人类视觉的延伸要点

人类视觉的延伸 (一）——望远镜 人类凭借着上天赋予的双眼，注视过奔驰的骏马、跳跃的羚羊；遥望过无垠的大海、浩渺的星空，从而也诞生了无数个目光炯炯的战士、明察秋毫的猎人、仰观天象的智者和“在乎山水之间”的文人墨客，创造了许许多多美丽不朽的神话故事。人类在尽情地使用着这双其实能力非常有限的眼睛。 然而，在公元17世纪之前，人类仅以这双天赋的慧眼面对着博大浩瀚的，亦或是危机四伏的自然界，目光是多么的迷惘啊。暮色苍茫，星光微弱，虎豹豺狼双目如电，人类就这样在黑暗中蜗行了千万年。“把我的眼睛放在飞鹰身上”——这古老的诗句说出了人类对知觉自由,对视觉延伸的渴望。 望远镜——将人类的视觉延伸到极遥远处 1608年，荷兰眼镜商人李波尔赛偶然发现用两块镜片可以看清远处的景物，受此启发，他制造了人类历史第一架望远镜。 1609年意大利的科学家伽利略制作了一部口径42mm的望远镜。这部望远镜使他大开眼界，他惊讶地发现，月球表面有高山和无数的坑洞；金星也有如月球般，有著盈亏的变化；而木星旁竟有四颗小星星绕著木星公转！这些发现彻底地颠覆了传统天文观念，伽利略成为有史以来使用望远镜观察天空的第一人, 天文学也从此进入了望远镜时代。 1611年，德国科学家开普勒改良了目镜，使放大倍数有了明显的提高，人们称之为开普勒式望远镜, 至今仍是折射式天文望远镜的主流产品。 伽利略制造两架望远镜，现收藏于意大利佛罗伦萨科学博物馆     1668年牛顿发明了反射式望远镜。这是天文望远镜的一大突破，因为反射式望远镜在制造上远比折射式望远镜容易得多，并且没有折射式望远镜的色差现象，使得观测品质大幅提升。1672年法国人盖赛格林变更了牛顿式反射镜的焦点位置，发明了盖赛格林式反射望远镜，使反射望远镜得到了非常广泛的应用。这几位十七世纪的伟大科学家，分别留下了以自己名字命名的光学系统，使十七世纪在望远镜史上发出耀眼的光芒。自此以后，世界上的天文台便越来越多，望远镜也越来越大，天文学的进展也越来越快！ 牛顿发明的反射式望远镜     1931年德国人史密特把反射式望远镜和折射式望远镜合而为一，发明了折反射式望远镜，也就是史密特式望远镜(史密特照相机)。这种望远镜光力强、视场大、象差小, 适合于拍摄大面积的天区照片。后来俄国人马克斯托夫发明了另一种折反射式望远镜——马克斯托夫望远镜。 凯克望远镜（Keck I，Keck II）：当前世界上已投入工作的最大口径的光学望远镜 欧洲南方天文台甚大望远镜（VLT） 双子望远镜（GEMINI）：它由两个8米望远镜组成，一个放在北半球，一个放在南半球，以进行全天系统观测     1932年央斯基（Jansky. K. G）用无线电天线探测到来自银河系中心（人马座方向）的射电辐射，发明了无线电波望远镜。这是天文望远镜的另一次革命,它使望远镜所能看到的波长范围从可见光延伸到所有电磁波。 1962年，Ryle发明了综合孔径射电望远镜，他也因此获得了1974年诺贝尔物理学奖。 美国科学家央斯基（K.G.Jansky） 而后人们又相继发明了红外望远镜、紫外望远镜、X射线望远镜、γ射线望远镜。 联邦德国100米直径的全向转动抛物面射电望远镜，世界上最大的可转动单天线射电望远镜 乌鲁木齐天文站的25米射电望远镜 美国的VLBA阵 世界上最大的单孔径射电望远镜，直径达305米的抛物面射电望远镜 北京天文台密云综合孔径射电望远镜，由它产出了国际上最完备的低频星表（MYC 327MHz） 中国科学院大天区多目标光纤光谱望远镜（LAMOST）             我们知道，地球大气对电磁波有严重的吸收，我们在地面上只能进行射电、可见光和部分红外波段的观测。随着空间技术的发展和上述其它波段的望远镜的发明，便产生了可以在大气层外观测的空间望远镜（Space telescope）。 由美英荷联合发射了第一颗红外天文卫星IRAS 伦琴X射线天文卫星（简称ROSAT） 红外空间天文台（ISO） 欧洲共同体宇航局发射的名为XMM的卫星 美国发射的装备紫外望远镜的FUSE卫星 γ射线望远镜             二十一世纪是人类征服太空的世纪，随着科学技术的发展，一些功能更加强大的望远镜将被发明和应用，人们还将在月球上建立月基天文台，人类的视觉将会向更加遥远的宇宙太空延伸。 