass，加铅玻璃] 和 “冕牌” 玻璃[crown glass，加硼玻璃]）做成复合透镜。这种复合透镜也称 “无色差” (achromat ) 透镜（图6右）。无色差透镜由英国业余科学家霍尔（他本行是律师）发明于1729年。
无色差透镜到了夫琅和费手里，又被玩上一个等级。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。为此，夫琅和费研制了新的大型玻璃熔炉并造出自己的品牌玻璃，碾压了其他公司。

图6 色差与消色差透镜 左为廉价望远镜看到远处物体，边上围绕着小彩虹。

冕牌玻璃除了加硼，还有人加少量锌、磷、氟，甚至稀土金属镧。至今很多配方还是一些高级光学仪器品牌的秘密。我们花大价钱买的高级相机镜头，主要就是买这些业内秘密。
说到冕牌玻璃的秘密配方，插个道听途说的野史。话说佳能镜头的质量虽然人人夸，可美国航天局（NASA）上天的项目就是不用。为啥呢？原来佳能DSLR高级镜头里的冕牌玻璃用了加氟的秘方，比较脆弱。有次太空行走，镜头里面的一片透镜遇冷居然碎了，错失此处该照的所有照片。NASA瞬间损失了几百亿（还不是日元），于是痛定思痛，从此上天只用柯达、尼康，再也不敢用佳能了。

有了好的玻璃，还要有好的加工。夫琅和费对镜片加工也疯魔，高级光学镜片的加工精度要达到纳米的等级，当时是加工天文望远镜片的技术难点。夫琅和费为此专门制造了新的研磨机来解决这个难题。
如此一环套一环，几年下来，夫琅和费领导的巴伐利亚光学研究所成了世界第一。连老牌的科学大国英国都造不出那么好的光学仪器。

可夫琅和费却一直是个“民科”，没学历。用他自己的话说，“我没时间玩那些花招子，我的研究就是为了改进望远镜这么个实际目的”。直到1822年，巴伐利亚的埃朗根-纽伦堡大学（FAU， Univ. Erlangen-Nuremberg）才倒贴给了他一个名誉博士的学位。

夫琅和费确实没有多少时间。他和当时很多玻璃匠一样，由于没有职业防护的知识， 39岁（1826年）就死于与重金属中毒相关的肺病。

望远镜为什么需要大口径

夫琅和费发财是因为大口径镜片。那么天文望远镜为啥要用大口径镜片呢？这是因为镜片越大，进光越多，也就能看见更暗的天体。
另外，光学仪器的分辨率也是由镜片的口径大小决定的。啥叫 “分辨率” 呢？就是能看清楚两个点的能力。人眼睛的光学分辨率是视角 “一分” ， 意思就是从地平线到天顶算视角九十度，把其中的一度再分成六十份就是视角一分（图7）。

同时，人眼瞳孔的口径只有两毫米左右，由此决定了人眼睛的集光能力和分辨率。因此，天上的星星虽然都能看得见，但是除了太阳月亮，大多数天体的视角都小于人眼分辨率，所以即便是一个巨大的星系，在人类的眼睛里就只是一个光点。人眼在天空中能看到的大于一个点的星系只有110个，这些星系叫做梅西耶天体（Messier objects）。
想想看，我们的肉眼只能勉强看到宇宙中一千亿个星系中的110 个，就知道人类肉眼凡胎的 “无能” 与望远镜的重要性了。

图7 人眼分辨率 分辩率指能分辨两个点的能力，不是能否看得见。右边图中上面的两个点可以分辨，下边的两点融合不可分辨。但两种情况下光点都能看见。夜空中看到的大多数星体都是一个点，而不可以分辨其形状。

举个伽利略时代的例子说明人眼的分辨率。伽利略的望远镜有3.8厘米的口径，能使人眼分辨率提高大约二十倍。当时城里所有贵族名媛，都围着他的望远镜大呼小叫，对着天体奇观满地找下巴。有一天伽利略实在被贵族们围烦了（据野史记载），就对他奶奶说，“今天我让您老开开眼界，看个天文奇迹”。于是架起他的望远镜，指向西天边的维纳斯（金星）。那长庚星在望远镜中已经不再是一个耀眼的亮点，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，分辨率高到能直接看出金星的盈亏。

