光学史上的那些人儿---伽利略
第九章 伽利略光学
《伽利略光学》
镜片磨穿夜未央， 窥天遥指破穹苍。
伽翁蒙难真理亮， 星夜低吟诉短长。
1 伽利略与光的故事
17世纪初的意大利，文艺复兴的余晖尚未散尽，却也孕育着一场即将到来的变革。伽利略·伽利雷，一位年轻而充满活力的帕多瓦大学教授，正沉迷于一项被称为“望远镜”的新奇玩意。
这并非伽利略的发明，而是来自荷兰的利珀希工匠之手。但与其他人不同，伽利略敏锐地意识到，这不仅仅是个放大镜，而是窥视宇宙秘密的钥匙。他买回了粗糙的镜片，开始了夜以继日的打磨和实验。空气中弥漫着石灰石粉末的味道，在灯光下飞舞，如同他脑海中不断闪现的星光。
最初的望远镜视野狭窄，图像模糊，但伽利略没有放弃。他一遍又一遍地调整镜片，改进结构，力求突破那层阻碍清晰的迷雾。他的实验室里，堆满了各种尺寸的镜片、图纸和计算草稿。他废寝忘食，甚至顾不上整理那凌乱的房间。妻子玛丽娜虽然担忧他的健康，却也默默地支持着他，端来热汤，缝补着磨破的衣衫。
几个月的辛勤努力后，一架倍率更高、视野更清晰的望远镜终于诞生了。伽利略兴奋地将它指向夜空。那一刻，他感到自己的双眼仿佛穿透了厚重的帷幕，看到了一个前所未见的宇宙。
他首先将望远镜对准了月亮。长久以来，人们认为月球是光滑而完美的，是神圣的存在。然而，伽利略看到的却是一个崎岖不平的世界，有着高耸的山脉和深邃的陨石坑，与地球极其相似。他仔细地绘制着月面的图景，用数据和图纸挑战着人们根深蒂固的观念。
随后，他发现了木星的四颗卫星，围绕着木星旋转。这如同一个小小的太阳系，直接反驳了地心说的核心论点：所有天体都围绕地球旋转。这一发现震撼了整个欧洲的学术界，许多学者难以置信，甚至拒绝通过望远镜观看，固执地坚持着古老的理论。
伽利略没有理会那些嘲讽和质疑。他继续观测，发现了金星也拥有与月球相似的盈亏变化，这是只有围绕太阳旋转的行星才会呈现的现象。他还观察到太阳黑子，证明了太阳并非完美无瑕，而是一个不断变化的天体。
这些发现，如同夜空中闪烁的星星，逐渐汇聚成一幅崭新的宇宙图景。伽利略将他的发现和论证，写成了一本名为《星际信使》的书。这本书在短时间内风靡欧洲，引发了一场天文观测和科学探索的热潮。
然而，这同时也触动了教会的敏感神经。他们认为伽利略的理论威胁到了《圣经》的权威，与他们的教义相悖。伽利略受到了警告，但他依然坚持自己的观点，并继续发表支持日心说的著作。
最终，在1633年，伽利略被宗教裁判所传讯，被迫公开声明放弃日心说，并被判处终身监禁。他的一生，如同他观测的星空，充满了探索的激情，也充满了难以抗拒的压力。
但他并没有因此而屈服。在被软禁的日子里，他依然坚持研究，继续思考宇宙的奥秘。尽管他最终未能亲眼看到日心说被广泛接受，但他留下的科学精神和他对真理的不懈追求，成为了照亮后世的灯塔。
伽利略的故事，不仅仅是一个关于望远镜的故事，更是一个关于勇气、信念和对未知的探索的故事。他用他的眼睛，穿透了迷雾，看到了一个更加真实和壮丽的宇宙，也看到了科学的未来。即使在他被迫沉默之后，他的星空，仍然在不断地向人们低语着真理。
2伽利略光学理论
伽利略·伽利莱最出名的是他通过望远镜对光学的应用和他开创性的天文观测。他的主要关注点不是解释光本身的本质，而是利用光学仪器探索宇宙并解释他所看到的。
他的工作对现有的光学知识产生重要影响，并且是建立在现有光学知识的基础上的，可以说，他通过对光学原理的理解和使用对该领域做出了贡献。 虽然伽利略不是望远镜的发明者（通常认为望远镜是荷兰透镜制造商汉斯・利伯希（Hans Lippershey）发明的），但他是第一个了解望远镜重要性并大幅改进其设计和性能的人。
