2.22 望远镜

    转眼间，石仲秋与史可等人的讲学任务已经结束，此时大宋已有几百人掌握了全新的数学知识，而其中过半的人已能熟练地做出李不伟抄来的练习题。与此同时，王思维也已完成了教材的修订，虽然周依依所抄写的几何学课本尚未完成，但也所剩不多，目前就差一些插图了，况且香儿这几天也前来帮忙，应该不日就可完成抄写。李不伟这几天看着二女为抄书而劳累，甚感痛惜，心想日后定要想个更好的办法来解决教材抄写一事。按照李不伟的计划，本来他是打算准备一次摸底考试的，但后来一想，如果要考试的话不仅要出题，还要批改卷子，难免又是一番兴师动众，便又临时修改了计划，考试之事作罢。其实这一切都是因为李不伟太忙的原因，甚至他已有些疲惫，前几天郑永江的临安自行车分店开张之时，还曾请李不伟过去凑个面子，但因为又有许多事情需要准备，李不伟也只好托周伍前去祝贺一番。

    接下来，该是物理与化学的知识讲授了，但李不伟此次的讲课有了明显的针对性，他让众人以自愿报名的方式加入，再经过层层选拔，从中挑选出一百名精于土木、机械、建筑、冶炼、铸造的学者，这些学者将主要学习力学与运动学知识。至于化学，另外又有约一百人合格，因此这一百人日后的研究方向便是化学了。按李不伟的计划，物理的教学安排在上午，而下午则是讲授化学的时间，当然如果有人愿意同时听两门课，又或是其它人也愿意加入听讲，自然也没问题，只是将来在分配任务时，还是在这一百人中选择。李不伟觉得此举多少有些不太公平，但目前的教学条件并不允许过多的人参与进来，也只好如此了。按照李不伟的的判断，一个月应该能够讲完这次安排的所有内容，只不过有些实验却没法做了，尤其化学实验。

    杨万景早已铸造出一些一克、五克、十克、一直到十千克的常用质量单位，李不伟又托人找郑永江做了近百把公制木尺，然后将那个大摆钟也放到了教室内。自此，李不伟已有了长度、质量、时间三大计量单位，这样一来，力学与运动学便有了最基本的表示单位，至于其它如动量、加速度等概念，也将由这三大基本单位演化出来。

    由于众人都已拿到了香儿所抄写的物理教材印刷本，因此李不伟就按着教材上的内容讲了起来。运动学与力学的内容其实并不多，只要了解牛顿三大定律，再知道什么是理想情况下的物理模型，便已算掌握其精髓，只是因为教材中计量单位与现实生活中多有不同，众学者一时竟然难以适应，但仅仅过了几天，众人便已能将两种单位熟练地换算，又过了几天之后，竟然在学习与思考时完全忘记了宋朝时的计量单位，而全部改为新式单位了。关于力学知识的讲授，先是力的分解，再从平面受力讲到斜面受力分析，然后是滑轮、杠杆等静力学问题，接下来才是速度、动量、冲量、加速度、重力加速度、运动的分解、功、功率、磨擦力、磨擦系数等概念，这也算是动力学的知识范畴了，当然其中还有圆周运动与角速度、角加速度等概念，李不伟一时兴起，甚至又大概讲了一下哥氏加速度等大学物理中的知识。但其中万有引力却被跳了过去，李不伟只说如感兴趣可以自己看看，其实他是担心有人问得太多而涉及到天文知识，如此一来又难免浪费一些时间来解释，况且目前天文学知识的讲授也不急于一时。

    至于化学，因为尚无教材可用，李不伟便在家中大概记一些内容与提纲，第二天只是按着教学笔记讲了出来，先是质子、中子、电子等概念，然后是摩尔定理、质量守恒，再后来是氧化－还原反应，水的组成，各种常见无机盐的化学成分，以及各种常见的元素、酸、碱等也都通通讲了一遍。当然李不伟讲到这些微观组成之时也是颇有担心，心想万一有人问起这些东西存在的证据，可真不好回答。其实古代也有各种学说来解释物质的组成，大都没有什么直接证据，只是通过一些表象来加以说明而已，再加上众人对李不伟所说的大都当作是真理，又如何会想到什么证据？

