望远镜
wàng yuǎn jìng
望远镜是一种收集遥远天体发出的光或其他辐射并将其放大的仪器，使天文学家得以研究恒星、行星和星系。
Definition
望远镜是一种仪器，它能收集远比人眼所能接收的多得多的电磁辐射（包括可见光），并将其汇聚成像，从而使遥远的物体显得更近、更亮；折射望远镜使用透镜，反射望远镜使用反射镜，几乎所有大型研究用望远镜都是反射式的，因为大口径反射镜比大口径透镜更容易制造和支撑。除了可见光望远镜之外，还有专门用于射电波、红外线、紫外线、X射线和伽马射线的望远镜；有一些望远镜被特意放置在太空中，就是为了避开地球大气造成的模糊和吸收。望远镜的集光能力与其口径 $D$ 的平方成正比，对于波长为 $\lambda$ 的光，其衍射极限角分辨率约为 $\theta \approx 1.22\,\lambda/D$ 弧度；不过地面光学望远镜的分辨率会受到大气湍流的限制，通常只能达到约 $1$ 角秒，除非借助自适应光学系统实时修正波前。干涉测量技术可以突破这一限制，把彼此分开的多台望远镜组合起来，达到相当于一台口径等于它们间距的望远镜的分辨率，事件视界望远镜正是靠这种方法拍到了黑洞的阴影；望远镜上搭载的光谱仪则会把光分散开来，以揭示天体的成分、温度和速度，因为天文学家掌握的大多数知识其实都来自光谱，而不是图像。
Example
1609年，伽利略把一架小型望远镜对准天空，发现了绕木星运行的四颗卫星；如今，即使是普通的双筒望远镜也能看到这几颗卫星。1990年发射的哈勃空间望远镜，配备了一面 $2.4\ \text{m}$ 的反射镜，已经在大气层之上运行了数十年；2021年12月发射的詹姆斯·韦布空间望远镜，则配备了一面 $6.5\ \text{m}$ 的反射镜，通过观测红外光来观察最早期的星系。对于韦布望远镜，取 $\lambda = 2\ \mu\text{m}$，$D = 6.5\ \text{m}$，分辨率公式给出 $\theta \approx 1.22 \times 2 \times 10^{-6} / 6.5 \approx 3.8 \times 10^{-7}$ 弧度，约合 $0.08$ 角秒，其精细程度足以分辨月球表面相距仅几百米的两个物体。
Key Insight
望远镜最重要的任务并不是放大影像，而是收集光：口径越大，收集到的光就越多，也就越能看清更暗淡、更遥远的天体；反射镜直径翻倍，集光面积就会增加到原来的四倍，这正是韦布望远镜 $6.5\ \text{m}$ 的反射镜，能收集到比哈勃望远镜 $2.4\ \text{m}$ 反射镜多七倍以上光线的原因。从更深层的意义上说，每一架望远镜都同时是一台时间机器和一间化学实验室：由于光的传播速度有限，又携带着发出它的原子留下的光谱指纹，望远镜能够揭示出一个遥远天体的光最初离开它时（有时是数十亿年前），这个天体究竟是由什么构成、又在做些什么。