这是世上最强的望远镜
夏威夷的凯克天文台
一系列工程连接使它成为可能
非凡构想与发明 隐藏在其设计之中
传说中的古老死光
你看，烧起来了
工业用喷沙机
奇特乐器
冷战间谍机
以及冰箱的秘密
被我弄破了
该怎么把它们结合起来
才能看到创纪录的太空深处？
“工程新典范”
“凯克天文台”
我要踏上旅程
揭露夏威夷
凯克太空天文台的工程胜利
这里是热带夏威夷
会这么冷是因为
这里标高将近海拔4千米
比气温低更重要的是空气稀薄
那正是它们在这里的原因
茂纳开亚火山顶有12座天文台
这是一座休眠火山
最好是如此 因为把天文台建在这里
花费高达6亿元
不晓得 或许是我想象力太丰富
可有时我会觉得这些地方
就跟望远镜研究的地方 同样荒凉奇特
人在这个高度不易呼吸
但茂纳开亚的 稀薄空气与偏僻位置
减少大气层的扭曲
使它成为天文学首选
所以顶峰才有这么多天文台
当中包括全世界最重要的凯克望远镜
望远镜会把光组成的影像放大
望远镜最重要的零件是这个
不见得跟这个一模一样
我指的是聚集光线的装置
常见的做法是使用玻璃镜片
聚焦遥远的影像
例如威斯康辛的耶基斯天文台
1896年
科学家为耶基斯建造出 全世界最大的玻璃镜片
它的宽度只有1米多
但制造玻璃镜片难度极高
3年来尝试19次
才做出近似于 耶基斯大小的玻璃镜片
而且接下来还得研磨与抛光
一百年后
凯克的设计师 需要比耶基斯大一百倍的镜片
才能看见宇宙最深处
他们需要十米宽的镜片
但天文学家不认为 大玻璃镜片是未来趋势
凯克的工程师 必须用不同方式收集大量光线
打造革命性新镜片的做法
带领他们踏上旅程 回到两千年前
师法世上最早的科学家之一
即阿基米德 与他传奇性的古老死光
回到海平面
凯克工程师克雷格南斯 进一步说明这种古老装置
你可以拿一面大凹面镜
阳光照在上面反射回来
会形成非常明亮的点
你听过阿基米德的传说吧？
他就是洗澡时大喊 “我发现了”的家伙吧？
- 是的 - 我们都干过这种事
没错 据说他还利用这些大型反射镜
让攻击他城市的罗马舰队烧起来
他是用一面大……
传说是这么说的
- 你想试试看吗？ - 想啊
跟我走，好
测试阿基米德死光传说 需要三样东西
那就是阳光 跟克雷格同事准备的两项物品
我该问这是什么吗？
这不是罗马战舰
但它也是木头
所以理论上是相通的
好极了
接着则是死光
它跟镜子没两样嘛
它的形状很像卫星天线
可能因为它就是卫星天线
它的表面弧度 可将讯号集中到一个点
这次我们集中的是阳光
我们在老旧空军跑道进行实验
当地消防员在旁待命
在这里画个叉，那就是目标
我们要瞄准它的正中央
我需要你跟我一起拿着镜子
当地工程师威丁雪顿 是我们的现代阿基米德
情况很乐观 我们必须尽量靠近
可以看到光线全聚集在记号上
即使夏威夷艳阳高照
我还是不确定此举能否成功
我开始看到黑点咯
我还在想是不是我眼花呢
不是你眼花，是真的……
冒烟了，烧起来了
这只是因为我们使用 包着锡箔的卫星天线聚集阳光
我刚看到火焰
- 你有看到吗？ - 有啊
哪，烧起来了
你瞧那些消防员 他们开始坐立不安了
等等……这是科学实验，别打断
我们来提醒自己一下 我们聚集光线
把照在大盘子上的阳光 聚集在一个点上
光线集中，能量也集中
是的，于是船就烧了起来
各位，失火了
是我们……真不好意思
阿基米德的死光证明曲面镜