    如此只过了一个月，李不伟便已讲完了无机化学的所有内容，只是化学这门课他自己也不太擅长，再加上无法做实验，因此李不伟也提不起兴趣，但想到化学的重要性，他还是硬着头皮讲了下去，谁知道众学者却听得津津有味，其刻苦程度不亚于学习力学与运动学之人。不过，李不伟在讲授这些化学知识之时留了一个心眼，他担心有人怀疑自己所掌握的知识的来历，便在讲起‘电子’、‘原子量’、‘分子量’等概念的时候，故意装作一时想不起来，经过一阵沉思之后，忽又作恍然大悟状说些‘啊，想起来了，当时老师曾这样对我说……”。其实他此举完全多余，众学者求学如饥似渴，又怎会考虑这些知识的出处？

    按原计划，物理与化学的讲授此时应该结束了，但近日李不伟突然又改变了想法，他准备继续讲下去了。其中一个原因是，史冀这几日又提起了望远镜之事，并且说已找到了合乎要求的天然水晶块，这使得李不伟觉得讲一下光学知识还是很有必要的，而如果要讲光学，波的原理也是要提到的，甚至还要说说多普勒效果。至于另一个原因，则是杨万景前几日说起焦炭之事，让李不伟突然又想起了石油。其实，石油早在秦汉时期就被发现，到了唐朝时已开始使用，例如在战争中称之为火油，另有石漆、石脂水、猛火油、火油、石脑油、石烛等名称。据古籍记载，古代在陕西、甘肃、新疆、四川、台湾等省发现了石油矿，而且在唐朝以前就已掌握了从石油中炼制简易润滑油的技术，到了宋代，石油能被加工成固态制成品，即石烛。想到石油的种种用途，李不伟决定将有机化学也讲一下，如果日后能大量开采石油，他甚至还可以将石油的炼制，包括小型的炼塔、塔盘、风机、换热器、常减压法、催化原理都讲一遍，只是在李不伟想来，到了这种程度应该算是工业革命后期了。

    李不伟在刚开始讲授物理与化学知识的时候，其实已发现一个问题，就是各种单位的表示法。例如牛顿、焦耳、摩尔等单位，原是以科学家的名字命名的，但此时这些科学家尚未出世，李不伟自然也不知如何对众人解释，后来他灵机一动，便将这些单位全部采用简称，例如‘牛’，‘焦’，‘摩’等等，当然其实后世也有这种叫法。如此一来，李不伟在后来的讲授中一发不可收拾，竟然将许多公式或定理命名为‘李氏一号定理’，‘李氏积分定理’等，更有以古人名字命名的‘沈括效应’，‘祖冲之方程’等等不胜枚举。

    范东来、史可、石仲秋、王思维等四人此时已成了李不伟的得力教学助手，而范文进与徐永红也成了李不伟的实验室助手，这几人领悟能力超强，不仅可以将一些物理原理迅速地理解，而且能够举一反三，这多少令李不伟有些吃惊。

    此时李不伟来到宋朝已近一年，而让李不伟感触最深的，当然是来到临安的这六七个月了。在此期间，他与史冀的赌约促成了火炮的研制，又说服众臣，将后世的数学知识介绍给了大宋的学者，如今又开始了简单物理与化学的讲授，李不伟多少觉得有些成就感，虽然一些高等数学的知识尚未开始讲授，但这也在他的计划之中了。因为近期连续讲学，李不伟已感觉有些疲倦，再加上课程已近尾声，因此他已将每日讲课的时间进行了压缩，所有的课程全部安排在上午进行，而下午则是众人的自学时间，如此一来李不伟不仅轻松了许多，而且又有时间再重新整理一下自己的思路，况且最近理宗已多次过问讲课一事，更曾到火炮厂、辩理院视察过好几次，李不伟也需要准备一份总结性的东西出来。