巨型折射望远镜时代

夫琅和费的望远镜远超伽利略时代，他的大师级作品是9英寸（24厘米）折射式望远镜（图8），比人眼的分辨率强了数百倍。夫琅和费开启了 “巨型折射望远镜时代” （the great refractor era）。各天文台竞相定制夫琅和费的望远镜，就象今天大医院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70年，口径从1826年的24厘米增加到了1900年的125厘米, 然后就像恐龙一样退出了历史舞台。

这是因为，透镜口径越大镜片越重，由于折射望远镜的镜片中间通光，镜片只能靠其边缘来支持其自身重量。我们在中学时就学过，玻璃是液体而不是固体，自重造成的玻璃变形足以破坏大镜片的成像精度。

反射望远镜的兴起

那么，难道大型望远镜技术的发展就停止在夫琅和费的时代了？当然不是。望远镜有两种类型，折射型和反射型（图8）。折射型就像照相机镜头那样，光从镜片中间通过，再聚焦到眼睛。而反射型是用镜子反射光线来收集光线，聚焦到眼睛。伽利略和夫琅和费的望远镜都是折射型，而现代望远镜大多是反射型的。

图8 望远镜的两种基本类型

反射型式望远镜不再需要让光透过玻璃镜片，而是在玻璃表面镀上金属，像镜子一样反射来光收集光线。虽然镜片还是玻璃，但可以从下面底座上由很多点支撑，这样，即使望远镜做得很大也不会出现镜片因自重而变形的问题。
目前世界最大的光学望远镜是39米口径的欧洲南方天文台极大望远镜（Extremely Large telescope， ELT）。ELT由798块直径140厘米的镜片精确地合成高达39.3米的口径， 采光能力是人眼的一亿倍，分辨率达到0.005弧秒（图9）。这分辨率是啥概念呢？用它看月亮表面，可以看到当年美国登月留在上面的登月舱。可惜，ELT计划了多年，目前尚未建成。

图9 欧洲南半球天文台极大望远镜的想象图。为啥工作的时候旁边要有几束激光呢？因为大气层流动造成其密度不断变化，相当于在望远镜前面加个不完美透镜。用激光可以探测到当前大气的不均匀，可以即时在望远镜的主反射镜下面不同的地方顶一顶，让主反射镜稍微变形，这样就能补偿因大气不均匀造成的分辨率降低。

太空望远镜

然而，望远镜造大了，理论上分辩率很高，但地面上的望远镜必须透过地球大气层，大气的扰动会破坏分辨率，让望远镜有劲使不出（参见图9说明）。为避免这个缺陷，人们就想把大型反射望远镜发射到太空里，没有大气的干扰分辨率就能更上一层楼。早在1923年，人们就开始张罗太空里的望远镜，但经费和技术直到1970年才搞定，美国的NASA和欧洲航天局联合支持了哈勃太空望远镜计划。哈勃这个名字是纪念上面提到的那位发现外星离得越远、红移越大的天文学家哈勃。哈勃的主反射镜口径达到2400毫米（图10）。

图10 夕阳中大气外的哈勃望远镜

1990年，航天飞机带着哈勃望远镜升空。然而开局不顺，望远镜传回的图像模模糊糊（图11）。原来，磨制主反射镜的工程师一时糊涂，用错了参数。这也太扯了，望远镜通过了无数测试、验收，承建人员中哪怕有一个夫琅和费那样的工匠，也不会等到望远镜上天后才发现。

图11 哈勃的2.4米主镜片。错误只有头发丝的几十分之一

项目领导强压着心中奔腾的一万匹草泥马只能研究补救方案，要知道哈勃计划本身很不容易，光是搭载修补项目的航天飞机就出过两次机毁人亡的大事故。如果在天上还修不好，浪费的巨额资金还是小事，怕就怕给民众坏印象，让空间望远镜计划几十年翻不了身。

终于，在1993年，航天飞机带上去一个矫正镜片模块，才让哈勃达到了设计的分辨率。之后，哈勃不负众望，勤勤恳恳地工作了30年，传回大量让人惊艳的照片（图12），大大推进了人类对宇宙的认识。

图12 哈勃图像的代表作 上为银河中的点点繁星；下为一个河外星系内星星诞生的过程（红色烟尘中大量蓝色的新星星），左下蓝色的烟圈是一个恒星死亡的时候抛出的大量气体。

哈勃深空场

想想天文学家盼了70年的太空望远镜终于上线了，排队等着用的人该是多么拥挤。哈勃每次只能看天空中很小的一个区域（如同百米之外看个网球那么个小区域），而天空中让人感兴趣的现象又那么多，很多科学家一辈子的心愿都排不上队。在这种情况下，如果有个计划想用哈勃慢悠悠地盯着一片空旷的天空看上十天时间，很多人一定会认为是计划者疯了。然而这个恰巧是哈勃最受公众欢迎的计划之一，叫做 “深空场计划”。

