第4章 在更完美的世界边缘 公差0.0000001(10-7).6
我在大约14岁的时候，迷上了精密光学设备（精密光学设备通常意味着价格很高，因此我免不了向父母要钱），比如显微镜。买不起是常态，但通过经常光顾二手商店，向街上推着手推车的小贩打听情况，我最终也买到了一系列物美价廉的品牌货，包括内格雷蒂和赞布拉公司(Negretti and Zambra)、博士伦公司、卡尔蔡司公司等厂家生产的光学仪器，我将这些设备装在漂亮的木箱里，设备上还有可更换的目镜插槽和用来放置放大镜的插孔。
记得小时候，我们也经历过20世纪50年代版本的“像素攀比”，那时候我们这些年轻人都在攀比谁的光学镜片可以放大更多的倍数。不过，我们当年只是用放大镜观察池塘水样中的水蚤，或者在海水中寻找文昌鱼露出的银色尾巴。那时的我们既没有知识也没有设备去涉猎伽利略带给我们的天文世界，也没有涉猎列文虎克留给我们的细胞生物世界，因此对当时的我们而言，放大到300倍以上的镜片并没有什么更多的价值。在大家攀比显微镜放大倍数的时候，我宁愿吹嘘我的一些镜头可以放大1000倍，但实际上，这对我这个笨手笨脚的门外汉而言是没有用的。因为在这样的放大倍数下，无论我怎么调试，我尝试观察的物体都会瞬间晃过我的视野，就像火箭一般在我的眼前划过。学校显微镜俱乐部的一些青年成员声称在显微镜下看到了自己的精子，这在当时让我觉得既可疑又有点恶心，毕竟要看到精子这么小的东西，需要的是一个放大倍数大到难以置信的镜片。
然后我买了一台相机——布朗尼127，这台相机配备了塑料外壳的Dakon镜头，固定光圈f/14，焦距65毫米，固定快门速度1/50秒。我会把拍好的胶卷带到寄宿学校所在的多塞特集镇上的一家小药店里，药剂师用化学试剂冲印并放大这些黑白照片。每当我去洗照片的时候，药剂师都会鼓励我坚持自己的爱好，他认为我的作品还是有些亮点的，更有可能是想借此向我推销他店里新进的其他款式的小相机。我最终被他的奉承给成功说动了，从他那里买了一台适配35毫米胶卷的福伦达相机，这一决定让我多年来一直使用适配35毫米胶卷的相机，其中大多数都是由宾得、美能达、雅西卡、奥林巴斯、索尼、尼康和佳能这几家日本公司生产的。
后来，当我1989年在香港出差时，有一天，一位操着广东话的年轻推销员说服了我，他让我意识到，我真正需要的是一台低噪声、结构紧凑、坚固耐用、使用35毫米胶片的相机。这样的相机才适合我，因为它能适应我这种在异国他乡流浪的记者生活，并能应对难以预测的风险和挑战。这款产品就是徕卡M6。那个推销员说，这台相机配备了一款了不起的镜头（虽然当时我在这一领域孤陋寡闻，但是这款产品作为业界传奇，已经广为人知）。徕卡M6小黑匣功能强大，做工精致，机体非常轻盈，而且机芯响应迅速，这台相机的镜头更是一款由玻璃和铝合金结合而成的精致之作，它有个属于自己的名字，35毫米f/1.4 Summilux镜头。
那个小镜头陪伴了我20多年，与我一起从事报刊的撰稿工作。后来，我将这个镜头装在一个新的徕卡相机上，继续使用了一段时间。最后，我按照上司的建议，购买了那款镜头产品同系列的后继者——35毫米f/1.4 Summilux非球面镜头。这款新镜头采用了新的非球面镜头工艺，直到我撰写本书时，采用这项工艺的徕卡镜头依旧被认为是世界上最好的通用广角相机镜头，可以说是精密光学器材的典范。
徕卡，精密光学器材的典范
在光学超精密的世界里，有一些受到广泛认同的共识，其中一条就是，徕卡相机是当之无愧的摄影器材发展的里程碑。它长达一个世纪的发展始于1913年的那一刻。据说当时德国照相机设计家奥斯卡·巴纳克(Oskar Barnack)身患哮喘，为了适应自己的身体状况，他必须使用一台更轻便的相机，因此史上第一卷35毫米胶片横空出世，与之相伴而生的是有史以来第一部徕卡相机。这款最早的产品被称为乌尔徕卡(Ur-Leica)（见图7-1和图7-2），它创造性地配备了当时最优秀的透镜。这里不禁要说，光学技术发展的轨迹，在很大程度上与精密制造的进步之路相互重合，不过光学领域所研究的材料与大部分其他领域的精密制造不同，毕竟光学研究的材料大多数是透明的。
图7-1 徕卡系列的原型机——乌尔徕卡
注：这台原型机于1913年由恩斯特·莱茨(Ernst Leitz)公司的雇员奥斯卡·巴纳克打造。这台相机很轻便，视窗离快门很近，使用24×36毫米的胶片。
图7-2 士兵脖子上挂了两台徕卡III型相机