可像玻璃镜片般聚焦光线
天文学家视之为革命性构想
1668年
牛顿建造新型望远镜
它还是有接目镜
然而它抛弃玻璃镜片
改用宽度不到 4厘米的曲面镜聚光
往前快转325年到凯克天文台
这面镜子的聚光力为7万倍
这就是了，宽度10米
它的功能跟玻璃镜片一模一样
但它便宜许多
3千6百万美元，相当划算
事实上 凯克是靠一系列面镜聚光
巨大主镜收集光线
把它们反射到较小副镜
较小副镜反射到第三副镜
第三副镜再把光线传给摄影机
摄影机取代老式接目镜
并以前所未有的细节 记录宇宙影像
面镜安置在8层楼高支架上
重量高达275吨
但装置精准度可达纳米级
凯克天文台 让两部这种精密仪器联手合作
请听天文学家斯里库卡尼的说明
面镜越大越好
把这两部望远镜 当成是面镜的两端
凯克一号与二号相隔75米
但它们其实就像 一部大型望远镜
有宽达85米的面镜
我们所得影像的画质
比单一望远镜画质好8倍
设计世上最大的望远镜面镜 是一回事
建造它们可就不同了
没人造过这么大的面镜
凯克工程师是怎么办到的？
他们如何塑造出刚好的弧度？
声音奇特的乐器 又是如何提供答案？
天文学有个简单规矩
“大就是好”
所以凯克天文台设计师
才想创造 世上最大的望远镜面镜
观察前所未见的太空深处
然而制造10米宽的面镜 将是个大问题
如果他们使用的是单一玻璃
自然似乎决定镜子大小
这是一块塑胶
特性与玻璃相似而且很坚固
但把它放大3倍，突然间……
中间会下垂
它没有足够力量把自己撑起来
要增加力量就得把它变厚
可重量会随之增加
需要的支撑力也就越大
这是个恶性循环
玻璃越大越重
得靠支撑与强化 才能对抗地心引力
但这会增加重量与花费
5米似乎是天文学家的极限
但凯克工程师 需要近4倍大的面镜
于是他们想出 改革天文学的创新设计
他们不做单一巨大面镜
他们把36个六角镜拼起来
但这种拼凑衍生出新问题
六角镜必须衔接得天衣无缝
形成平滑连续的表面
不然就会失去 正确聚光的完美弧线
问题的解决之道 是特雷门这种声音奇特的乐器
1919年
俄国发明家李昂特雷门
试图制作警报系统感应器
结果他做出一种乐器
“感应科技研究”的汤姆巴哈 是电场感应器专家
他带我去看这种乐器
汤姆，为我说明吧 它已经发出声音了
这是什么？它有什么功能？
这种物体测量电场变化
手伸进来会扭曲 那根杆子周围的电场
等等，我来玩玩看
- 这是特雷门？ - 没错
它是一种乐器
- 我不用碰它，我只要…… - 你不用碰它
真是聪明
但它有什么用途？
它可测出任何扭曲电场的物体
不一定是金属
可以是气体或化学物质
甚至是走来走去的人
你也可以把它放在引擎里 测量引擎速度
理论上你甚至可以……
把功率调大的话 你甚至还能听见月亮经过
我是没做过啦
它可以告诉你月亮何时经过？
确实有这么一说
很多说法都是理论
不过理论上试试也无妨
它真是敏感 我随便动一动都有差别
是的……
这些感应器似乎没有极限
为证明这点 汤姆为我设计一个小测验
他要我在大海里捞针
从5百个网球里 找出一个略有不同的网球
在我不知情的状况下
汤姆把水注入其中一个网球
特雷门型感应器 测出周围电场最小的干扰
可以是挥手
也可以是少许液体 稍微改变网球导电的方式
它显然会有别于 其他5百个网球
汤姆派我找出动过手脚的球
首先不靠感应器
我不会帮你哦