    又过了几日，史冀也传来了消息，原来他此时已找到了合乎要求的水晶片，这些水晶透明度极高，用来磨制镜片再合适不过，李不伟见此情形，便又开始盘算着望远镜片磨制了。

    后世的天文爱好者在磨制镜片时，多采用光学玻璃，也有用船仓圆玻璃，所用的磨砂主要有两种，黑色的碳化硅和白色的氧化铝，抛光粉则用红色的氧化铁，另外还有沥青和松节油，而所需要的工具也只是一个木制工作台。至于焦距的测定，通常有目测法与简易佛科测试仪，这种测试仪制作起来也极容易。磨镜的方法通常有弦线法，正心手法、离心手法、圆心手法几种，任何经过简单培训的人都可以进行cao作，当然做出来的质量也是千差万别的。

    因为望远镜与天文有着很大联系，因此李不伟首先想到的便是范东来，他让范东来物色了几人，又做了磨镜所需要的工作台，再大概讲了一下磨制的手法，便让几人开始镜片的磨制了，与此同时，测试焦距的简单工具也已开始制作。其实李不伟本身并没有多少磨镜的经验，只是以前看过香港的一个天文爱好者写了一篇文章，这篇文章中详细介绍了20厘米牛反式望远镜主镜的磨制，当时他虽然也准备了一些材料想自己做一台天文望远镜，但是因为时间的关系一直没有动手，不过大概的磨制方法与测量方法，李不伟仍然是记得清楚。

    史冀这次寻到的透明水晶总共有九块，其中有三块大的，六块小的。李不伟仔细想了一下，觉得只能制作三台折射式望远镜，这三台望远镜的物镜采用凸透镜，正好使用三块较大的水晶，而目镜则是凹透镜，使用三块较小的水晶，同时，这种望远镜呈现出来的是正像，刚好用于军事侦查。至于剩余的三块小水晶块，李不伟准备做成凸透式的目镜，然后再磨制三台20厘米左右的凹面反射镜，如此一来，又可以制作三台反射式望远镜。

    反射式望远镜制作简单，又不存在色差问题，而且口径大的镜子采光性能又好，尤其是看行星时更为有效。后世的自制反射镜多为玻璃磨制，然后进行镀铝或镀银，再进行防氧化处理，有时还要镀上一层透膜，工序也不算少，但效果却已相当不错了，业余爱好者制造出来的大中口径反射镜已能清晰地看到土星的卡西尼环缝。但李不伟也知道此时并无玻璃，更没有铝可用，也没有镀铝或镀银的条件，因此他准备用青铜制作主镜。其实古代的化妆镜多为青铜制作，如果在制作过程中加强工艺，则铜镜的效果其实也不错，尽管与后世的玻璃镜相差甚远，但要看清人的毛孔却也容易。

    由于这次要制作三台反射镜与三台正像折射镜，因此目镜也刚好是三块凸透镜与三块凹透镜，这样一样正好可以两两对磨成形，也就是说，两块水晶先磨成圆盘形，然后再对磨，出来的结果正好是一块凸透镜，一块凹透镜，而后世的天文爱好者也是采用这种对磨法，只是他们要的只有凹面反射镜，至于上面的那块凸镜，在磨制完成之后就没多大用处了。

    因为透明天然水晶极不容易弄到，这些工匠在磨制时自然十分小心，李不伟在观察了水晶的生长方向之后，便交给众工匠按固定的方向去磨制了。范东来以前并未见过李不伟的那副冒牌军用望远镜，因此看到李不伟如此安排，也有几分不解，但又想起几日前刚刚结束了光学原理的讲课，便大概猜到了一些，心想这必然是在制作一种光学仪，于是他也不再多想，李不伟如何要求，他便一一照做。

    过了几天，六块目镜已磨制完成，并且经过了抛物面化的处理，此时范东又按照李不伟所提供的方法进行了焦距测量，竟然发现这六块透镜都合乎要求。与此同时，一个铜制的反射镜也已磨制完成，并且也经过了抛物面化处理。其实作为望远镜片的抛物面化也不是很难，还是一个磨制手法的问题，只要掌握了正确的方法，经过多次修正，并且不断测量，还是比较容易成功的。