注：恩斯特·莱茨在纳粹统治时期曾想方设法地帮助他的大批犹太裔雇员离开德国。希特勒的军队曾大量使用他的公司生产的相机，照片里的士兵是第二次世界大战时期的德意志第三帝国海军士兵。
光学技术的突破早在一个世纪以前就开始了，而人类对光学的探索更可以回溯到上古时代。如果说人类对光明和黑暗的感知始于有意识地睁眼、眨眼或者闭眼，那么人类对光学现象的第一次探究可能就在人类文明诞生之后不久。人类对光学的探索始于研究阴影的性质、倒影的特性、彩虹的色彩、棍子在水潭中弯曲的异象，以及颜色的深浅和色调的性质；后来人类开始研究镜子的光学特性；再后来，人类开始烧制玻璃，观察闪烁的系外恒星和太阳系内行星反射出来的更稳定的星光；在此之后又有了对于肉眼的解剖学研究……这些对光学的探究早在3000年前的古文著作中就有了记载。公元前300年，欧几里得在其著作《光学》(Optics)一书中记载了很多相关内容。虽然在今天看来，《光学》这本书主要是一篇关于几何透视数学的论文，但是在书中，欧几里得提出了眼睛之所以能看见周遭的事物，是因为光在进入眼睛后会产生一种类似于以太的物质，这种物质被叫作“视觉火”。虽然欧几里得对于眼睛成像的理论有些荒谬，但是他的研究的确为5个世纪后托勒密的光学探索奠定了基础。这些都给天文学研究带来了一些客观且深刻的洞见，而当时通过观察折射和反射得出的先进理论，时至今日依然没有太大的变化。
当时医生在对眼球实施手术的过程中，已经发现眼球中有一种类似透镜的结构，这是一种透光镜(perspicillum)，它就固定在虹膜的旁边，可以放大眼前成的像。一位瑞士医生首先分离出了人眼中的晶状体，并用罗马人几个世纪以来常用的一个词perspicillum来命名它。perspicillum通常指的是罗马人给视力不佳的人使用的小玻璃片，用于改善视力。在后来的岁月里，perspicillum通常指的是用来近距离观察远处事物的望远镜，或者那种粗糙的特制小型玻璃片，主要用来调整肉眼观察近距离物体的焦距，以帮助人看清细小的文字，起到放大镜的作用。
据多个来源的记载，罗马皇帝尼禄是一个近视眼。据说尼禄在观看角斗比赛时，会通过一个弯曲到合适角度的翡翠来提升自己的观赛体验。而第一副真正的眼镜大约出现在13世纪的意大利，那一时期的绘画记载了这个形象。虽然当时的人们可能只是掌握了简单的镜片制造技术，但是对于那些需要镜片的人，以及对于希望观察遥远的未知世界的人来说，制造镜片的技术的确改变了他们的生活。
接着伽利略、开普勒和牛顿走上了历史的舞台，在能工巧匠的帮助下，光学理论变得越来越复杂，几何光学的精密计算取代了“视觉火”这一模糊的概念。随后在实践中，人们制造了单筒望远镜、双筒望远镜和显微镜。据说，本杰明·富兰克林在18世纪80年代早期发明了双焦镜片，这种镜片在眼镜的下半部更加凸出，便于看清近距离的物体，从而帮助阅读，而在金属隔片的上方则曲度相对较低，因此可以观察远距离的物体。当然，根据最新研究，人类可能在那半个世纪之前，就已经发明了双焦镜片。最后，随着人类逐步掌握了各种化学物质的知识，人们逐渐认识到部分化学物质的光敏特性，随后科学家、发明家尼塞福尔·涅普斯(Nicéphore Niépce)拍下了人类历史上的第一张照片，并为后世保留了一张适度曝光的照片。尽管在今天看来，这张照片跟它的名字一样平庸，照片名为《从勒格拉斯的窗户看到的风景》(A View from the Window at Le Gras)。
当年，拍照这件事可不是“咔嚓”一声这么简单。涅普斯使用了一个暗箱，在暗箱的背面安装了一块涂有薄薄沥青的白蜡板，他发现这种沥青在光照下会变硬，在镜头指向光线较少的地方时会变硬得比较慢，而在光线强烈的地方会变硬得比较快。另外，这种沥青还具有选择性可溶的特质，用薰衣草油和白汽油的混合物可以将其中较软的部分冲走。涅普斯意识到，坚硬的部分可能更耐洗涤，而较软的部分则很容易被冲走。所以，利用沥青这种对光和暗的化学反应，涅普斯拍摄了人类历史上第一张照片。
这是一张简陋的照片，上面是一片由石头砌成的屋顶露台，照片中央是一片树林，稍微向右一点，远处的地平线上有尖塔和模糊的山峦轮廓。这些远处的景物几乎无法辨认，但不可否认的是，这张简陋的照片呈现了一个模糊的图像，这也是由他那台原始的小相机真实呈现的影像。
这张照片拍摄于1826年的夏天，在法国中东部的一个名叫圣卢普·德·瓦雷讷(Saint-Loup-de-Varennes)的村庄（现在是全世界摄影师朝圣的地方），拍摄这张照片所需的曝光时间长达数小时，甚至数天。尽管这张照片有着一种奇异的虚幻美感，但它没有什么精确或准确可言。现在这张照片的原件存放在得克萨斯大学奥斯汀分校的一个保护严密的金库里，被供奉在一个巨大的玻璃容器中。