- 你得找出…… - 肉眼看不见的差别？
是的
这里只有5百个球 所以应该不难
试试看嘛，不试哪知道
是重量不同吗？
那样要花好几天时间 我不可能把每个拿起来
要是我能测出电场变化
找到它应该就是轻而易举
我显然是找不到
好，我们帮你做了电场感应器
它会测出电场的变化
用它你应该就可以找到球
我猜这个就像……
- 就像特雷门，可它敏锐的多 - 用这个找？
对，来吧
直觉、逻辑
- 统统没用 - 是的
你要的是那个声音
等等
- 是它吗？ - 你找到了
- 我答对了？ - 它跟一般的球差别在这里
它摸起来一样，看起来也一样
这部机器还真是敏锐
这种奇特乐器的感应器
是如何帮助凯克天文学家 用36个六角镜造出巨大面镜？
这时特雷门就派上用场了
工程师用特雷门型感应器 测量两面六角镜衔接处的电场
感应器极为灵敏
可侦测出几纳米的误差
就像它可侦测出 只加了一点点水的网球
这是其中一面六角镜
我们去掉它表面的铝膜
让你看清楚玻璃后面有什么
这部机器时时都在测量
并调整这面六角镜 跟其他六角镜的相对位置
没错，感应器每秒侦测 六角镜所在位置两次
并且依照需要，要求它调整
如此一来所有六角镜 都能维持我们所需的光学形状
让我猜猜 调整应该是小而精准吧
是的
我们能接受的光学容限 约是人发厚度的千分之一
所以位置必须保持在……
这指的是两面六角镜的并置？
- 没错 - 人发厚度的千分之一？
- 很精准耶 - 是啊
用六角镜拼出面镜 是高明的解决之道
这么做还能减轻重量
惊人的是虽然凯克马赛克镜 比海尔望远镜大4倍
它并没有比较重
特雷门感应器使凯克面镜 得以提供无比的清晰度与画质
它们甚至可以分辨出 8百公里外的车辆大灯
这面镜子真叫人目不转睛
我想多数人 都没见过这么完美的物体
而且它们所费不贵
每面镜子造价约是一百万美元
我们把它们 当成最宝贵的东西珍惜
但要看见惊人太空影像 需要的不只是排列完美的面镜
面镜本身需要完美的抛光
光是用布擦一擦还不够
不，这可是巨细靡遗的抛光
想象每个原子都需要抛光 你就算接近了
但究竟该怎么做
答案是喷沙机
开始喷吧
为了看到亿兆里外的星系
凯克天文台首先必须 收集大量光线
巨大面积可做到这点
但想看到遥远幽暗星系的细节
凯克的巨大面镜 还必须是全然地平滑
再小的不规则都会扭曲影像
到头来等于白忙一场
这时就得介绍下个连接
我们必须回到1871年
美国内战刚刚结束
班哲明丘提尔曼是北军将军
据说提尔慢看见沙漠风吹起的沙
在窗上留下刻痕
姑且不论此说究竟是真是假
提尔曼确实发明 高速喷出微粒的机器
如今提尔曼的机器 被用来除锈、除漆或除尘
这是喷沙机
为了看它如何除去汽车烤漆
我来到夏威夷 沙人先生鲍勃费里曼的工厂
这里就是你工作的地方
这是我们的喷沙房
那看起来像是实际操作的部分
这是喷沙嘴
研磨料以超音速从这里喷出
超音速？哇哦！
喷嘴喷出的微粒
好，我只要用它对着目标即可
拿着这个
我建议你这样放着 因为它有一点后座力
这东西叫做“死人控制”
死人？
如果你昏厥或跌倒
机器就会关掉以防你被喷到
我可不想那样
我要喷它，不是喷自己
这得由你决定 拿喷嘴的人是你
我得拿着这个 让机器知道我没死
这是安全钮
按下去再扣起来就可以用了
好，这是实际操作的部分
我需要这个
好啦，来喷沙
预备……开始喷沙
妈呀