1608 年，一位名叫汉斯・利伯希（Hans Lippershey）的荷兰眼镜制造商向荷兰政府申请一项 “远距离视物装置” 的专利。他的申请被驳回，而由此引发的公开讨论中，意大利天文学家伽利略获悉了这一装置。伽利略改进了早期望远镜，制作出放大倍数更高的仪器，并于 1609 年完成了人类历史上首次有记录的望远镜天文观测。事实上，“望远镜”（telescope）一词的首次使用与伽利略的仪器相关联 —— 该词源自希腊语 “tele”（意为 “远”）和 “skopos”（意为 “视”）。
2.1 伽利略望远镜工作原理
有多种镜片组合可用于放大远处的物体，但最简单的是伽利略所使用的那种组合方式。这种设计的望远镜被称为伽利略望远镜，而要了解它们的工作原理，有必要对镜片的相关知识略知一二。
主要有两种类型的镜头：
1） 一个汇聚透镜，如上述图表顶部所示，来自远处物体的平行光线（以红色表示）发生弯曲，从而让这些光线会聚于一个被称为焦点的点上。该透镜的焦距就是其中心到焦点之间的距离。当远处物体的光线通过会聚透镜时，它们形成了一个倒像，与物体相比，它的尺寸减小了。
2）一个发散透镜，如图表底部所示，使来自远处物体的平行光线发生弯曲并向外散开，以至于这些光线看起来像是从它的焦点发出的。和汇聚透镜一样，焦距是其中心到焦点之间的距离。发散透镜的焦距为负值。当来自远处物体的光线通过发散透镜时，它们会散开，因此它们看起来来自距离透镜更近的图像，并且与物体相比尺寸变小。这被称为虚像，因为光线实际上并没有形成一个图像。
伽利略望远镜由两个透镜组成：一个长焦距的大会聚透镜（物镜）和目镜——一个短焦距的发散透镜。有趣的是，这两种透镜各自产生的远处物体的图像较小，但当它们结合在一起时产生放大的图像。
视尺寸是指一个物体在观察者看来有多大。对于较大的天体，视尺寸通常用度数来测量。例如，月球的视直径大约是0.5度。望远镜使它的表观尺寸更大。正如可以从上面的图中看到的。远处物体的视尺寸增大了。望远镜的放大倍数M定义为：
M= apparent size of image / apparent size of object
他大大提高了望远镜的放大倍率，使观测结果更加清晰和详细。他的望远镜可以把物体放大30倍。
2.2 天文观测和发现
伽利略使用他改进的望远镜进行了开创性的观测，挑战了地心说，并为哥白尼倡导的日心说提供了有力的证据。
观察到月球不是一个完美的球体，而是一个粗糙，不平坦的表面，类似于地球。这破坏了亚里士多德关于完美的、不变的天界的观点。银河系是由星体组成的：他把银河系分解成许多独立的星体，证明宇宙比以前想象的要大得多，也要复杂得多。
发现了环绕木星的四颗卫星（木卫一、木卫二、木卫三和木卫四）。这是对绕着地球以外的行星运行的天体的直接观测，为日心说模型（行星绕太阳运行）提供了强有力的类比。
观察到金星呈现出与月球相似的相位。这只能通过金星绕太阳运行来解释，从而提供进一步的证据来反驳地心说模型。
观察太阳黑子并追踪它们的运动，证明太阳并不完美，它在旋转，这也挑战了亚里士多德关于天空不变的观点。
这些观察结果对科学界对宇宙的理解产生了深远的影响。它们为日心说提供了有力的证据，促进了现代天文学的发展，并对坚决支持地心说的天主教会的权威提出了挑战。
伽利略对光学的贡献是革命性的。他对望远镜的巧妙开发和应用彻底改变了天文学，为人们提供了对宇宙结构无与伦比的见解。他的天文发现为日心说提供了有力的证据，挑战了既定的世界观，为科学革命铺平了道路。虽然他没有像同时代的其他人那样直接探索基本的光学原理，但他将光学仪器应用于天空，产生了深远而持久的影响。
附9： 伽利略简介
伽利略·伽利雷 (Galileo Galilei, 1564-1642)
伽利略·伽利雷是文艺复兴时期意大利的天文学家、物理学家、工程师、哲学家和数学家。他被广泛认为是“观测天文学之父”、“现代物理学之父”、“科学方法之父”以及“现代科学之父”。
主要成就：
改进了望远镜，并进行天文观测： 伽利略虽然不是望远镜的发明者，但他对望远镜进行了显著改进，并将其用于天文观测，取得了革命性的发现。