    由于三块较大的水晶尚未完成磨制，因此正像军用望远镜暂时无法开始组装，李不伟也已有些等不及，便准备先装一台反射式望远镜。反射式望远镜安装极为简单，甚至不需要镜筒就可以进行试验。其原理是，远处的景物先经过凹面反射镜的反射、聚焦，再经过一个45度平面反射镜，最后到达镜筒入口处的目镜。后世的45度反射镜多采用全反射光学玻璃，但此时显然是无法找到这种材质了，因此李不伟早已让人又磨制了一块平面铜镜暂时代替。其实，即使工艺再高的铜镜，其光线反射率也远远不够，但李不伟此时也没别的办法，再说大口径的镜子进光量大，应该也没太大的影响，至于颜色还原一事，李不伟已没工夫考虑了。

    二人来到了天象台，范东来早已按李不伟画的图纸作好了望远镜架，李不伟看这镜架，是用方木制作了一个长方体的框架，然后在四面又进行了加固，竟然做得有模有样，倘若在四周再围上黑纸，连镜筒也省了。李不伟看得心中暗赞，也不多说，直接装好了目镜和物镜，又将小反射镜也固定在镜筒入口处。范东来在做这框架之时，显然已考虑到了各个镜子的安装位置，又提供了现成的纸筒用于安装目镜，二人安装起来竟然极为顺利。等到全部安装完成之后，接下来就要进行光轴的调整了。调整光轴并不容易，二人又折腾了近一个时辰，这才算是调整完毕。

    天象台所在位置的地势较高，刚好将整个临安城的风景尽收眼底。此时正值下午，李不伟将镜子稍做固定，对准了远处山上的一个小厅子。这小厅正处在约十里外的半山腰，此时阳光斜射，正好看清楚亭子上的三个大字‘观风亭’，只不过这影像是倒过来的。范东来看得大吃一惊，这亭子他原是去过的，这三个字他也知道，如今在十多里外竟然将这三字看得如此清楚，他一时间难以相信，再看亭子旁边的树树，又偶尔随风摆动，显然又不像是一幅画了。他又将目光从望远镜处移开，直接看过去之里，却只能依稀看见一个亭子模样，又何曾看得见这亭子上所写何字？范东来一时吃惊之余，竟然呆在当地做声不得。

    李不伟见状心中暗暗发笑，又将镜子转向东边更远处的一个地方，再将焦距稍做调整，这次看过去却是西湖了，湖面上不时飘过几艘小船，连船上站有几人也数得清清楚楚，但用rou眼看去，却是茫茫一片，又哪里看得清什么船。其实，比起现代镀银法所磨制的主镜，李不伟这次制作的铜镜实在是差得太远，并且影像中有一股淡淡的铜黄色，这显然是铜镜的缺点了，尽管如此，范东来已觉得此物实在不可思议。李不伟一开始对这铜制望远镜并太满意，后来一想，在目前的条件下能做出如此的一台望远镜来，也实属不易了，便也与范东来一起激动起来。

    两人又等了一会儿，已是傍晚时分，此时天空能见度极好，没有半片云彩，当日正值农历五月初，西边天空仍在大亮，但金星已然可见，李不伟与范东来又将望远镜对准西方天空，经过一番调整之后，两人终于找到了金星，对准焦距之后，镜中呈现的金星边缘稍有模糊，竟然有如半月。范东来惊道：“怎么金星竟然是月牙形的？”

    李不伟笑道：“范大人仔细想想，地内行星应该全是月牙形的，只不过金星离地球较近，而且又能反射大量阳光，自然显得明亮无比，rou眼便看不出其真实形状了。”范东来早已了解了一些太阳系的组成，如今再略一思索，便已明白了原因，笑道：“原来如此，太白金星竟然是半月形状，看来这古书中所记载的也多有误。”李不伟知他是说笑，也笑道：“是啊，就是不知这太白金星上是否有神仙居住？”说到此处，李不伟忽然想到，倘若将这望远镜拿给依依看了，她一定会大吃一惊，我若骗她说月亮上有神仙居住，也不知道她是信也不信？想到此处，李不伟不由得嘴角露出一丝笑容，一时竟然想得痴了。

