前言

人类最初在地球上的出现，大约发生在200万年以前。人类是一种特殊的生命体，他们在生产和生活的演化过程中，通过直立行走，节约了体力，解放了双手，体力和智力不断地发展，开始本能地希望熟悉和了解自身所处的这个神奇的宇宙，从而很早就开始了一些最原始的天文观察活动。古人类的天文观察都是用眼睛直接进行的。人的眼睛就是一具小的光学望远镜，它的通光口径由瞳孔控制，在2毫米与8毫米之间变化。在黑暗的环境中，人眼可以看到天空中数以千计的天体。

太阳的东升西落，使白天、黑夜交替，形成了时间中“一天”的时间概念；月亮的圆缺形成了时间中“一月”的时间概念。经过长期观察，古人类发现白天在“一天”中所占的时间份额的周期变化，形成了时间中“一年”的时间概念。在观察中，他们有意识地在地面上刻画多种多样的记号和建造各种各样的设施。这些残存的设施就是人类最早的天文观测设备。

古中国人是最早进行天文观测并且最早记录天文现象的。2001年河南舞阳贾湖发现了8000年前的裴李岗文化遗址，其中出土了有名的贾湖契刻符号，这是世界上最早的文字符号。中国在天体记录中很早就采用了精确的赤道坐标系。中国最早的月蚀记录出现于公元前2136年，而最早的超新星记录出现于公元前1054年。

在古巴比伦地区，出土了一些公元前1800年左右刻有天文图像的陶板。古巴比伦人是太阳的崇拜者，他们在天体记录中采用了黄道坐标系。黄道是相对于地球所看到的太阳运动轨迹，它不能正确反映恒星天体相对于地球的运动规律。

在黄帝纪年以后，中国就设立了专门的司天官羲和，负责对天象的观察、测量和解释。羲和常年使用圭表来测量太阳影子的长度和方向。在公元前4世纪的中国史书中就有了“立圆为浑”的记载。这里的“浑”就是世界上最早的天文仪器——浑仪。在西方，后来也发展出了非常相似的浑仪。到公元13世纪，西方也开始使用赤道坐标系，其后西方的天文仪器有了快速发展。第谷在16世纪末已经制造了一批十分精密的目视天文仪器。

威尼斯人于1350年发明了凸透镜，于1450年发明了凹透镜，以凹透镜为主的眼镜制造业很快发展起来，这时发明光学望远镜的条件已经成熟。荷兰人于1608年发明了光学望远镜。不过最近的发现认为英国人在1550年左右发明了反射望远镜。伽利略于1609年制造了第一台天文光学望远镜。

天文光学望远镜的出现使天文观测出现了革命性变革。人类对宇宙知识的掌握量呈指数量级增长。望远镜的早期发展历史是欧洲工业革命历史的一部分。在荷兰、意大利、波兰及德国，光学折射望远镜技术很快成熟起来。而英国则将光学反射望远镜的口径从几个厘米发展到1.22米（1789年）和1.84米（1845年）。当时美国刚刚度过它的70岁生日，无论科学技术、工业水平还是综合国力，均远远落后于欧洲。然而来自欧洲的移民利用他们带来的技术相继制造出当时口径最大的折射和反射望远镜。1887年制造了91厘米折射望远镜，1897年制造了1.01米折射望远镜，1917年制造了2.54米反射望远镜，1948年制造了5米反射望远镜。同样在美国，1931年诞生了射电望远镜，将天文观测范围延伸到无线电波段。很快望远镜开始应用于电磁波的所有频段。1969年苏联制造了6米反射光学望远镜。到20世纪末，美国和欧洲制造了一批新一代的8至10米反射光学望远镜。

当今世界，后进的中国正高速发展，它的基础设施建设、工业制造、科学研究突飞猛进。在天文望远镜方面，中国完成了世界上口径最大的500米固定天线射电望远镜。110米可动射电望远镜、60米毫米波望远镜、2.5米大视场光学望远镜和12米拼合镜面望远镜均在紧张设计中。同时进行的还有雄心勃勃的空间光学望远镜、空间伽马射线望远镜和空间引力波望远镜工程。天文望远镜的复兴是不是预示着整个国家国力的复兴？让我们拭目以待。

