原作始发于 广东科学中心 官方微信公众号
读过了显微镜，读者也许会想到望远镜。
当我们登高远眺，总会想知道远处有什么。当我们遥望星空，总会想知道星星是怎样的。探索未知是我们人类的天性，也造就了人类的文明。要探索遥远的未知就要借助于望远镜了。
望远镜与显微镜同源，其工作原理也是一样的（参见如虚如实说 | 显微镜发展史 ）。但显微镜聚焦于一点，讲究细节。望远镜要看见远方，注重视野。
汉斯·利柏黑
伽利略
最早制作出望远镜的是汉斯·利柏黑（Hans Lipperhey，1570—1619）。伽利略（Galileo Galilei,1567—1642）是 第一个用望远镜观察星空的人 （参见广东科学中心「院士说」| 伽利略的望远镜发现月亮什么秘密？ ）。伽利略做的望远镜可以放大21倍，但视野较小。他用望远镜仔细观察并描绘下月亮上的陨石坑（图1）。他还发现了木星的四个卫星。这些发现不但开创了现代天文学，而且极大地推动了科学的进步。
图1，伽利略手绘的月亮表面图
牛顿
牛顿（Isaac Newton，1643—1727）也设计并制作过望远镜。图2（a）是他的设计手稿，图2（b）是他制作的望远镜。这个望远镜几经修缮，现存于英国皇家学会。牛顿的望远镜 视野大些，但放大倍数只有10倍 。
图2，牛顿的望远镜
到了19世纪，望远镜越做越大，越做越好（例如约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫（Joseph von Fraunhofer，1787—1825）的望远镜，参见如虚如实说 | 你知道光谱有什么用么？ ）。天文学研究也从 海上导航渐渐转为宇宙探索 （例如发现海王星）。
罗斯勋爵
爱尔兰的罗斯勋爵（Lord Rosse，原名William Parsons，1800—1867）在他的领地Birr Castle做了好几个大型望远镜。其中最大的 长达16米，镜头的直径达1.83米 （图3）。不过这个巨大的望远镜难以操作，很少使用。
罗斯勋爵酷爱天文，他研究星云（Nebula）颇有成就。图4是他手绘的蟹状星云（Crab Nebula）图，这个状如螃蟹的星云也是他命名的。
他猜测星云是远离地球的星系，比太阳系要大得多。这些研究让人们看到了宇宙的浩瀚无垠，人类所在的地球只是沧海一粟。
图3，19世纪爱尔兰Birr Castle的望远镜
图4，罗斯勋爵手绘的蟹状星云图
查尔斯·耶克斯
1893年，为了庆祝世界博览会，芝加哥竖起了全球最大的望远镜（图5）。这个望远镜是芝加哥铁路大亨查尔斯·耶克斯（Charles Yerkes，1837—1905）捐赠的，因此称为 耶克斯望远镜 （Yerkes telescope）。
当时，美国已经超越英国和德国，成为世界第一大经济体。巨大的望远镜展示了美国的科学技术实力。展览结束后，望远镜被移到了离芝加哥160公里的威廉姆斯湾（Williams Bay），以避开城市夜晚的光污染。
望远镜由芝加哥大学管理，它的 镜身有18米长，镜头直径为1.06米 。在接下来的几十年间，科学家们用这个望远镜获得了许多重要的发现。
例如，科学家们发现对准一个星球拍摄一张照片，6个月后再拍摄一张，通过比较星球在两张照片中位置的微小差异，可以推算出该星球到地球的距离。
1921年，爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955）访问美国时还专门去参观了这个世界著名的望远镜（图6）。
图5，1893年芝加哥世界博览会上展出的耶克斯望远镜
图6，爱因斯坦访问耶克斯望远镜
乔治·里奇
亨利·克里斯丁
1930年，美国科学家乔治·里奇（George Ritchey，1864—1945）和法国天文学家亨利·克里斯丁（Henri Chrétien，1879—1956）合作发明 Ritchey-Chrétien望远镜 （又称为组合望远镜，Compound telescope）。常用的望远镜有三种：图7（a）是反射望远镜（这是牛顿的设计）；图7（b）是折射望远镜（最为简单常用）；图7（c）是组合望远镜。
图7，常见的三种望远镜，图中的红线为望远镜的光路
里奇曾任耶克斯天文台的主任，他在管理耶斯克望远镜时萌生了新的设计理念。
1903年他主持设计并制作了 加州威尔逊山（Mount Wilson）天文望远镜 。他首先设计了一个机械平衡装置，让望远镜能够轻松地移动，接着他改革了望远镜的光路设计，减少了望远镜的误差（图8（a））。这个 直径为2.54米的望远镜是当时世界上最强大的望远镜 （图8（b））。
（a）望远镜的设计
（b）望远镜的内部 图8，加州威尔逊山的天文望远镜
1924年，里奇到法国任巴黎天文台台长。期间他与克里斯丁合作设计了组合望远镜（图7（c））。这个设计是威尔逊山望远镜的改良版， 不仅大大地缩短望远镜镜管的长度，而且可以减少镜片的误差。
1930年，里奇回到美国在海军天文台工作。期间他又提出了分块式望远镜的设计： 把望远镜的镜子分拆成多块拼装，这即可降低制作成本又可提高精度。 今天的大型望远镜用的都是这种设计。
埃德温·哈勃
里斯琴·多普勒
凭籍威尔士山望远镜天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble，1889—1953）发现了 星球光谱红移的现象 （图9（a））。
