现代精密设备在制造中基本不允许有任何误差，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。

哈勃望远镜就是一个典型例子。由于微乎其微的、只有人类头发直径1/50大的误差，这个花费20亿美元、消耗无数工作人员20年宝贵时间的空间望远镜，传回来的照片一片模糊，像极了在俄亥俄州某个烟雾弥漫的后院，一个天文爱好者用8英寸天文望远镜拍摄出来的水平。

2009年5月18日，“亚特兰蒂斯”号航天飞机的两名宇航员进行第五次太空行走为哈勃太空望远镜进行维护工作。

【资料图】

但哈勃望远镜最终被修好，这源于一名工程师洗澡时的奇思妙想。此后，哈勃望远镜将众多宏伟壮丽的宇宙图景传回地球，成为“NASA最伟大的空间望远镜”。

今天，我们来讲述一下哈勃望远镜离谱的误差，以及它如何获得新生。

作者| 西蒙·温切斯特

译者 | 曲博文 孙亚南

编辑 | 谢芳 瞭望智库

本文为瞭望智库书摘，摘编自《追求精确》（湛庐文化2023年5月出品），原标题为《透过清晰的望远镜望向远方》，原文有删减，不代表瞭望智库观点。

1

一场始料未及的噩梦

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。3周后，一场始料未及的噩梦开始了。

5月20日，所有人都确信它已经逐步适应了太空环境的温度，随后NASA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。

哈勃空间望远镜。

哈勃望远镜正式开工了，来自百万颗恒星的光线涌入其镜头之中，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。天文学家埃里克·蔡森（Eric Chaisson）仔细观察了这些图像，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。随后，韦勒接到一个电话，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，第一张照片看起来非常清晰，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。残酷的事实是，没有一张照片配得上“有价值”这一评价。

6月27日，也就是发射哈勃望远镜两个月后，媒体才获知这个可怕的消息。NASA的官员们身着工作服，满脸愁容，在台下飞速地做着笔记的记者，每一个人手里都拿着一张模糊的深空照片。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，一个天文爱好者用8英寸天文望远镜拍摄出来的水平。

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。

误差小得微乎其微，只有人类头发直径的1/50那么多，但也足以对光学成像效果造成破坏，使得哈勃望远镜几乎所有的观测都变成了毫无价值的“浆糊”。要知道，这一项目是欧洲航天局和NASA的一次联合风险投资，美国和欧洲以及其他参与方投入近20亿美元，消耗了无数工作人员20年宝贵的时间。

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。

随后，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，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。

2

低价竞标背后

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90分钟车程。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，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。这家公司在其专注领域里，各项工作都以精确著称，但对于具体细节很少披露。

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。

【注：NASA不确定该公司能否以7000万美元的价格完成这项工作，但同意该公司以低于柯达3500万美元的价格进行投标，它还向珀金埃尔默公司表示，可以稍后从国会获得一些额外资金。然而，国会对是否拨付额外的资金犹豫不决，珀金埃尔默公司不得不尝试用他们已拿到手的那点经费来制作反射镜。】

珀金埃尔默公司即将加工的巨大玻璃坯是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。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，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定型，工人们小心地用卡车将这个巨大的玻璃物体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。

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。

哈勃望远镜的主反射镜。图源：《追求精确》

然而，工人们偶尔也会犯错误，更确切地说，他们给机器下达了错误指令，机器按照指令把这些错误变成了更大的问题。

一天，丹伯里市加工设施里的一位工程师原本应在系统中录入0.1，结果却把数字1.0输入了终端，接到指令的机器毫不犹豫地凿了下去，而工程师只得惊恐地看着磨具开始在玻璃侧面凿出一个沟槽来。幸运的是，有一个检查技师站在旁边，手里握着一个紧急终止开关。他第一时间注意到了刚刚出现的凿痕，并立即停止了打磨加工，但是玻璃上凿下的缺损从未被完全修复。这个缺损已经被打磨到了一定的程度，并留下了适度的标识，只要让天文学家知晓这个缺损，那么操作望远镜时便可以针对性地采取应对措施。