正是在这个令人欢欣鼓舞的背景下，南京大学出版社隆重推出了最新版本的《天文望远镜原理和设计》。相对于已经出版的版本，新版本增加了很多新的内容，全面覆盖了各种各样天文望远镜的技术和理论，将是一本十分实用的天文望远镜的教材和参考书。

本书的创意最初来自于英国一个十分有名的天文学家——前皇家天文学家、原格林尼治天文台台长格雷翰·史密斯教授。1978年，他带领英国一个天文代表团访问南京，当时中国方面负责接待的是中国科学院紫金山天文台台长张钰哲教授。中方对望远镜的总体设计十分重视，因此有意聘请他担任中方一名望远镜总体设计研究生的导师。那时格林尼治天文台正在进行一台4.2米光学望远镜的设计，史密斯教授欣然接受了中方的这个请求。1979年，经过一系列的考试和选拔，我顺利抵达英国格林尼治天文台成为史密斯台长的学生、英国皇家协会的访问学者。史密斯教授培养研究生有他独有的方法。他不具体指导，而是通过天文台的望远镜专家来指导。史密斯的一个口头禅是：要想成为望远镜方面的专家，就先写出一本望远镜方面的书。同时他安排了我去爱丁堡天文台和卢瑟福实验室的访问。我在爱丁堡天文台是研究红外望远镜，在卢瑟福实验室是研究毫米波望远镜。这两次访问的结果出人意料，我一个月的爱丁堡天文台之行解决了英国3.8米红外望远镜的指向精度问题，而卢瑟福实验室的访问是我进入毫米波望远镜领域的第一步。两年后，我的中国大口径光学望远镜设计书顺利完成。1984年，本人在英国获得博士学位。

回中国以后，我担任中国科学院第一届天文委员会委员，同时担任紫金山天文台13.7米毫米波望远镜的工程副总指挥，顺利地完成了该望远镜的安装工作。1986年，著名的天文学家蒋世仰计划出版一本天体物理观测方法的教材，其中有一章专门介绍天文望远镜。本人荣幸地被他邀请，写作该书的天文望远镜部分。鉴于当时的条件，书稿仍然是在标准的方格纸上完成的，所有的插图也都是手绘在一张张的描图纸上。后来，这本重要教材因为缺少经费一直没有出版。1986年后，我写的望远镜这一章的复印件在科学院研究生中得到广泛流传，并受到好评。1991年，我应邀在贝尔实验室作学术报告，当时诺贝尔奖获得者罗伯特·威尔逊教授称赞我是懂望远镜的学者，并推荐我参加了世界上规模巨大的阿塔卡马大毫米波阵的工作。

2000年前夕，紫金山天文台首席科学家杨戟希望获得天文望远镜方面的教材，但当时无论国内外，均没有一本合适的天文望远镜教材。当他看到这份复印稿件后，感到十分满意。他立即建议将原稿由他的秘书整理到计算机中，再让我修订后在中国出版。经过修改并增加很多新内容以后，《天文望远镜原理和设计》于2003年出版。这本书很快就成为销售量最大的天文书籍之一。

中文版发行后，该书的广泛流传引起了斯普林格《天体物理和空间科学》丛书总编辑博托教授的关注。2004年，我和斯普林格出版社签订了该书的翻译和出版合同，2009年该书英文版正式出版。很快这本书就成为世界上非常重要的一本天文望远镜的教材和参考书。当年国际天文学联合会在巴西举行年会，斯普林格出版社在会展中心展出了一系列最新的天文书籍，这本天文望远镜的书广受欢迎。

相对于早期版本，本书增加了许多新内容。在电磁波望远镜方面，全面介绍了射电波、毫米波、光学、X射线和 γ 射线望远镜。在非电磁波望远镜方面，全面介绍了最新发展的引力波、宇宙线和暗物质望远镜。同时着重介绍了与天文望远镜相关的各种最新技术。这些技术包括主动光学和自适应光学技术、天文干涉仪技术、大气断层成像技术、人造激光星技术、结构保形技术、振动补偿和隔离技术、精密传感器技术、掠射光学技术、编码孔口径成像技术等。这本书可以作为天文学、光学、物理学、空间科学、精密测量等专业的科技工作者的教材或者重要参考书。

本书的出版得到贤妻杨明珍的鼓励与帮助，得到中国科学院紫金山天文台、中国科学院南京天文仪器有限公司等很多单位以及很多科学家的帮助。对此，作者表示由衷的感谢。

作者2019年于南京