我们已经难以猜测在1826年那个闷热的夏日里，涅普斯在拍摄的时候到底使用了哪种镜头，这个镜头是由粗糙或精致的玻璃构成，还是由磨砂水晶加工而成，或者是由河床上偶然发现的一块抛光的琥珀加工而成的？所用镜头的具体材质我们只能假设，无法确定。但这个镜头肯定是牢牢固定在相机盒子里的，肯定是由一个单一结构构成的，而且肯定是一个完整而独立的透明实体，这块透镜很有可能是柠檬形的一块凸透镜。通过仔细检查这张照片我们就能发现，这张照片在拍摄过程中遭遇了早期摄影中所有的典型问题：难以聚焦，无法获得足够的曝光，而在边缘处以及其他光线更加充足的位置又出现了扭曲。这样的摄影技术当然谈不上精确，然而这件摄影作品确实是一件精心创作的作品，而摄影这种与现实带有鬼魅般相似的表现手法的诞生，预示着一种全新艺术形式的到来。
自从涅普斯的开创性工作以来，透镜设计师已经发现了一系列可能损坏摄影图像质量的技术问题，这些问题大部分时候都会叠加在一起，包括：色差、球差、渐晕、彗差、像散、场曲、焦外成像(bokeh)以及模糊圈这一最为人所知的问题。因此，专注于改进摄影技术的专家们前赴后继地进行试验和改良，生产出非常复杂的复合镜头，这些镜头逐步克服了上述所有的问题，同时又具有响应快速、手感轻盈、画面纯净、图像保真等优点，后世的相机镜头在制造的过程中力求让拍摄者尽可能拍摄出接近完美的图像。从1826年涅普斯拍摄出最早的摄影作品，到1960年徕卡第一个35毫米Summilux镜头的横空出世，摄影技术的先驱和工匠们经历了长达134年的历程，为光学技术的发展画下了一条光辉的轨迹：从简单记录影像到高精确度画面的雕琢；从历史上所有的照片都不可避免地有些模糊，到最近的一段时间，只要拍摄技术得当，拍摄设备正常，拍摄出来的照片都能详尽地记录当时的影像，即使这样的照片不一定有美感，但它们至少在法庭鉴定上是有用的。由于现在拍摄的照片的准确度，只要照片上体现了对应内容，那它们就能成为呈堂的图片证据，虽然其中关于案件的细节可能需要放大很多倍才能看清，但在优秀的像素保证下，这些照片仍然可成为法庭上有效力的呈堂证据。
这些影响摄影的因素的提升有赖于数学和材料科学的进步，并且这些因素有着同等重要性。例如，角度等数学概念就是影响摄影质量的重要因素，如折射角或色散角等，两者在很大程度上由镜头所使用的玻璃种类决定。镜头折射角反映了镜头折射光线的程度，而色散角则反映了镜头散射不同波长（即不同颜色）光线的角度和变化的程度。19世纪30年代末，早期的透镜设计师通过将两个不同材质的透镜打磨至完全吻合的方式，尽最大努力减少球差和色差（折射过多和色散过大，导致了很多常见的摄影问题），从而在改良的过程中创造了第一种多元件镜头。
在多元件镜头试制成功之后，其制作技术一直是制造精密镜头的主流工艺，这种工艺一开始非常原始，只是将两个镜头压在一起而已。在这些早期实例中，一个镜头由具有特定折射特性的玻璃制成，例如具有非常低折射率的“冕牌玻璃”；另一个镜头则由“火石玻璃”制成，火石玻璃的化学性质与冕牌玻璃不同，它的折射率很高，色散很低。把这两个镜头磨成相互嵌合的互补形状，然后把它们压住并固定在一起，你就得到了这种双合透镜。
漫反射的光线穿过双合透镜，此时更加明亮和清晰的像将会聚到相机后面的胶卷上，在这种聚焦方式下所成的像比以往单透镜镜头提供的那种整体模糊、边缘暗淡且画面上充满随机畸变的图像更清晰、更聚焦也更逼真。冕牌玻璃透镜滤掉了一部分成像问题，火石玻璃又滤掉了另一部分成像问题，只要两个透镜嵌合地非常完美，那么在光学意义上，这两个透镜就像一个整体一样，对光有一个统一的物理效应，并且两个部分会各自发挥作用，修补成像的质量。
从那以后，对各式各样的相机镜头进行改进便一直是高品质相机镜头设计和制造的努力方向。如今，光学工程的设计师们就像管弦乐队的指挥，将几小片形状精巧、具有不同化学成分和光学特性的玻璃拼接成各种组合，按照镜头预设的功能，来配置最和谐、最适宜的光学成像效果。镜头中透镜的几何结构有无数种排列组合，而在透镜的材料中添加稀土元素，更能提升透明材料的色散、吸收和折射能力。同时某些非玻璃材料（如锗、硒化锌、熔融石英等）针对某些特定种类、特定波长和特定强度的光，会展现出特别优异的性能。