3

最致命的错误

最致命的错误是在实验室里犯下的。镜面的平整程度和表面的弧度是严格按照要求一丝不苟地打磨出来的，可惜对镜面进行测量的参照物是错误的。丹伯里市加工设施的工作人员使用的测量工具是一种类似于直尺的仪器，它被以为只有1英尺（12英寸）长，但实际上有13英寸长。

工程师用来测量反射镜镜面的工具是造价上百万美元的专业测量装置——零校正器。它本质上是一种干涉仪，如果设置得当，能够协助镜面进行精确的测量，检测出回射光线微弱的差异。

零校正器。图源：《追求精确》

具体来说，零校正器内的两个反射镜中，靠下的那个反射镜与其底部透镜之间的距离是需要进行精确测量的，这是保证零校正器自身精确的关键，但在丹伯里市设施中的那台校正器中，这段距离却恰恰不精确，而不准确的发生，源于一个显而易见的错误。

为了设置零校正器下反射镜和底部透镜之间的距离，需要1根长度精确的金属棒，因此要先制作、测量并切割3根这样的金属棒（2根作为备件），这些金属棒由热膨胀系数非常低的殷瓦合金制成。然后将其中一根金属棒安装在零校正器内，并且用激光来校验距离。一名技术人员使用特制的显微镜和激光干涉仪，把透镜调整到合适的距离上，使之最终可以正常地发挥功效。为了让这项工作更具有可操作性，技术人员在金属棒的顶部安装了一个特殊的导向盖，盖上有一个与激光束大小相同的孔，便于指示激光器应该瞄准的位置，辅助技术人员用激光准确命中金属棒的一端。

为了避免误导技术人员，导向盖上覆盖了一层阻止激光反射聚焦的涂层，以确保激光无法聚焦在导向盖上。结果，导向盖上的涂层已经磨损了，虽然只是一小部分，但还是成功导致了激光聚焦，并反射了回来，所以技术人员测量的长度不仅仅是金属棒的长度，还涵盖了导向盖这一部分的长度，而导向盖的表面，正好比金属棒的顶端高出1.3毫米，激光干涉仪测量出来的距离就此毫无准确度可言了。

原本透镜应该安装在与激光器相对应的位置上，而现在固定镜头用的支架突然多出了1.3毫米。为了让干涉仪正常工作就需要把这个支架降低1.3毫米，而因为工期的缘故，没有时间再定制一个新的支架了。

技术人员很快就有了解决问题的办法。他们找来3个家用垫圈，用锤子把它们砸平，做成一个1.3毫米高的小夹层，垫在镜头的上方，这样就把透镜相对降低了1.3毫米，组件之间的相对位置恢复了正常。

技术人员把这台零校正器放在望远镜镜子上方的位置，并利用这台电子设备精密的特性，让工程师对反射镜进行了多次测量，最终使哈勃望远镜的主镜在尺寸、形状和配置上，完全符合了NASA的要求。但事实上，他们参照的是一个有严重缺陷的零校正器。

NASA之所以能在调查中发现这个问题并查明原因，正是因为珀金埃尔默公司把这台失准的零校正器原封不动地留在了实验室里，并且实验室也在后续的近10年中没有发生什么变化，保持了当年对镜子进行最终测量时的样子。

这台失准了的校正器自然也导致了严重的后果：由于校准时金属杆顶部的微小误差，零校正器在后续使用中，在校准主反射镜形状的时候产生了误差，使得主反射镜的边缘部分比理想状态中更加平滑了一点，尽管这一点只有2.2微米那么多，这就是广为流传的“导致哈勃望远镜失准的，是一个只有人头发丝直径1/50的误差”这个说法的来源。

4

当工程师洗澡时，他在想什么

仅仅是因为矫正用的金属棒的盖子上少了一块油漆，加上一群饱受精密加工的折磨却又粗心大意的技术人员，再加上因预算拮据而想方设法省钱的管理人员……这一系列因素最终导致了恶果。