    又过了一会，天色已渐黑了下来，金星慢慢从地平线上消失，此时土星正在当空，两人又费了老大劲，终于在望远镜里找到了土星。宋朝的天空比后世不知要清澈多少，显然是没有大气污染的缘故了，此时透过望远镜看去，土星正如满月大小，而土星环也正处于最佳的观测状态，范东来看得又是一惊。土星在古代又叫做镇星或填星，原是与庄稼收成有关的一颗星，他作为司天监，看了十多年的星星，从未如此清楚地看过这颗镇星，而且这星体外面竟然还有一个圆环，更为惊人的是，这也是他第一次看到其它行星的四颗月亮。正惊异间，范东来已发现土星慢慢往望远镜的左边移去，不一会便从眼前消失。原来，这望远镜倍数不小，因此只看得一会，便因为地球自转的缘故，土星就从视野中消失了，两人只好又将底座重新定位，这才能再看一眼这神奇的土星环。再过一会儿，木星从东方偏南升起。一年中的大部分时间，木星都是天上最亮的一颗星，范东来对此自然也非常清楚。两人又将望远镜对准木星，却见大红斑清楚无比地呈现在眼前，李不伟心中暗想，后世的望远镜虽然威力更大，但那些天文爱好者们又有谁曾见过八百年前的木星大红斑呢？想到这里，李不伟一时觉得自己幸运之极。

    由于地球不断自转，因此刚才二人在观看之时，天体在望远镜中的呈像只能保持不到一分钟的时间，然后就慢慢从镜头中消失，而二人也要不断调整望远镜的底座，才能继续跟踪观看。其实赤道依的原理李不伟是知道的，只是近日忙着制造望远镜，一时还未来得及进行赤道仪的设计。赤道仪的原理其实非常简单，这种仪器可以沿一个轴转动，将这个轴对准北极星附近，然后再以地球自转的反方向旋转，倘若这个旋转的角速度与地球自转的角速度刚好一样，那么正好抵消了地球自转带来的影响，这就使得所观察的天体始终能保持在视界之内。赤道仪通常还有另一个轴，这个轴却并不起到跟踪作用，只是用于调整纬度寻找天体的。

    范东来听得李不伟如此介绍，一时沉吟不语，过了一会忽道：“李大人，倘若我将钟摆的时针转速放慢一倍，再与这赤道仪相连，不正好能够实现天体的跟踪么？”李不伟听得先是一怔，忽然大喜道：“范大人高见！这种机构果然可以用于驱动赤道仪自转，而且又极为精确！”

    其实，后世的赤道依多用步进电机驱动，另外有cao作手柄可连接控制开关，有些赤道仪更是可以连接自动寻星装置，也就是说，只要输入了当前的经纬度，以及当前的时间，则赤道仪就可以自动寻找到所需要的天体，并且将望远镜指向相应的夜空位置。想到这里，李不伟与范东来又忙了一阵，终于共同画出了赤道仪的原理图。这次设计的是地平式赤道仪，虽然南北地平线处有部分星空无法看到，但已完全满足当时要求了。不过这个赤道依并没有极轴镜，因此为了对准北极地轴，李不伟又设计了一个简单的瞄准装置，范东来自然也如获至宝，喜滋滋地收了起来。

    ……

    又过了七八日，李不伟已将有这次安排的课程全部讲完，其中包括物理中的力学，运动学，光学与波的传动，另有无机化学与有机化学。而众学者早已分别记录了几百页的笔记。看着众学者每人这几百页极为详细的听课记录，李不伟突然想到，这也不失为一种编写教材的方法，如此一来，依依与香儿便能轻松一些了。

    范东来此时已制作好了一台赤道仪，这台赤道仪巨大无比，竟然有一人多高，上面安装了一个极大的钟摆式跟踪装置，李不伟看得颇为吃惊，心想这范东来在短短八九日期间，竟然做出这等复杂的机构，这也着实难为他了。正惊异间，李不伟马上又发现了另一个更大的改进，原来，范东来已将铜质反射镜也更换为银质反射镜，不过这次银镜的制作就不像上次那般困难，他先以铜镜作为模具进行银镜的铸造，在经过粗磨之后，又将表面用玛瑙、玉石等物抛光，便完成了银质反射镜的制作。如此一来，望远镜已不存在色彩还原的问题，而且银的光反射率能达到90%多，效果自然比以前要好上许多倍，只是银的表面容易被氧化，过不多时便要重新刨光一次，而且这面银镜重约近十斤，价格也自然不低。