你瞧瞧
我还挺习惯的呢
这么做就像是治疗
他们可能得把我拖走
真的有用
那是当然 从提尔曼发明它开始就有用了
用它对付汽车零件是绰绰有余
但若是要更讲究
那么就连沙都不够细致
你必须更上一层楼到原子级
喷沙机无法抛光镜子
因为不够平滑
要做出完全平滑的镜子
就必须喷出 比沙小数百万倍的微粒
这要怎么做到呢？
提尔曼发明喷沙机一百年后
光学技师建造出 可以发射原子的喷射器
没有它，凯克面镜就无法 制造聚焦清晰的影像
这项科技也被用来切割癌细胞
神射手安迪布什医师 为我说明它的运作原理
- 这就是了？ - 那是你的原子喷射器？
这东西究竟叫什么来着？
这是双光束 环境扫描式电子显微镜
我喜欢双光束
可显微镜只是用来看东西的
我是要做原子层级的喷沙
那个我们也做得到
因为这是双光束显微镜
这条电子光束帮我们看样本
这边则是离子光束
我们用它来精准切割样本
离子是带电原子
它们可做原子级的切割
安迪要替我做示范
为了科学研究
我的一根头发自愿当白老鼠
- 那是我的头发？ - 是的
那是你用胶水粘住的地方
好多胶水，把头发包住
可以靠多近？
我们可以再靠近一点
瞧瞧你头发的尺寸
我们还可以看你的毛鳞片
现在填满荧幕的 是我的一根头发
要不要在上面写你的名字？
别开玩笑了
是真的，就在你眼前完成
- 写在头发上？ - 没错
开始吧
离子光束 每秒送出2千3百万个原子
到宽约50个原子的点
看得出来它开始写了
这个影像被放大5千倍
我名字里的“i” 约有1千个原子宽
它的原理真的跟喷沙一样
- 只是有数百万个这些东西在磨 - 没错，规模非常小
- 是小多了 - 你这话说得没错
因为那是我的名字
刻在肉眼几乎看不见的头发上
而且是你的头发
那你怎么用它抛光？
现在光束跟表面呈垂直
因为我们要在表面磨出图形
如果是要抛光到极平滑的程度
我们就会从低角度 发射离子到物体表面
让它们磨掉任何突起
进而留下极为光滑的表面
你是说把我的名字 刻在头发上的这个过程
其实有工业用途
想做到极细密的抛光
就把射出角度从直角改为锐角
这就是你的重工程？
是的，只是规模非常小
是一个原子接一个原子的
有了这么完美的面镜
凯克工程师 自然希望它洁净无瑕
凯克面镜是极为特殊的设备
但跟任何镜子一样 它偶尔也需要清理
我们去清理它吧
这可是凯克面镜
我们显然不能上去用抹布清理
不，过程稍微复杂些
重点是要清理得非常干净
面镜几乎每晚都暴露在环境中
昆虫、湿气或火山渣 都有可能弄污刮伤巨大镜片
这喷的是二氧化碳
基本上你是用它清理面镜
没错
雪很软 而且它会直接从固体变气体
它不会变成液体
这样就不怕面镜变湿
你在清什么？ 上面没指纹吧？
雪碰撞火山渣 就会把火山渣撞掉
- 火山渣非常小 - 是的
而且它相当锐利
所以它可轻易刮掉涂料
技师每个月用这种方法 让面镜恢复完美状态一次
多亏提尔曼的高速磨沙机
光学工程师才能想出
发射更细致微粒 完美抛光玻璃的做法
凯克率先加以采用这种方法
抛光一面六角镜需要一周
两面凯克面镜共需要72周
但凯克的完美双镜 也看不尽夜空
光线无法穿透 宇宙残骸组成的翻卷巨云
那么朝鲜战争间谍机
是如何帮助天文学家 设计出新的感应方式？
凯克天文台看到的宇宙 比世上其他望远镜都要多
它几乎可以看见天上任何物体
例如肉眼看不见的黯淡星光