哈勃望远镜必须修理，从理论上讲，通过加装起到矫正作用的附加光学系统，应该能解决主要问题，但如何把矫正设备放进去呢？即便NASA最苗条的宇航员，也无法进入主反射镜的管道中。

一名叫吉姆·克罗克（Jim Grocker）的工程师在洗澡时，想到了办法。当时，克罗克是哈勃望远镜项目中的一名高级光学工程师。当得知哈勃望远镜出现严重问题时，他赶赴德国，参加欧洲航天局主办的研讨会。

会议结束后，克罗克洗了个澡，他漫不经心地盯着一个常见的淋浴器上的部件看，那个部件因为镀了铬，在热气升腾的浴室中闪闪发光。随后，他又洗了一次澡，这次是为了观察部件的结构和原理。

淋浴喷头被固定在一根1英寸厚的垂直方向的金属杆上，金属杆上有一个可以滑动的夹钳，夹钳是用来固定喷头的，喷头本身可以随着夹钳升降并固定在特定位置上，以满足不同身高和需求的客人。此外，随着夹钳上下移动，淋浴头本身也可以上下左右进行旋转角度的调整，这样淋浴者就可以冲洗头部、肩膀以及身体其他地方。

“为什么我们不能在维修哈勃望远镜的时候也采用这样一个可以滑动和展开的支架呢？”克罗克设想把望远镜的校正光学元件装到这样一根杆子上，然后把这些元件折叠起来，当这些元件伸到正确的位置时，元件就会自动展开并发挥作用，就像淋浴头一样，从而完成修复工作。

哈勃望远镜携带了5个主要的仪器包，因此需要5个维修装置。每一个维修装置的功能都相同：远方的星光先入射到主反射镜上，然后反射到副反射镜上，此时光束将会穿过主反射镜的镜孔，并在主反射镜后面成像，但由于主反射镜存在瑕疵，主反射镜后面承接星光的科学仪器的位置便不再理想，出现了类似于近视眼的情况，此时矫正装置会干预从副反射镜反射回来的光线，使科学仪器承接的星光重新变得清晰，就像佩戴了一副隐形眼镜。经过这样的调整，再重新配置驱动程序、更新科学仪器算法，重新聚焦，进入哈勃探测器的各种来自远方的星光成的像，就会像反射镜从来没有出过问题一样，完美而清晰。

克罗克的方案似乎简单实用，大家迅速投入维修装置的设计制造工作之中，这个装置被命名为COSTAR，全称“空间望远镜轴向光学矫偿套件”。之所以称之为“轴向”，是因为这个部件正好部署在主反射镜后面，作用于在望远镜轴线方向上传播的光束。从基本属性的角度来讲，这个光学套件的规格与哈勃望远镜上已经配备的部分仪器完全相同，因此，原有的4个轴向探测器中最不重要的一个——高速光度计就必须被卸下来，给矫正套件腾位置。

这套补偿系统一共有10面矫正镜——只有10美分硬币到25美分硬币的大小，不过镜子的展开方式不像淋浴头那样单向向外旋转。真正投入维修使用的支架是一个塔形的装置，而矫正镜就在“塔”尖上，从塔尖向外辐射，水平方向相对位置的误差必须控制到至少百万分之一米的程度，以便能够正确承接哈勃望远镜从现有的两个反射镜传导而来的光线。

还有一个问题，哈勃望远镜携带的部分科学仪器正被计划更新的设备取代，这些仪器要么是因为自身问题出现了故障，要么是被主反射镜相关的问题拖累了，比如一台耗资巨大的广域行星相机，它在哈勃望远镜的弯曲面以开槽的方式插入望远镜主体之内。在计划中的5次用航天飞船进行的维修作业中，天文学家一直在考虑用一个改进过的广域相机来替换上一代。时机来了，哈勃望远镜的工程师团队可以借助这次任务同时执行两个至关重要的部件更换：用空间望远镜轴线光学矫偿套件替换高速光度计，并安装替换新的广域相机内置光学矫正装置，以补偿主镜中的误差。