深空计划始于1995年圣诞新年假期。几个科学家挑了一块最空旷天区（在北斗七星中间，离银河尽量远）， 连续盯着看了十天，100多个小时吧。
结果让人惊掉下巴，这么小的一块空旷天区里居然看到3000个与银河类似的星系！（图13），而这块天区非常小，只有整个天空的2400万分之一。

深空场计划的意外发现再一次提醒了人类的渺小，我们的地球放在太阳系的尺度上，小得看不见。把太阳系放在银河系的尺度上，绝对是千亿颗星星之一般的微不足道，而哈勃深空场告诉我们，银河系放在宇宙的尺度上也不过是千亿分之一。而深空场上两个星系之间的空间，是否也是充满更远、更多的星系？这个问题，超期服役的哈勃已经不能回答了，因为这些星系距离太远，它们的光早已红移到哈勃看不到的红外光区域，而红外光被地球大气吸收，所以这些更远的星系只能由哈勃的接班人—韦布太空望远镜来回答了。

“鸽” 了多年的韦布望远镜，终于在2021年圣诞节发射升空。韦布在太空的位置离地球一百多万公里，比月亮还远好多，不能像哈勃那样出了问题就派人去修。因此更需要制造者近乎疯魔的匠心，这也是它一直推迟发射的主要原因。让我们祝韦布好运，为人类带来更接近宇宙边缘的宽广视野（据最新的消息，韦布已经渡过最令人担心的技术难关，成功地展开了复杂的遮阳伞，正在向它的目的地进发）。

图13 哈勃深空场，在本来空旷的天区发现数千个与银河系类似的星系，它们的光来自宇宙诞生早期，今天才到地球。

中国天眼

目前，世界上口径最大的望远镜当属中国的500米口径贵州射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture spherical radio telescope, FAST），俗称 “中国天眼”（图14）。FAST 不看星光，只看无线电波。星光和无线电波都是电波，只不过可见光的波长短，无线电波的波长长。

图14 位于贵州的500米口径射电天文望远镜（FAST）

FAST是世界天文科学的重器，一投入运行就当仁不让地参与了多项热点研究，比如寻找外星人。宇宙这么大，人类这么渺小，如果没有外星人肯定是对空间的巨大浪费。FAST作为当今世界第一大电波望远镜，自然要承担倾听外星文明给咱们发短信的任务。中国天眼上的专用设备可以从浩如烟海的电波中，自动把天体产生的自然信号和地球上人工产生的无线电信号过滤掉，然后筛选出少量有可能的信号供人研究。FAST口径最大，灵敏度高，承担这样的任务是合适的。

当然FAST的主要任务还是经典科学问题，比如研究 “快速电爆”（俗称 “宇宙中的闪光灯”）。这种迷一样的天文现象可以在千分之一秒的短时间内发出巨大的能量。因为电爆的出现时间非常短，不能用普通望远镜长时间曝光来记录，因此大型望远镜有着独特的采光优势：FAST运行后，短时间内就记录到多个快速电爆现象。

另一项研究是氢原子21厘米线大规模测量。所谓 “21厘米线” 就是氢原子光谱中位于21厘米处的一根亮线，类似于前面说的燃烧金属发出的一条亮线，不过这条线在微波波段里，眼睛看不见。既然是条亮线，它也随物体运动产生红移，因此测量不同天区的红移就能画出该点宇宙的三维构造。

有人认为，快速电爆和氢原子21厘米线都与外星文明有关。比如外星文明也许会利用这个21厘米线的倍频率来发短信。是个无理数，自然界中是不存在的，一个知道的文明就可以这样的频率来宣示自己的存在，接收者也能心领神会，利用数学这种文明的高度抽象来确认其他文明的存在。

南仁东精神

南仁东是中国天眼的关键人物，也是我所敬佩的一位工匠（图15）。他于1945年出生在吉林一个清贫人家。他的天才是油画美工，但在1963年考上清华后被调剂到了无线电系，1968年毕业时分配到吉林省通化市无线电厂。历史大潮流中，个人总是被裹挟到天涯海角。而一个工匠的主要特征就是在逆境里不断创造利于自身发展的微环境，并在其中展现辉煌。