但遥远星系也会躲在 灰尘气体组成的云朵后方
想看到它们得靠新的感应方式
1953年，朝鲜战争
美军指挥官想阻止火车 为朝鲜敌军战线运送补给
白天轰炸机可以看见目标
但夜里就不行了
它们只能盲目飞行
这时出现重大的突破
军方工程师想出 在黑暗中视物的方法
他们将革命性摄影机装在机上
它感应热物体 散发出红外线辐射
例如火车
目标再度清晰可见
这种在漆黑环境
或烟雾灰尘中 感应物体的新方式名为热成像
如今搜救团队也使用相同科技
我要测验它
为此我来到檀香山消防队
艾伦卡瓦里尔队长 带我去看他们的练习场
在浓烟密布的环境里 热影像对我们有极大帮助
我们可以靠它找到受害者
看见火场里的障碍物
可见它是必备工具 有它没它差别非常大
没错，有没有热像仪 对搜索来说是天壤之别
他们要为我示范热成像的运用
首先我得不靠热成像 寻找受害者
见过蓝帝假人
我不知道它在哪里
我将体验消防员的日常经历
迪恩，关灯
13号房
上吧
标准消防员探照灯 在这种情况下根本起不了作用
消防队长艾伦 用热像仪监测我的进展
好，现在我是要……
我找到一面墙，这里有墙
我彻底迷失方向
喔，那个是……我不知道那是什么
这是需要我帮助的人吗？
不对，这是个东西
你留在这里吧
我发挥我所有的感官
我得说最主要是触觉跟视觉
但他们没用
我需要别的感官
这是我进来的地方吗？
5分钟时间到了 我还在第一个房间
蓝帝假人早就被烤焦了
接着我要再次尝试
并且使用热像仪
队员先把蓝帝扛出去晒太阳
使它的温度升高
它将散发大量红外线
用热像仪观察将是一目了然
现在我们要让你用热像仪
等下记得跟我说说心得
拿去。房间已经重新整理过
同一批安全人员也已经就位
我要你进去扫描房间
看这次你能否 早些找到蓝帝假人
在里头根本分不清东西南北
看这次有没有比较好
谢啦，关灯吧
还是很暗，没有比较亮
在做任何动作之前
我要先用摄影机扫描房间
那里有个安全人员
哈喽，安全人员
我不知道到处有人看着我
连家具都会散发红外线辐射
并且清楚显现出来
往前直走
没有别人，这里没有受害者
所以我可以移动
慢慢摸索，爬进另一个房间
也就是这里
好，扫描
没有人
没有
啊，找到了
我只花了一点点时间
我不必靠墙移动用手触摸
这给我了新的感官
是热感官
帮助美军飞行员 在夜里锁定朝鲜火车的科技
如今让消防员得以看穿烟雾
55年后
热影像也让天文学家看到
相隔数兆里 隐藏在宇宙尘后的物体
凯克的热成像功能十分灵敏
它可以侦测月球上的烛火
它所能感应到的 遥远星系红外线辐射
绝非其他天文台所能及
但凯克设计师还有一个问题
这个问题来自 离地球近的多的恒星
我们称为太阳的恒星 天天尽责的温暖夏威夷
让它成为热带天堂
晚上太阳下山 天堂也跟着变冷
每日的升温降温 是天文学家的恶梦
因为仪器胀缩会扭曲影像
这个问题的解决之道 怎么会跟19世纪佛罗里达州
与躲在潮湿沼泽的凶手有关？
即使是在 茂纳开亚火山的冰雪顶峰
白天热带阳光 仍可使温度升高到冰点之上
凯克的面镜会随温度变化缩胀
任何细微变化都会扭曲影像
工程师必须设法稳定温度
这跟最后一个连接有关
回到1840年
佛州沼泽住着可怕的掠食动物
不是那个，是这个
蚊子
它会传染致命的黄热病
约翰哥里医师发现 这种致命疾病多在夏季爆发
于是他误以为原因在于高温
他着手制造可冷却房间的机器