镜头的作用是捕捉光线，并将其呈现给相机、摄影胶卷或它所携带的其他传感器。随着相机、胶卷和传感器的性能越来越高（能够支持更高的快门速度和更高的颗粒度，或者用数码相机的说法，相机能支持更高的像素），为了匹配更高性能的设备，相机对镜头的要求变得越来越苛刻，镜头内部的排列也变得越来越复杂。例如，用于拍摄人像的镜头采取一种特殊的镜头配置：早期的人像镜头采用的是一种由4个透镜元件组成的镜头，4个透镜原件两两组合在一起，而2个透镜元件的组合体之间依然夹着一些空气。对于拍摄风景的镜头来说，镜头当中透镜元件的组合就更加丰富了，镜头的种类更是多种多样、各显神通，例如广角镜头、特写镜头、远摄镜头、微距镜头、鱼眼镜头和变焦镜头等。事实上，在一些变焦镜头中，内置了多达16个透镜元件，其中一些透镜元件之间的距离是可调整的，另一些透镜元件的间距则是固定的，也有一些透镜元件是牢固地粘在一起的，甚至还有一些透镜原件之间的距离非常大。这些距离是经过精密测算的，配备了这样的透镜元件的镜头长度惊人，装上这种镜头的相机，操作起来困难重重，通常连镜头本体都需要额外的三脚架来支撑，而相机机身在庞大的镜头面前，宛如在镜头一端装的一个小挂件。
“徕卡”这个名字源于公司创始人恩斯特·莱茨的姓氏，1924年，该公司出产的相机打入了精密光学器材市场。1913年，第一台35毫米胶片相机的发明者奥斯卡·巴纳克打造了乌尔徕卡相机，其O系列相机于1925年公开上市销售（之所以中间会间隔12年，是因为第一次世界大战），但是巴纳克对早期镜头的质量并没有什么信心。O系列相机配备了一个镜头，这个镜头是由一位早已被当代人遗忘的光学天才麦克斯·别雷克(Max Berek)设计的。O系列相机的镜头由5个透镜元件组成（3个胶合在一起的元件和2个相对独立的元件），当有人把一堆8×10英寸的照片邮寄给巴纳克时，他吃惊地把这些照片扔在了地上，因为他不相信这些高质量的照片像别雷克对外宣传的那样，是从35毫米的底片当中扩出来的。
然而，这些照片确实是从底片中扩出来的，并在放大10倍后没有变得模糊。拍下这些照片的镜头就是50毫米的Elmar Anastigmat镜头，这款镜头至今依然在收藏品市场上流通。历经几代，这款镜头一直被视为经典，而在今天，它更是藏家手中的无价之宝。
经过多年的加工和改进，众多广受欢迎的镜头产品系列都与徕卡品牌联系在了一起：Elmax系列、Angulon系列、Noctilux系列、Summarex系列，以及数不清的Summicron和bijoux系列，还有3种镜头聚焦极快的（35毫米、50毫米和75毫米）Summilux系列。所有这些镜头，即使把光圈开到最大的f/1.4，依然可以保持清晰的成像。
对于徕卡公司生产的所有系列产品，即使是普通的徕卡相机及镜头，其品质标准都是无与伦比的。如今大多数相机制造商加工时的公差标准是1/1000英寸，佳能和尼康加工时的公差标准能达到1/1500英寸。徕卡的机身公差标准则可以控制在1/100毫米，即1/2500英寸，而对于镜头的公差管理则更为严格。经过计算，徕卡光学镜片的折射率公差为±0.0002%；分散系数（通常称为阿贝数）的测量值的公差为±0.2%，而行业公认的国际标准公差高达±0.8%。
通过对透镜进行机械抛光和研磨，使其加工公差控制在1/4λ点，即约控制到可见光波长的1/4，也就是说，透镜表面的加工公差要达到500纳米，即0.0005毫米。由于非球面透镜可以显著降低宽孔径出现球面像差的可能性，因此对玻璃表面的加工只需要达到0.03微米，即0.00003毫米即可。
我现在恰好又拥有了徕卡镜头的后续产品——经典的35毫米f/1.4 Summilux。这款体积并不算大的镜头功能强大，具备了上述所有优点，而且我最新的镜头现在配备了一个非球面镜头组件。要知道在最近的一次非球面FLE的产品迭代中，新版本镜头中的9个透镜元件里，有4个固定元件是可以一起进行微调的，它们是最接近相机本体的元件。通过在镜头中调节这4个透镜元件，这个镜头为我拍摄出了令人难忘的佳作。它可能是有史以来最好的广角光学玻璃仪器，使用它的人都交口称赞。
一个这样的镜头（它只有10盎司重，因为构成镜头的成分不过是铝、玻璃和空气），基本就是现代最精密的耐用型消费品了，但还有一个比它更精密的产品，那就是智能手机。智能手机这个特殊的手持设备（我将在后面的章节中讲述）是一个依靠精密机械加工把各个组件拼合在一起的坚实组合体，组成智能手机的部分元件在生产过程中遵循最严格的公差标准。然而从本质上讲，智能手机也是由大量的精密电子元件组成的，而且智能手机中并没有任何干扰手机运行的活动元件存在。使智能手机飞速运转的集成电路，以及使其他大大小小的电子设备运转起来的电路的加工和生产，深刻地影响着当下人们的生活。这些加工和生产技术将精密加工和精密制造的概念带入了一个全新的领域，相关内容将在后续章节进行详述。