支持日心说： 通过观测结果，伽利略有力地支持了尼古拉·哥白尼提出的日心说（太阳是宇宙中心）。这与当时教会支持的地心说（地球是宇宙中心）相悖。
发现了：月球表面崎岖不平，有山脉和陨石坑。木星的四个最大卫星（伽利略卫星）：木卫一、木卫二、木卫三和木卫四。金星像月球一样有盈亏现象，这只有在它围绕太阳运行时才会发生。太阳黑子。
在物理学方面，伽利略对运动学和力学做出了重要贡献，包括：提出惯性定律的早期版本。
发现了自由落体的规律。对抛物运动进行了研究。
倡导科学方法： 伽利略强调实验和观察在科学研究中的重要性，促进了科学方法的发展。
著作： 主要著作包括《星际信使》、《论太阳黑子的书信》、《对话——关于两个主要世界体系》等。
生平概述：
伽利略于1564年出生于意大利的比萨。他最初在比萨大学学习医学，但后来转向了数学和物理学。他曾在比萨大学和帕多瓦大学担任教授。
由于支持日心说，伽利略与天主教会发生了冲突。1633年，他被宗教裁判所审判，被迫放弃日心说，并被判处终身软禁。伽利略于1642年去世。
尽管受到教会的迫害，伽利略的科学成就对科学的发展产生了深远的影响。他被誉为现代科学的奠基人之一。
伽利略取得了众多且多样的成就，其领域涵盖天文学、物理学和光学等科学学科。他还是一位发明家、数学家和作家。在大学经历了一段不太顺利的时光后，伽利略离开了正规的学校教育，开始自学数学和物理学。到了 16 世纪 80 年代，他成为了比萨大学的数学教授，之后又在帕多瓦大学担任此职。他一直待在帕多瓦，直至 1610 年，在那里他投入时间进行实验、研究和发明创造。到 1632 年时，他已经发明了几何与军用罗盘，制造出了验温器，为一种提升水位的机器申请了专利，发明了三脚显微镜，制作了望远镜，还撰写了颇具争议的《关于两大世界体系的对话》。关于他的望远镜，他曾这样说道：
"A report reached my ears that a certain Fleming had constructed a spyglass.... Upon hearing the news, I set myself to thinking about the problem.... Finally, sparing neither labor nor expense, I succeeded in constructing for myself so excellent an instrument that objects seen by means of it appeared nearly one thousand times larger and over thirty times closer than when regarded with our natural vision."
我听说一位弗兰德人制成了望远镜，便开始思考并研究。最终，我投入大量精力和资金，成功制造出了一台卓越的仪器，它能让物体看起来比自然视力下大近千倍，距离也近了三十多倍。
这种新仪器，望远镜（这个词直到1611年才被使用），是伽利略成名的工具，也是他被流放和监禁的工具。通过望远镜，伽利略观察并画下了他所看到的：月亮的相位、银河系、星团，以及一些似乎证实了他的观点——地球不是宇宙中心的现象。与流行的托勒密体系相反，伽利略假设地球是组成我们太阳系的众多天体之一。
伽利略的观点并没有被教会接受，他被传唤到教皇面前解释他不同的观点。伽利略被要求放弃他可以通过自己的观察来支持的观点，他拒绝了，被流放到锡耶纳。69岁时，伽利略被允许回家。在接下来的几年里，他的健康每况愈下，完全失明了。他唯一的帮助来源是他的女儿玛丽·塞莱斯特修女，她于1634年去世。1642年，也就是艾萨克·牛顿出生的那一年，伽利略在家中去世。
尽管伽利略因为他的重力实验和天文观测而被人们记住，但他发明的望远镜可能是他最重要的贡献。