现在所需要做的一切，就是让宇航员到太空中对哈勃望远镜进行修理。如果维修任务按计划进行，一切问题都将迎刃而解，如果维修期间有人不小心碰到了不该碰到的设备，哪怕只是轻轻的一触，无论是碰到了光学矫偿套件，还是替换后的广域相机上的光学镜片，都会使哈勃望远镜再次失焦。

5

极限“太空行走”

奋进号航天飞机负责执行这次关键的维修任务，航天飞机小组将这次任务命名为STS-61，哈勃小组则将其命名为HSM-1，这是哈勃望远镜第一次维护任务的缩写。

1993年12月2日，奋进号带着解决方案和专业设备（其中包括大约200个为这次任务特别定制的工具），在佛罗里达州黎明前温暖的黑夜中顺利升空。经过充足的准备，这次维修之旅注定要把这台“在太空的永夜中瑟瑟发抖的、两眼昏花的”望远镜从噩梦中拯救出来，为其在地球附近的轨道上持续44个月毫无意义的漂泊画上句号。

广域相机和光学矫偿套件就在航天飞机的货舱里，为了进行必要的修复，维修计划把“太空行走”的时间长度加到了极限。获准进行出舱维修的宇航员很清楚地知道，哈勃望远镜上安装了31个脚限位器和60米长的舱外扶手，航天员也带来了自己的固定锁扣，以及无数的系绳，以确保没有工作人员或是设备落入无尽的太空之中。

【注：“太空行走”指的是太空舱外活动，NASA至今仍用“太空行走”来称呼舱外活动。】

在奋进号执行任务的第三天，宇航员们用性能强大的双筒望远镜发现了哈勃望远镜，并在距离其18米远的时候，伸出了由加拿大生产的机械臂，抓住了13吨重的哈勃望远镜（在太空之中，哈勃望远镜几乎没有重量），慢慢地把它拖进了航天飞机巨大的货舱之中。

随后，7名机组人员开始了一系列“太空行走”，以执行维修任务分配给每一名宇航员的具体工作。1号舱外作业包括更换3个（总共6个）出现故障的陀螺仪，这次舱外作业也有助于让维修团队适应他们所维修物体的大小和规模。他们已经为此训练了11个月，在训练水池中执行各种各样的模拟任务，以适应太空中失重的工作环境。

2号舱外作业的内容是让2名宇航员修复并更换望远镜中受损的太阳能电池板，据说正是损坏的太阳能电池板导致哈勃望远镜抖动。第二天，团队要先移除旧的广域行星相机，再换上新的。新的广域相机组件依靠精密加工，顺利滑入位置，每个部分都与它的前辈4年来一直运转的地方相匹配，连内部预留的一些弯弯绕绕的地方也都能做到严丝合缝地结合。

这次维修任务的高潮部分也没有出现任何重大问题：拆除了巨大的高速光度计，取而代之的是尺寸相同但用途完全不同的“空间望远镜轴向光学矫偿套件”。珀金埃尔默对自己的无能感到羞耻，这家公司没有参与建造这个新的矫正镜。来自科罗拉多州的波尔航空公司（前身是一家制造果酱保鲜罐的著名公司）赢得了NASA的垂青和信任，并签署了合同。波尔公司做得很好，所有的测量都很精确，所有的适配都很有代表性，所有的公差也都符合要求。安装新的光学组件只花了不到1小时，在全流程中简直不值一提。

最后，工作人员花了1天的时间对哈勃望远镜进行最后的微调和测试，并对其外壳进行修饰，这样它就可以再次投入工作了。

在对哈勃望远镜进行最后一次调试之后，奋进号宇航员打开了望远镜前面的顶盖，然后将机械臂连接到哈勃望远镜上，非常小心地将其从货舱中抬出来，“打开锁簧，松开缆绳！”现在，哈勃望远镜仍然以每小时约2.7千米的速度环绕在地球轨道上，但由于宇航员对其轨道进行了轻微的调整，现在的它运行更加稳定，继续着近乎永无止境的旅程。