哈勃望远镜的噩梦
当机械加工所需的精确度达到如此高的水平后，有时就会出现一些小纰漏，但即使是很小的纰漏也可能会导致严重的后果。这些小的纰漏会累积、叠加并结合在一起，成为重大的隐患，最终可能演变成设计师从未设想过的问题。
例如在2009年，诺丁汉郡哈克纳尔的工人们在加工用于润滑喷气式发动机涡轮部分的微小金属管时，出现了严重的失误。他们从未想到，一年后，他们的一次失误会引发高空客机上的火灾，发动机在火灾中自燃，而这台发动机所在的客机，那时正飞行在印度尼西亚上空1.6千米的高空中，这让大约470名乘客的生命危在旦夕。
现代精密设备在制造中基本上不允许有任何误差，但只要人类仍然在参与精密设备的制造，人类的失误就免不了会蔓延到这个过程中去。最近一个典型的例子就是，由于人类活动导致了不精确的问题，这个问题进而导致了整个组件出现偏差，而悲剧的是，这个组件恰好又是一个为精确而生，且部署在无人之境的复杂系统的一部分。这个例子就是哈勃望远镜（见图7-3），虽然一开始的确出现了很多问题，但是哈勃望远镜最后依旧取得了巨大的成果。
图7-3 哈勃望远镜
注：哈勃望远镜于1990年4月24日发射升空，并被送入距地球表面约611千米高的轨道。在发现其反射镜有缺陷后，宇航员于1993年12月在太空中对其进行了维修。此后，哈勃望远镜的表现几近完美，发回了无数张迷人的星际空间图像。
NASA天体物理学家、望远镜项目资深科学家马里奥·利维奥(Mario Livio)这样说道：“如果你让任何人说出一个剧作家的名字，那么大多数人都会说莎士比亚；如果让这个人说出一个科学家的名字，那么他大概率会说爱因斯坦；如果你让他说出一台望远镜的名字，那么他一定会说哈勃望远镜。”
不可否认，如果让欧洲的一些人说出一台望远镜的名字，那么他们可能说出的名字是赫歇尔天文望远镜。今天几乎没有人能否认赫歇尔家族对天文学所做出的贡献，尤其是这个家族对天文望远镜的发展与使用做出的突出贡献。这个家族往上三代是军乐团的双簧管演奏家，祖上是来自德国的园丁，而在天文学领域取得重大成就的那一代人，他们因为政治变故从德国来到英国定居，而赫歇尔大部分的成就是在抵达英国之后取得的。
赫歇尔家族中，威廉·赫歇尔(William Herschel)和卡罗琳·赫歇尔(Caroline Herschel)这对兄妹在家族中最先取得成就。威廉于1781年发现了天王星；卡罗琳是西方近代史上第一位女性天文学家，而直到取得成就的时候，她都是一个没受过太多系统教育的家政工作者。然而，她帮助哥哥发现了20多颗彗星和大约2500个星云。这对兄妹曾经通宵达旦地打磨、抛光透镜和反光镜，并努力使这些光学观测仪器达到18世纪中期天文望远镜可以达到的最高精确度。这个故事至今仍在天文学的编年史中占据了令人印象深刻的一页。威廉的儿子约翰·赫歇尔(John Herschel)也是一位备受尊崇的科学家，他不仅精通数学，而且在天文探索方面更是独占鳌头。他去世时被安葬在威斯敏斯特大教堂，与牛顿爵士享受一样的礼遇（普通人至今可能依然会得益于当年约翰·赫歇尔对照相机产生的兴趣，因为正是约翰创造了“正片”“底片”“快照”“摄影师”等术语）。约翰的第五个孩子（一共12个），也是他的第二个儿子，名叫亚历山大，也是一名出众的天文学家，后来成为一名教授，同时也是英国皇家学会的成员，是陨石研究方面的权威人物。
哈勃望远镜之所以在公众之中具有很大的影响力，部分原因是近年来哈勃望远镜将众多宏伟壮丽的宇宙图景传回了地球。不过，对于我们这些参与其中的人来说，是因为哈勃望远镜时常出现各种故障，但恰巧是这个原因形成了“哈勃望远镜虽然有个糟糕的开端，但最终成就了诸多辉煌”的故事，而正是这样的故事，带给世人一种类似于凤凰于灰烬中浴火重生的印象，哈勃望远镜的故事也因此越发脍炙人口了。
1990年4月24日，哈勃望远镜被轻轻地送入了距地球表面约611千米的轨道。哈勃望远镜得名于美国伟大的天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)，他是第一个提出宇宙可能正在膨胀的天文学家，他的研究对象是银河系之外的宇宙，因此世人以他的名字命名了这台望远镜。当哈勃望远镜入轨时，哈勃已经逝世了近40年。从开始计划和筹备建设这台太空望远镜，再到发射，期间经历了20多年的时间。哈勃望远镜本质上是为了进一步研究遥远的恒星、星系、星云和黑洞。因此这个装置与其说是对哈勃的纪念，不如说是对他工作的延续。