光谱红移源自奥地利科学家里斯琴·多普勒（Christian Doppler，1803—1853）发现的 多普勒效应 。根据多普勒效应，当救护车向着我们呼啸而来时，由于警报声速度与汽车速度的叠加，我们会听见警报声的频率会越来越高。同理，当救护车离我们而去时，我们会听见警报声的频率越来越低。
我们 在地球上观察土星时也会有类似的结果 （图9（b））：地球与木星都围绕着太阳旋转，但由于转速不同，木星有时会飞离地球，有时则飞近地球。当木星飞离地球时，我们会看见它的光谱向红色偏移，这就是红移。
哈勃当研究生时曾在耶克斯天文台工作，毕业后到了威尔士山天文台。他用的方法与上述计算星球距离的方法相似：对准一个星球拍摄一张照片，过6个月后再拍摄一张，比较星球在两张照片中的光谱。他发现 遥远的星球都有红移 。而且离地球越远的星星，红移得越快。
据此他提出了 宇宙膨胀理论 。后来，科学家们进一步推论宇宙之初有一个大爆炸（big bang），从大爆炸开始至今，宇宙一直在膨胀。
图9，哈勃提出宇宙膨胀理论
卡尔·扬斯基
我们知道可见光是电磁波的一种，而且只占了很小的一个波段（参见如虚如实说 | 揭秘无处不在的电磁波 ）。 其他波段的电磁波是不是也能“看”到？
1932年，贝尔实验室年轻的工程师卡尔·扬斯基（Karl G. Jansky，1905—1950）受命检测跨大西洋无线电通信的噪音问题。他搭建了一个简易的天线。
经过几个月的追踪，他注意到一个在天空中缓慢移动的噪音。这会是什么呢？他请教了一些天文学家，得出的结论是： 这个噪音来自太空 。
他把这个结果写成文章发表并请求贝尔实验室投入资金继续研究。不过贝尔实验室以噪音对无线通信影响不大为由拒绝了他的申请，扬斯基也就没能做进一步的研究。然而他的文章却催生了 射电望远镜（radio telescope）的研发 ，开创了射电天文学这个新领域。
2012年，美国天文学会将新建成的大型射电天文望远镜阵列冠以他的名字，叫做 “Karl G. Jansky Very Large Array” （图10）。
图10，位于美国新墨西哥州的卡尔·扬斯基射电天文望远镜阵列
目前 世界上最大的单体射电望远镜 是我国贵州黔南的500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST）。这个望远镜于2020年建成投入使用（图11）。
它由 4540电磁波反射镜片 组成，其工作频率为 70~3000兆赫 （MHz）（这个频带与广播电视、手机和蓝牙的频带相重合）。
图11，我国贵州黔南的“天眼”是世界上最大的望远镜
望远镜越大，放大倍数也就越大。
于是，科学家们就想到了在世界各地建立望远镜，然后用计算机软件把它们连起来，组成一个地球那么大的望远镜。使用时，各个望远镜同时对准一个目标进行拍照，然后根据这些照片用计算机构建出目标的图像。这就是 事件视界望远镜 （Event Horizon Telescope, EHT）了。
2009年世界多个国家的科学家们开始联手建立了一个望远镜网络（图12）。经过10年的努力，2019年科学家们 成功地拍摄出银河系中心的黑洞照片 （图13）。
这个 黑洞离我们地球约为26000光年 ，其 质量要比太阳大4600000倍 （参见广东科学中心「院士说」| 黑洞知识你到底了解多少？ ）。
图12 事件视界望远镜（Event Horizon Telescope）网络，黄色的望远镜用的是毫米波，蓝色的望远镜用的亚毫米波
图13 事件视界望远镜拍摄的银河系照片
在地面上的望远镜难免会受到各种各样的干扰： 风吹、雨打、日晒、云雾、尘埃、地球的磁场、大气层的变化、通讯的信号 等等。因此科学家们就把望远镜放到了天上。大气层之上几近真空，干扰少得多。
1970年，美国太空总署在肯尼亚发射了 第一台卫星望远镜乌胡鲁 （Uhuru）。 “乌胡鲁” 在肯尼亚语中意为自由。这也是第一台使用伽马射线的望远镜（参见如虚如实说 | 揭秘无处不在的电磁波 ）。当时的技术还不成熟，这台望远镜使用两年后就退役了。
最有名的卫星望远镜是哈勃望远镜 。哈勃望远镜 于1990年升空 ，至今还在使用。哈勃望远镜已经发回了 一百五十万张 照片和视频，让人们看到了宇宙的恢宏。图14是哈勃望远镜拍摄的蟹状星云图片。
图14，哈勃望远镜拍摄的蟹状星云的图片
上面曾经提到过蟹状星云，它是 在1054年是由一颗超新星爆炸形成的 。根据《宋史》记载，它晨出东方，过了一年多才渐渐暗淡了下来。
今天，我们知道，蟹状星云在银河系中，距地球 约6,500光年 。它的中心是一颗脉冲星，每秒自转30.2次，比太阳要亮10万倍。蟹状星云的直径约12光年，并以每秒约1,500千米的速度离地球而去。
近年来，世界各国的科学家们已经建立了多个大型的望远镜（图15），包括上面介绍过的 扬斯基射电天文望远镜阵列（VLA），天眼（FAST）和哈勃（Hubble） 。这些望远镜有些在地面，有些在太空，它们覆盖了电磁波的各个波段。
不过，像太阳系、蟹状星云这样的星体在银河系中有数千亿个（图16），而像银河系这样的星系在宇宙中又有数万亿个。 人类对宇宙秘密的探索才刚刚开始。
图15，世界各大望远镜及其工作频率
图16，银河系