南仁东清华毕业后从金工车间学徒做起，车钳铆电焊样样精通，外加电镀和锻造，甚至还会开山放炮。他参与研制的 “向阳牌” 半导体收音机和吉林大学的台式计算机都展示了自己的美术天才。改革开放后他考入北京天文台，1985获博士学位后在荷兰德温厄洛射电天文台作访问学者，作为中方发起人促成中荷一个大天文仪器VLBI的合作。
从1994年起，他带领团队负责FAST的选址、预研究立项、可行性研究及初步设计等关键环节。为了选址，他带着几百幅卫星遥感图跋涉在中国西南的大山里，先后对比了1000多个洼地，时间长达12年。2006年，FAST立项经过了国际评审。2007年7月， FAST工程作为 “十一五” 重大科学装置正式被国家批准立项。2011工程正式动工， 2016年落成典礼。南仁东的工匠精神对中国天眼的立项和建造起了关键性作用。

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图15 南仁东在FAST工地  有会看相的朋友说一看就是工匠精神十足的大师。我不会看相，但从他的两副眼镜可以看出一丝不苟的精神和讲究实用的朴素。

大望远镜排行榜

提了那么多望远镜，最后总结一下，来个口径大比拼吧（图16）。图中（1）为世界口径最大的中国天眼，图中只显示了一个边边。（2）为第二大的305米波多黎各Arecibo射电望远镜，自1963年建成后服役53年，终因经费不足年久失修，于2020年垮塌报废。（3）为最大的光学望远镜项目，欧洲筹划的100米口径光学望远镜，但因资金问题项目被砍，缩小成了目前正在建造的ELT（4）。（5）为筹建中的夏威夷30米望远镜。（7）和（8）分别是哈勃和韦伯太空望远镜。（6）是河北兴隆天文台的郭守敬望远镜（大天区面积多目标光纤光谱望远镜， LAMOST），用于研究宇宙结构。想法很好，设备也先进，但硬伤是离人口稠密地区太近，光污染严重，晴朗天气少。

现代望远镜属于大科学，一个项目总要经过多方论证，很多好项目常因为经费问题被砍掉，所以好的项目必须有好的科普，要得到广大公众的支持才更有可能立项，得到资金支持。
对于经费问题，南仁东和夫琅和费的策略是不一样的。夫琅和费是默不作声，功夫到了用户自然掏钱。而南仁东呢，除了功夫做足还要苦口婆心说服同行认可和国家投资。一位外国同事说，“南仁东讲英语经常很难听懂，但说出的道理却是异常清楚。”

图16 世界大望远镜口径对比

结语

眼睛是心灵的窗户，眼睛带来的信息是大脑接受外界信息总量的90%。眼睛擅于观察世界的多彩：人眼对黑白图像只能分辨出大约100个灰度等级，但对彩色图像则可轻易看出上百万种不同的颜色。因此，光学仪器对于彩色光的分辨率达到了极端的严苛。本篇介绍的望远镜把宇宙的边缘拉近，而下一篇准备介绍显微镜技术，怎样将人类的目光拓展到 “一沙一世界，一花一天堂” 的微观世界。（2021年寒假于盖色斯堡镇）

制版编辑 | -小圭月-

参考文献：（滑动浏览）

夫琅和费  http://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_von_Fraunhofer

仙女座星系撞地球的计算机模拟

https://www.sciencenews.org/article/andromeda-milky-way-galaxy-black-hole-collision-simulation

天空中的梅瑟天体https://en.wikipedia.org/wiki/Messier_object

望远镜发展历史  http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_telescope

巨型折射望远镜时代  http://en.wikipedia.org/wiki/Great_refractor

哈勃深空计划https://esahubble.org/science/deep_fields/

光学仪器的分辨率：http://en.wikipedia.org/wiki/Angular_resolution#mediaviewer/File:Diffraction_limit_diameter_vs_angular_resolution.svg

超大望远镜（Extremely Large telescope）

https://www.space.com/40746-extremely-large-telescope.html

http://www.eso.org/public/teles-instr/e-elt/

NASA不用佳能相机的野史

https://www.dpreview.com/forums/post/9952054 

中国天眼：贵州射电天文望远镜 http://news24h.allnews24h.com/AyzO

透灵牌http://www.ziyexing.com/book/yuefei/yuefei_010.htm

中学物理书（随便买一本就好，拜托）

一沙一世界， 取自徐志摩译的英国诗歌《一粒沙子》， 作者 William Blake.

原译文是“一沙一世界，一花一天堂。无限掌中置，刹那成永恒”。

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编辑：六块钱的鱼