现在，“发现号”航天飞船把哈勃望远镜送上了太空，并顺利地把它放在了远离强烈的地磁场和重力拖拽的地方，一个不受地球大气层的折射和污染干扰的地方。这次任务是发现号航天飞船的第七次飞行，它只是一个短期的任务，为期5天，主要任务就是把哈勃望远镜送到轨道上，然后返回。这次任务被命名为STS-31，尽管编号是31，但实际上这是NASA的5个可重复使用的空间运输系统（航天飞船）的第35次飞行任务，只是到了这次发射时，美国可用的航天飞船数量已经减少到了4个。
正是因为这个可怕的“5-1=4”，在佛罗里达州发射场里观看航天飞船发射的人纵使沐浴着令人倍感惬意的春日暖阳，也依旧比平日更加紧张。4年前，发现号的姊妹飞船“挑战者号”在起飞74秒后发生爆炸，飞船上的所有成员顷刻间化为灰烬。经过三年的纪念、调查、反思和改进，NASA决定让发现号作为挑战者号事故后首次飞行的航天飞船。发现号在1988年9月执行了一次任务，在任务过程中它进行了一系列重大的科学实验，而这次任务的目的就是重塑民众对航天飞船的信心。当航天飞船在佛罗里达州发射成功时，美国举国上下都松了一口气，随后的4天里，发现号围绕着地球翱翔，然后在加利福尼亚州完美着陆，这次太空飞行一切顺利。
1989年3月和11月，发现号又进行了两次飞行任务，那之后NASA基本确信，导致挑战者号坠毁的问题（在冬天发射时，橡胶密封圈在冰点以下的环境中变得僵硬，导致密封不充分，因而发生固体火箭助推燃料泄漏，引发飞船爆炸）已经解决。尽管如此，STS-31依旧是一项成本极高的任务：洛克希德·马丁公司制造的望远镜及旗下的珀金埃尔默公司生产的光学系统，正安全地停在货舱里，哈勃望远镜的项目到此时已经花费了大约18亿美元。在发射前夕，令人焦虑的情绪随之而来，而即使在成功发射后，这种焦虑也几乎没有减轻。事实上，直到第二天，机组人员使用发现号上背负的、由加拿大制造的机械臂，将公交车大小的望远镜抬出货舱时，相关人员的压力也一直没有减轻。随后望远镜展开太阳能电池板、部署遥测系统和无线电天线，然后让各个系统按计划启动，才终于让NASA发射的第一个太空天文台在轨道空间中顺利运转起来。
哈勃望远镜在建造过程中占地巨大，其占据的空间相当于一座5层小楼，但在浩瀚的空间中漂浮时，哈勃望远镜却显得格外渺小。也许哈勃望远镜本身并不好看，其外表看着有些呆板，就像是因为懵懂而显得呆头呆脑的青少年，如同一个曾经胖乎乎的、穿着银色夹克的男孩，突然间长高了很多，然后一下子飘了起来，而他的母亲又买不起新衣服给他穿，只能让他穿着浑身是褶的、不合身的旧衣服，而他自己也对新造型感到不适。此外，望远镜需要先打开一端的顶盖，才能将光线引入其主镜筒，而哈勃望远镜主镜筒的顶盖看起来也很别扭，就像厨房垃圾桶的桶盖，以至于你会期待底部有个脚踏式开关，通过踩着踏板，垃圾桶的盖子能一直保持打开的状态。然而哈勃望远镜上并没有脚踏板，只有太阳能电池板，这些方形的太阳能电池板能够随着温度的变化展开或收起，而温度则取决于望远镜的姿态和位置。
也许哈勃望远镜在外形上有些欠缺，但它的建造者和服务对象——NASA知道它是一个非常强大的工具。从另一个角度讲，哈勃望远镜又是一个非常简单的望远镜，采用的是“卡塞格林式反射望远镜”结构，任何在自家后院里研究天文的业余爱好者都知道这个结构，它有一对相互面对的反射镜，主镜收集光线，反射到较小的次镜上，然后再反射回来，光线穿过主反射镜的中心孔后，在各种观测设备上成像。这些设备包括从紫外线波段到可见光波段，再到近红外线波段的各种对应波长的照相机、分光计和探测器。观测设备装在电话亭大小的盒子里，这些盒子紧紧地排列在主镜后面，把收集到的数据作为遥测信号传回地球。
卡塞格林式反射望远镜，采用了一种特殊的设计。该设计使用了特殊的镜面形状，即双曲线反射器，这种反射器专门用于降低图像中出现两种像差的概率，一种是类似于彗星轨迹的像差，被称为彗差；另一种是透镜边缘产生的误差，被称为球差。在哈勃望远镜于1990年4月进入太空后，发现号启动了制动推进器，脱离了哈勃望远镜的轨道，通过盘旋轨道返回地球，只留下哈勃望远镜安静而孤独地停留在深空之中。工作人员在设计哈勃望远镜时，连同它所有的光学扭曲和像差都准确地考虑到了，进而可能有效地预测和避免了这些问题，它似乎充满了带来天文大发现的潜力。