哈勃空间望远镜通过偏振过滤器拍摄的蛋星云伪彩照片 二十一世纪初的空间天文望远镜“下一代大型空间望远镜” （NGST）             人类视觉的延伸 (二）——显微镜 ——将人类的视觉延伸到极细微处 大约在十六世纪末，荷兰的眼镜商詹森（Zacharias Janssen）和他的儿子把几块镜片放进了一个圆筒中，结果发现通过圆筒看到附近的物体出奇的大，这就是现在的显微镜的前身。 荷兰人詹森 第一部复合式显微镜         1665年，英国科学家罗伯特 · 胡克（人们可能更熟悉他的另一个发现：胡克定律）用他的显微镜观察软木切片的时候，惊奇的发现其中存在着一个一个“单元”结构。胡克把它们称作“细胞”。 英国科学家罗伯特 · 胡克 胡克发明的显微镜 胡克观察到的软木片的细胞结构 胡克显微镜下的跳蚤 荷兰人安东尼 · 冯 · 列文虎克（Anthony Von Leeuwenhoek ，1632-1723)制造的显微镜让人们大开眼界。列文虎克自幼学习磨制眼镜片的技术，他制造的显微镜其实就是一片凸透镜，而不是复合式显微镜。不过，由于他的技艺精湛，磨制的单片显微镜的放大倍数将近300倍，超过了以往任何一种显微镜。当列文虎克把他的显微镜对准一滴雨水的时候，他惊奇的发现了其中令人惊叹的小小世界：无数的微生物游曳于其中。他把这个发现报告给了英国皇家学会，引起了一阵轰动。 列文虎克的显微镜 复合式显微镜成像光路图       在接下来的两个世纪中，复合式显微镜得到了充分的完善，然而，光的波动性毁掉了人类使用它向极小挑战的梦想。因为相邻衍射光斑的互扰，对于使用可见光作为光源的显微镜，它的分辨率极限是0.2微米。任何小于0.2微米的结构都没法识别出来。提高显微镜分辨率的途径之一就是设法减小光的波长，或者，用电子束来代替光。根据德布罗意的物质波理论，运动的电子具有波动性，而且速度越快它的“波长”就越短。如果能把电子的速度加到足够高，并且汇聚它，就有可能用来放大物体。1938年，德国师Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界上第一台透射电子显微镜（TEM）。1952年，英国工程师Charles Oatley制造出了第一台扫描电子显微镜（SEM）。电子显微镜是20世纪最重要的发明之一。由于电子的速度可以加到很高，电子显微镜的分辨率可以达到纳米级（10-9m）。很多在可见光下看不见的物体（例如病毒），在电子显微镜下现出了原形。 现代普通光学显微镜 在光学显微镜下放大1000倍的细菌   金相显微镜 用电子代替光，这或许是一个反常规的主意。但更令人吃惊的是1983年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer利用“隧道效应”原理发明了所谓的扫描隧道显微镜（STM）。这种显微镜比电子显微镜更激进，它完全失去了传统显微镜的概念。 左：普通光学显微镜下蚊子头部（放大200倍）右：电子显微镜下蚊子头部纤毛上的病毒（放大35000倍） 在电子显微镜下放大30000倍的细菌图像 红外显微镜                   扫描式隧道显微镜原理图 隧道扫描显微镜没有镜头，它使用一根探针。探针和物体之间加上电压。如果探针距离物体表面很近——大约在纳米级的距离上——隧道效应就会起作用。电子会穿过物体与探针之间的空隙，形成一股微弱的电流。如果探针与物体的距离发生变化，这股电流也会相应的改变。这样，通过测量电流我们就能知道物体表面的形状，分辨率可以达到单个原子的级别。 扫描式电子显微镜下放大5000倍的葡萄球菌       因为这项奇妙的发明，Binnig和Rohrer获得了1986年的诺贝尔物理学奖。这一年还有一个人分享了诺贝尔物理学奖，那就是电子显微镜的发明者Ruska。 1986年的诺贝尔物理学奖获得者（自左至右Ernst Ruska，Gerd Binnig和Heinrich Rohrer） 人们闯入了一个崭新的天地，开创了新的生命科学分支，而这一切全都是由于一项新的技术——显微技术的发明。 扫描隧道显微镜下的由单个原子排成的环 扫描隧道显微镜下的由单个原子构成的“IBM”字样       美国研制出的能够看见原子的电子显微镜 扫描电子显微镜（SEM） 国产大气扫描隧道显微镜 低温扫描隧道显微镜 超高压透射电子显微镜 电子显微镜下的原子世界             人类视觉的延伸 (三）——电影、电视 ——人类的视觉跨越了时空的界限   1826年，法国发明家尼埃普斯拍出了世界上第一张永久性照片，他用一架照相机，从窗口把景物拍摄在锡和铅的合金片上，感光是一种感光后能变硬的沥青，那张照片共曝光8小时。