背后原理十分简单
亦即气体膨胀时温度降低
周围物体也会随之冷却
请听热力学专家 克里斯西尔教授的说明
这是罐普通的体香剂
也就是压缩气体
把它喷在你的手上 看你会有什么感觉
你想告诉我什么？
好，我喷就是
像那样，你有什么感觉？
凉凉的
这是因为压力变低气体膨胀
它必须把空气推开 才有空间膨胀
推开空气会消耗能量
而能量来自气体本身的温度
我本能地以为 冷是因为有风吹过手指
但你是说气体在里面受到压力
喷出来之后它开始膨胀
推开空气消耗能量
- 而能量是来自它本身的热？ - 没错
所以这跟风无关 而是吹到手上的气比较冷？
正是如此
闻起来挺香的
气体膨胀的冷却效应 让约翰哥里发明冰箱
最终还改革天文学
气体膨胀会冷却
一大桶压缩气体 可制造戏剧性冷却
这是普通床垫
摸摸看，它又软可塑性又高
当然了，这是床垫嘛
接着把压缩二氧化碳打进去 看会有什么变化
谢谢你
安全措施，好
手套，谢谢
只要把这放桌上充气就好？
没错
让我猜猜，我来充气？
- 答对了 - 我想也是
- 拿好 - 好的
这是一桶压缩气体
它是之前体香剂的放大版
好，我来试试
刚才喷出来的是气体
- 它在膨胀 - 膨胀气体
好。喷嘴放进洞里
床垫胀起来了 我已经看得出来
不过这是当然的
桶内气体跑进去占掉更多空间
克里斯，目前你只证明 这是取代人工打气筒的好法子
确实轻松多了
是我的想象吗？ 我好像看到表面结霜
没错，气体很冷 因为它在膨胀
它在工作，它把床垫撑起来
所以它的温度会降低
温度低就会结霜
我把它弄破了
可是气根本就还没打满
它……冻结了
它完全冻结了
这本来是……
它冻结了
这就是气体膨胀的效应？
膨胀气体是冰的
它使橡胶……塑胶变脆并破裂
是我们让它冻结的
原来膨胀的气体是制冷的秘诀
我的床垫毁了啦
哥里没能治好黄热病
后来有人发现 蚊子才是罪魁祸首
但他确实是制冷的先锋
并且改革人类生活
如今这项技术 成为天文学前线的关键
为防止凯克望远镜膨胀与收缩
天文台圆顶建筑设有空调
保持望远镜恒温是一大挑战
每座圆顶建筑 各有两千多万公升的空气
空气每5分钟更换一次
白天巨大制冷单位不停运转
让圆顶建筑维持在夜间的温度
而这都多亏 膨胀气体的冷却效应
这些蓝色箱子里的东西 跟你家冰箱背后的东西一样
只是它们大多了
而且里面没有棉絮跟旧铅笔
但两者的理论并无二致
气体膨胀，热能交换
温度也随之降低
这里真的很冷
而且不可能退冰
凯克改变我们对宇宙 以及宇宙起始的看法
它几乎能看到宇宙尽头
包括这个仍未命名的星系
它距离我们有130亿光年
凯克是个不折不扣的现代工程典范
在它的DNA深处 有几个惊人的连接
传奇的古老希腊死光
提供用曲镜聚光的秘密
声音古怪的特雷门
帮助天文学家 制造前所未见的巨大面镜
喷沙机让物体表面变得平滑
引导轰炸机的摄影机 让凯克得以找到隐藏星系
冰箱则是保持望远镜形状的关键
做起来其实很简单
你只需要有正确的连接
========================================= 记录片之家倾情奉献 http://www.jlpzj.com/ 本字幕仅供学习交流，严禁用于商业用途 ========================================= 摘录：koala0225 时间轴调整 校对：jerry36