只不过6周后，一场始料未及的噩梦开始了。哈勃望远镜遇到的噩梦，并不是类似于挑战者号遭遇的那种，当时挑战者号在天寒地冻的环境下准备发射，而心急如焚的工程师们知道此时发射存在风险，拼命地试图取消这次飞行，但是在政治因素的影响下，悲剧还是发生了。然而哈勃望远镜遇到的情况则是，一切都是如此顺利，几乎每个人都进入了一种沾沾自喜的状态，而这种气氛又滋生出了狂妄自大。
一切都在按照计划进行。5月20日，望远镜抵达轨道3周后，所有人都确信它已经逐步适应了太空环境的温度，随后任务控制中心发出了一个指令，要求哈勃望远镜打开光学系统的顶盖。
哈勃望远镜现在正式开工了，此时来自百万颗恒星的光线涌入了哈勃望远镜的镜头之中，后人就拿“第一束光”这个名字来纪念这一时刻。光线先是涌入望远镜的筒中，从那里，光线先到达主镜，再反射一个来回，最终这些光学信号进入探测器，经过处理后，被传往地球上位于巴尔的摩的约翰斯·霍普金斯大学太空望远镜科学研究所，此时研究所里的天文研究人员正焦急地等待着数据。传输非常完美，数据像预期的那样源源不断地从深空传递回来。一位名叫埃里克·蔡森(Eric Chaisson)的天文学家仔细观察了这些图像，然后突然间，他有了一种很不好的感觉，用他自己的话说：“吓得我肠子都哆嗦了。”
哈勃望远镜一定出现了非常可怕的问题，它发回来的图片都很模糊。两周后，在约翰斯·霍普金斯大学48千米外的NASA戈达德太空飞行中心担任哈勃计划首席科学家的爱德华·韦勒(Edward Weiler)正沉浸在之前发射成功的喜悦中。但随后，韦勒接到了一个电话，在电话里，位于巴尔的摩科学研究所的同事告诉了他这个骇人听闻的消息。“尽管他们可能会试图解决这个问题，”这位听起来惊慌失措的科学家告诉韦勒，“但是从哈勃传回来的每一张照片都完全失焦了。”只有一个例外，就是第一张照片确实看起来非常清晰，这真是命运开了一个残酷的玩笑。
研究所的人连日来一直在努力解决这个问题，而且不敢对外通报这一信息，他们通过对副镜进行非常细微的移动来微调图像，艰难地尝试从主镜生成的画面中挑选出一幅清晰明快的图片。尽管控制室里的大多数天文学家都认为他们获得的图像质量与地面望远镜的图像质量类似甚至更胜一筹，但事实上这些图片确实没有达到哈勃望远镜应有的水平。残酷的事实是，没有一张照片配得上“有价值”这一评价。最终研究所里的每个人都感到非常失望，这些传回来的照片毫无价值，毫无用处。据说，人们将这次哈勃望远镜的任务认定为“重大失败”。
1990年6月27日，也就是发射哈勃望远镜两个月后，媒体才获知了这个可怕的消息。NASA的官员们身着工作服，满脸愁容（韦勒虽然是个乐观的人，但在那些日子里，他和其他人一样愁眉苦脸），坐成一排，尴尬地面对一群对哈勃望远镜的性能表示难以置信的记者。每一个在台下飞速地做着笔记的记者，手里都拿着一张模糊到堪称灾难的深空照片，这张照片给所有参加这场记者会的人留下了心理阴影。此次记者会的负责人反复强调，这些模糊的照片，确定都是哈勃望远镜拍摄出来的，这使很多人惊讶得几乎说不出话来。哈勃望远镜直径8英尺的主镜，虽然已经是当时能制造出的最精密的光学反射镜，但这个反射镜的边缘似乎磨得太平了。
虽然主镜的误差小得微乎其微，只有人类头发直径的1/50那么多，但这样微小的差距，也足以对光学成像效果造成破坏。这个小小的误差所造成的彗差和球差，使得哈勃望远镜几乎所有的观测都变成了毫无价值的“糨糊”，遥远的星系看起来异常厚实，边际是模糊的，就像是小型的棉花糖；远方的星辰在一片模糊之中，像是被粉扑印上去的；而远方的星云，就像微小的随机变色光斑。这样普通的天文照片，像极了在俄亥俄州某个烟雾弥漫的后院里，一个天文爱好者用8英寸天文望远镜拍摄出来的水平。要知道，这一项目是欧洲航天局和NASA的一次联合风险投资，而事实上，为了这样的天文影像，似乎没有必要让美国和欧洲以及其他参与方投入近20亿美元，消耗无数工作人员20年宝贵的青春来换取。
新闻发布后，新闻界的反响极不友好。许多人一致认为哈勃望远镜是一款堪比埃德塞尔轿车的产品（这款产品让福特公司亏损严重），也有人讽刺哈勃望远镜是由近视卡通人物马固先生设计的。许多报纸上的漫画家都调侃哈勃望远镜在太空中看到了柠檬，电视转播的节目里，主播讽刺NASA依靠哈勃望远镜似乎只发现了雪……哈勃望远镜的各种发现没有超过已知的宇宙知识，并不具有特别的意义。一位愤怒的马里兰州参议员说，NASA似乎在以“技术问题”的名义给一群不称职的技术官员骗预算。虽然哈勃望远镜出现的光学问题并不会杀死任何人，但这件事情给国家带来了难以想象的尴尬和羞辱，一些激进的政客们认为其带来的政治影响甚至堪比兴登堡号飞艇空难和西塔尼亚号的沉没。