自此以后，人类的所见不再只留存于记忆之中，照片上真实的光影让人类的视觉跨越了时空回到过去。 法国发明家尼埃普斯 尼埃普斯发明的照相机 尼埃普斯拍摄的世界第一张永久性照片           此后的几十年的时间里，随着镜头制作工艺的发展，光化学的进步，特别是1888年美国柯达公司生产出了新型感光材料——柔软、可卷绕的“胶卷”，照像机的发展进入了相当成熟的阶段，并且在此基础上，美国的发明家爱迪生于19世纪末发明了著名的“电影视镜”。并以此为起点拉动了电影技术的诞生与发展。 美国柯达公司创始人乔治-伊斯曼（George Eastman） 旧式可携式木箱照相机 美国发明家爱迪生 爱迪生发明的电影视镜在展出             首先是法国人路易·卢米埃尔和他哥哥受到电影视镜的启发，先后研制成功了一种可以连续摄影的连续摄影机，和一种可以连续放映的“活动电影机”，即电影放映机。并于1895年12月28日下午，在巴黎卡普辛路14号大咖啡馆的地下室放映了他们自已拍摄的《卢米埃尔的工厂大门》、《墙》、《婴孩的午餐》、《水浇园丁》、《火车进站》等影片。当观众看到活动的人物景象逼真地在眼前出现时，一个个目瞪口呆，惊奇不已。当银幕上下雨时，观众中便有人赶紧把雨伞打开，当银幕上出现火车呼啸冲来的镜头时，观众便惊恐万分，甚至有人吓得大叫，想要逃走。就这样，人类的视觉第一次由一种叫做“电影”的神奇的东西牵引着延伸到了某天、某处、某个真实的场景中。 发明连续摄影机和活动电影机的卢米埃尔 卢米埃尔拍摄的电影《火车进站》剧照 几种早期的电影机（左面两图为卢米埃尔电影放映机）           接着是引起越来越多的人关注的电影得到了迅速的发展，很多非常有才华的人投身其中，美国人大卫.格利菲斯就是其中杰出的一位。他凭借自己独到的艺术天分改编了汤姆斯•狄克逊的小说《同族人》，并把它拍成了一部叫做《一个国家的诞生》的美国电影史上绝无仅有的空前大戏，获得了商业上的巨大成功：观众达到一亿人次，上映时间延续到十五年之久，其中浩大的战争场面，至今仍然为许多相关题材的电影所借鉴。这样，人类的视觉就随着银幕上变幻的光影，冲破了现实的束缚延伸到了文学作品所创造的艺术殿堂。 再后来就是电影作为一门独特的艺术形式受到全世界人们的喜爱和支持，从而在各个国家也得到了全方位的发展，今天的电影甚至超越了人类视觉感知的极限，亦真亦幻，让漆黑影院中的您，仿佛置身于莫测的时空中，时而激动地发抖，时而却伤心落泪。 《一个国家的诞生》剧照         如果说电影的成功是在于它出色的艺术渲染，那么电视的普及则是更多地依赖它的真实再现。“让眼睛插上翅膀”这是人类千百年来的梦想，为了实现这个梦想无数的科学家殚精竭虑，有线电报、无线电报、无线广播、机械电视、电子电视、电视台、彩色电视……回顾人类所走过的足迹不难发现，人类发明电视的目的就是想让眼睛穿越万水千山看到真实的正在发生的事。如今，通过清晰的电视画面，我们的眼睛已经可以尽情地遨游，去欧洲的球场、去联合国的会议厅、去晚会的现场、去名山大川，甚至去火星红棕色的地面。特别是近年来逐渐兴起的数字电视技术，彻底改变了电视作为常规媒体被动接受信息的地位，更是极大地解放了我们的眼睛。它不仅可以提供优质的电视图像，而且还可以提供更多的视频服务，比如：交互电视、远程教育、会议电视、电视商务、影视点播等。伴随着电视广播的全面数字化，传统的电视媒体将在技术、功能上逐步与信息、通信领域的其它手段相互融合，从而形成全新的、庞大的数字电视产业。 为纪念电视的发明发行的邮票 约翰·洛吉·贝尔德和他的机械电视系统 约翰·洛吉·贝尔德的机械电视（1930年） 费罗·T·法恩斯沃斯和他发明的电子电视 GE-Model-90-12英寸电子管电视机,1941年             另外，电视技术与计算机及互联网技术的充分融合极大的丰富了网络媒体的内涵，如今人们通过上网不仅可以浏览网页、阅读文章，还可以听音乐、听广播、点播电影、收看电视，甚至还可以进行视频聊天、视频会议，做到实时的、双向或多向的互动与沟通。 1958年9月2日我国电视第一次播出时的画面         电视转播 非典时期召开的网络视频会议 网络视频电话