6

最漫长的3秒钟

哈勃望远镜的修理进行得顺利吗？哈勃望远镜失灵的尴尬状况结束了吗？这一非凡的望远镜能否真正按预期实现科研价值呢？所有的目光都回到了地球表面NASA戈达德太空飞行中心的控制室里，那里的工作人员将继续负责望远镜的相关工作。更关键的是，在位于巴尔的摩的约翰斯·霍普金斯大学的太空望远镜科学研究所操作中心，天文学家将下载并解析新的图像，并由此很快得知哈勃望远镜及他们自己团队所处的境遇。

1990年，伴随着初夏的第一缕曙光，哈勃望远镜成功升空，为太空望远镜的远景带来了希望。到1993年12月18日，距离哈勃望远镜发射升空已经过了大约1300天，迎接第二道希望之光的却是冬日的夜晚。

在太空望远镜科学研究所的操作中心，一位天文学家命令哈勃望远镜内部微小的机载电机以旋转的方式让空间望远镜轴向光学矫偿套件内部的矫正镜伸展开来，并将这些矫正镜设置到精确预留的位置上，矫正镜随即开始修正哈勃望远镜内部的光束。天文学家还打开了广域相机的快门，而广域相机内部自带巧妙布置的光学校正器。此时，NASA戈达德太空飞行中心控制室内的众人满怀希望地把巨大的望远镜指向深空中可能会拍到丰富影像的区域。图像慢慢从显示器的顶部向底部展开。

爱德华·韦勒也在焦急地等待着，和房间里的其他人一样，眼睛紧盯着屏幕，接下来加载图像的3秒钟，是他一生中经历过的最漫长的3秒钟。

突然，房间里爆发出热烈的掌声，屏幕上的图像已经加载完成，在所有人面前展示了一个灿烂星海的生动场景，所有星星的聚焦都很合适。一颗星，一个像素，这说明清晰度已经达到了显示器的极限。正如先辈们希望的，哈勃望远镜为人类带来了在地球表面架设的任何光学望远镜都无法匹敌的精密影像。

这是因为，在地表，即使是在空气最稀薄的地方，大气依旧厚重。地表气流扰动较多，而且大气中有不少污染物，大气中的分子与从太空中传来的光线相互影响，使得地表的天文望远镜的成像扭曲得很厉害。而哈勃望远镜身处距离地表约640千米的高空，远在对流层、平流层和中间层之上，这里是被称为外大气层的地方，偶尔有氢分子飘过，没有空气，自然没有空气带来的图像畸变。

哈勃望远镜的故事仍在进行中。在第一次维修后，工程师们又对哈勃望远镜进行了4次太空维修工作，每次任务都为其带来技术上的升级，注入新的活力。在执行了一个又一个任务后，哈勃望远镜的公众形象逐步提升，成为大众心目中“勤恳工作的老黄牛”“NASA最伟大的空间望远镜”。现在，哈勃望远镜因其长期在轨的时间，成为太空中受人尊敬的长者，即使不再有新的太空维修，它依旧可以在太空中翱翔许久，有人预期它至少能飞到2030年，甚至能在2030年的基础上再续上10年。

诚然，这面8英尺高的望远镜算不上完美，但它捕捉到了无数的宇宙珍奇画面，将光年彼岸的美景生动地呈现在人们眼前，令科学家们和普通天文爱好者都啧啧称奇。

库叔荐书

湛庐文化

《追求精确》

精确，不仅从源头上“定义”了现代世界，更一步步“塑造”了现代世界。诸如今日火热的智能制造，便是由我们对精确的不断追求所构建起来的。本书是一部250年精密制造的沧桑巨变史、一部恢宏的机械交响史和一首激荡人心的智能制造交响曲，是关于人类不断逼近精确极限的创造史、创新史。