事实上，对于国会中那些愤怒的议员而言（毕竟他们才是掌握着NASA钱袋子的人），这颗史上造价最高的民用卫星的性能真的非常糟糕，而且这颗卫星又出现了其他问题：太阳能电池板的故障使整个望远镜晃动和摆振，更加降低了哈勃望远镜获得重大科学发现的可能性，这样糟糕的预期使整个NASA处于危险之中。就在4年前，挑战者号因为NASA的无能而爆炸了，现在哈勃望远镜的问题更是雪上加霜。25000名NASA的雇员，以及成千上万家承包商和供应商的未来变得岌岌可危。
其实，这一切都归结于一家当时叫作珀金埃尔默的公司，该公司总部设在康涅狄格州丹伯里市，距纽约市有90分钟的车程。自20世纪60年代末以来，这家公司一直为一系列高度机密的间谍卫星提供地面反射镜和摄像头。这是科技“阴暗面”的一个经验丰富的主要玩家，它作为军工复合体的一部分，在神秘的阴影之中为满足美国军队的需求进行研究和制造。这家公司在其专注的领域里，各项工作都以精确著称，但对于具体细节很少披露。公司的驻地在丹伯里市郊外的一座小山上，在一座没有窗户的水泥建筑里，有许多抛光和研磨的机器。多年来，这些机器使陆军、海军和各种间谍机构能够从高处俯瞰世界各地的森林、田野、基地和建筑，而且在整个情报收集的过程中，地面上的任何人都感觉不到自己正在被人观察。
1975年，珀金埃尔默公司赢得了一份价值7000万美元的新合同，这其实是一个经过深思熟虑的低价竞标，这个竞标的项目是打造和抛光一个新望远镜的巨型主镜。珀金埃尔默公司即将加工的巨大的玻璃坯是1978年秋天从康宁玻璃厂运来的，从加工一开始，就厄运不断。一个质量控制检查员差点儿掉到玻璃上，幸亏一个机警的同事抓住了他的衬衫，才避免出现更大的麻烦。
后来，组成镜坯“夹心饼”的3个光学元件，在相互固定时出现了严重的纰漏：在加热过程中，3600摄氏度的炉温熔化了元件的内部结构，这可能会导致内部结构在抛光过程中开裂，因此，康宁的工人在三个月的时间里，不得不用酸性腐蚀剂和牙科工具将其中熔化的部分一点点地处理掉。
康宁公司从来没有做过这么具有挑战性的玻璃，珀金埃尔默公司也从来没有承接过如此苛刻的项目。NASA的合同要求由该公司打磨和抛光完成的熔融石英玻璃反光镜，需要在打磨和抛光的过程中磨掉至少200磅的材料，并将巨大的玻璃塑造成精确的凸面，其表面的光滑度是以前的产品从未达到过的。任何细节的偏差都不能超过百万分之一英寸。表面光滑的程度是如此的极致，如果反射镜有大西洋那么大，那么镜子上的任何一点都不会高于海平面3~4英寸，如果反射镜有美国那么大，那么它表面上的任何山丘或山谷都不会超过2.5英寸。
康宁公司一交付玻璃板，康涅狄格州威尔顿的珀金埃尔默公司的工厂就开始对其进行粗磨，然而，即使在镜面打磨的这段时间里，也发生了各种各样的延误，特别是所谓的“茶杯事件”。当时在玻璃内部发现了一处茶杯大小的一系列复杂裂纹，为了去除这些裂纹，工人们必须将对应的玻璃部分切除、扩孔，再熔化，这一复杂的过程堪比开颅手术。最后，在1980年5月工厂才终于完成这一工序，而完成这一工序本身，已经导致交付日期比预期晚了9个月。随着镜子的形状基本实现了定型，工人们将这个巨大的玻璃物体小心地用卡车运到丹伯里市郊外的一个秘密地点，而用来对其加工的设施时至今日仍是保密的，在这里，工厂开始对反射镜进行抛光。
后来，工人们将这件反光镜小心地放在一个由134枚钛钉组成的钉床上，以粗略模拟哈勃望远镜（见图7-4）最终运行的无重力环境，然后一个由计算机控制的旋转机械臂移到了反光镜上需要抛光的位置。机械臂上安装了一块抛光布垫，并在抛光时一点一点地在玻璃表面上涂抹研磨剂。在计算机的控制下，机械臂对其表面进行稳定的打磨、清洗、抛光和平整，每次抛光的时间大致在3天左右，日夜不停。执行抛光工序的操作员经常连续工作10个小时。经过3天的抛光之后，工人们会将镜面搬到实验室里去。然后，工人们会根据测试人员的测量结果，给计算机和机械臂下达新的抛光修正指令，类似于“在什么压力下，用什么研磨剂，打磨哪一部分，并打磨多长时间”，然后再在完全不同的压力下，用完全不同的研磨剂，打磨另一部分……每次的打磨时间大致相同，一般会在3天内完成，然后再进行测量，最后给计算机下达新的抛光指令，以此程序循环往复，周而复始。测试通常在夜间进行，以尽量降低白天卡车车队路过附近的7号公路时产生的振动对测量仪器的影响。同样，为了减少震动的影响，经理们甚至连空调都关闭了。在整个珀金埃尔默公司，所有人都非常谨慎地维护着本公司注重细节的商业形象。