    另外，三台正像望远镜的物镜也已完成磨制，就剩安装与调试了。其实，折射式望远镜的安装要简单些，用硬纸与胶做成镜筒，再将内层涂黑，目镜筒直接套在物镜筒内来回滑动，便可实现调焦，当然如果制作军用望远镜的话，自然不能用纸质的镜筒了，范东来早已将此事想得明白，他昨日就设计出了铜质的镜筒，并且开始制作了。按李不伟估计，这三台望远镜与他带来的那台冒牌军用望远镜相比，应该相差很远，但昨天在试验之时，却已能将几十里外的人影看得清楚，李不伟又颇觉意外，这在当时显然又是一大突破，尤其是两军对战之时，持有望远镜的一方将大占优势。

    此时，范东来又将星图做了部分修改，李不伟看他在原有的星图上重新添加了许多新的标记，显然是他这几日观测另有发现，再仔细看时，又见这星图与后世的表示法多有不同，所有星图都是以中文标注，并且星座名称也多以古名描述。在此这前，仙女座等星云原本并不在宋朝的星图之中，可如今既然有了望远镜，范东来已将这个星云看得清楚，并且已在星图中标记了出来，只不过他仅仅是做了一个记号，显然还没有想好中文名字。李不伟再看下去，却见其它的都是些参宿七、角宿五、心宿二等，果然与中国古代的星图表示法无二。李不伟心中暗想，也不知这范东来要对那些土星与木星的卫星如何命名法，估计四个伽利略卫星要从土星家族的命名中永远消失了。

    这天，范东来按李不伟所示，奏请理宗与众大臣前来辩理院，众人先是观看了李不伟制作的电动机，自然又是一片惊讶之声不断。其时正值上弦月，范东来又搬出了那台改进之后的望远镜，将极轴调到正对北极星的位置偏左下方一点，然后将望远镜对准了月亮。由于目前的望远镜只有一种倍数，因此月亮进入望远镜的视野仍较刺目，于是范东来又在镜筒前又遮盖了一个纸片，再在这纸片上挖了一个小孔，如此一来进光量大为减少，看起来也不那么刺目了。此时月亮已与平日rou眼所见大不一样，其表面布满了坑坑洼洼的环形山，更是将盆地、月陆、撞击坑等看得清楚，众人一时又大为吃惊。范东来得意之极，又对准土星与木星观测一番，并在李不伟的指点下找到一些深空天体如猎户座M42等，理宗与一干大臣看得目瞪口呆，对此等精妙仪器叹为观止，后又听得是李不伟的发明，更是称赞之声不绝于耳。

    自从来到临安之后，李不伟完成了几件大事。第一，将初高中的数理化知识尽数传授给了大宋的学者，而且采用了新的数学表示法。第二，找到了简易电池的制造方法，并且还制造出了第一台电动机模型。第三，制成了世界上第一台摆钟。第四，造出了相当说得过去的军用望远镜与天文望远镜。第五，造出了清朝时期才有的火炮，尽管这种火炮其实与明朝末期的火炮是一回事。第六，自己对宋朝时的科技有了长足的认识，这使得以后制定计划时更有依据，节省了不少时间。

    其实李不伟还有两件事没有确认，第一便是那批水稻种子了，南方水稻应该在五六个月后便可收割，此时已到了收获季节，虽说李不伟对此充满了信心，可这批种子没有第二次播种之前，李不伟也不敢完全确定。第二件事，就是交给杨万景的关于金属材料的事了，李不伟近日比较忙，已有十多天没与杨万景联系，也不知道他这些天进展如何了。

    （注：磨制镜片的方法属实。作者曾试磨过20CM的牛反镜，虽然最终失败了，但不表示这种方法有误。磨制的材料宋朝都有，而且牛反镜的原理本来就极简单，唯一有可能不准确的是：铜镜是否成像清楚）