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天文館 收藏日月星辰的地方

來源﹕北京日報2020-02-10 10:38

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  歐洲南方天文臺超新星天文館正在進行的天象演出。

  蔡司Ⅰ型天象儀。

  蔡司Ⅱ型天象儀。

  德國漢堡天文館。

  歐洲南方天文臺超新星天文館。

  北京天文館舊館。

  北京天文館新館內部場景。

  “世界上可曾有這樣宏偉的劇場﹐它能把日月星辰包羅收藏﹖人間哪有這麼巨大的銀幕﹐它能輝映出宇宙的景象﹖”我國天文館事業的開創者﹑北京天文館的創始人之一李元先生曾經用詩一樣的語言讚美過天文館。這種20世紀初誕生於德國的科普場館﹐憑藉獨特魅力在全世界遍地開花。

  重現星空

  自古就有的夢想

  天空中星辰的遊走與變化﹐一直吸引著人類的目光。為了將星辰運轉的規律講解給普羅大眾﹐或是單純為了創造一種特別的景觀﹐人們很早就試圖採用一些裝置復現星空。據傳﹐古希臘的哲學家阿基米德曾經製造過一種展示行星運動的儀器﹐當羅馬征服希臘後﹐這架儀器還曾經被當作戰利品運往羅馬。直到現在﹐在科普展館中﹐仍然有一些類似的機械裝置﹐向參觀者展示著月相變化﹑四季更替等自然現象的原因。這些裝置雖然簡單直觀﹐但參觀者處在天體以外的視角﹐無法提供像在地球上仰望星空一樣的觀感體驗。

  18世紀﹐俄羅斯聖彼得堡一家博物館中展出的“戈托地球儀”﹐則提供了一種觀察星空的全新感覺。從外觀看﹐“戈托地球儀”除了擁有3.1米直徑的巨大個頭外﹐與一般的地球儀似乎沒有什麼差異。然而﹐設計者獨具匠心地在地球儀內部設置了幾個座椅。當觀眾在座椅上坐定後﹐在燭光的照耀下﹐能看到地球儀內部佈置的天體模型通過水力的驅動在地球儀內部遊走﹐仿佛星空被複製到了這個地球儀中。直到20世紀初﹐仍然有科普場館選擇這種裝置。1913年﹐芝加哥科學院博物館使用的類似功能的地球儀﹐直徑達到5米﹐總共能夠演示692顆星星的變化。

  這種特別的地球儀提供了由內而外看星星的視角﹐但其局限性依然是比較明顯的﹕受材料和機械技術的限制﹐這種裝置的尺寸不能無限地放大﹐一次容納的觀眾有限。同時﹐視覺效果上﹐距離真實星空仍然有一定的差距。

  1912年﹐瑞士巴塞爾的安代爾曼教授發現了一種演示天體運行的新方法。在他設計的儀器上﹐兩個代表行星的模型圍繞著儀器中心代表太陽的模型旋轉。在每顆行星上﹐都安裝了一個燈泡。當將某顆行星模型上的燈泡打開時﹐太陽和另一顆行星模型的影子就能被投射到牆壁上。隨著裝置的運行﹐影子的位置變化就反映了從燈泡所在的行星上觀測到的天體運動的規律。雖然這個裝置相當簡單﹐看起來本應是亮點的天體也變成了黑色的影子﹐但卻給天體運行的演示提供了新的思路。

  光學投影

  球形屏幕再現星空

  20世紀初﹐在西門子和倫琴等著名科學家的幫助和推動下﹐德國工程師馮‧米勒準備在德國慕尼黑市創建一所博物館。在建館過程中﹐馮‧米勒希望能夠安置一臺能夠真正重現星空與天象的設備﹐不但能顯示視運動相對簡單的恆星的位置變化﹐還能演示視運動比較複雜的行星的變化。這樣﹐參觀者們在博物館裡能夠更加直觀地認識和理解天文和宇宙方面的知識。一開始﹐米勒的想法仍然是修建一個類似于戈托地球儀的裝置﹐祗是直徑能夠達到六七米﹐從而能夠容下更多的觀眾。

  米勒將實現這一構想的希望﹐寄託在了德國的蔡司公司身上。喜愛攝影的讀者一定不會對蔡司的名字感到陌生﹐這個從家庭作坊起家的公司﹐是有名的光學系統制造商之一﹐其生產的望遠鏡﹑相機﹑鏡頭等產品享譽世界。當蔡司公司接手這個任務後﹐經過一番討論與思考﹐否定了地球儀式的機械裝置演示星體運行的方案﹐進而提出了使用光學儀器向屏幕投影﹐從而再現星空的想法。為了讓觀感更接近實際的星空﹐屏幕並非一般電影院所使用的垂直銀幕﹐而是如同蒼穹一樣的球形屏幕。這種球形屏幕﹐一般安裝在一個半球狀的建築頂部﹐形成一個微縮版的天空。

  設計製造用於投影星空的天象儀﹐是實現這一構想的關鍵。然而﹐第一次世界大戰的爆發使相關技術的研發幾乎陷入停滯。直到戰後的1919年﹐才終於由蔡司公司的工程師鮑爾斯費爾德提出了可行的光學系統設計方案。在此基礎上﹐也有不少天文學家參與到了相關工作中來﹐根據天體運行的規律進行了大量計算﹐確保天象儀放出的是精准的星空圖像﹐恆星﹑行星的位置和運動都與實際情況基本相符。這樣﹐新裝置才能真正起到科學普及的作用﹐而不是讓參觀者簡單地看看熱鬧。

  1923年﹐天象儀和球幕的試製基本完成。為了在正式安裝前根據實際使用結果進行改進﹐天象儀沒有被立即運往博物館﹐而是在蔡司公司的總部所在地耶拿進行了首次放映試驗。結果﹐天象儀的首秀大獲好評﹐在場的觀眾無不為之震撼﹐並將其稱為“耶拿奇跡”。1925年﹐天象儀和與之配套的球幕圓頂在馮‧米勒創建的德意志博物館調試完成並向公眾開放﹐成為了世界上第一個天文館。蔡司公司設計製造的天象儀﹐也被定型為“蔡司Ⅰ型”天象儀。

  加速普及

  小孔式天象儀試製成功

  德意志博物館天文館的演示效果﹐給參觀者們留下了深刻的印象。不過﹐由於地理條件的限制﹐生活在北半球的人們如果不到南半球旅行﹐一生都無法看到南十字星座等天體系統。

  為了改變這種情況﹐讓北半球的人們也能感受南半球的別樣星空﹐人們對蔡司Ⅰ型天象儀進行了改進﹐為天象儀配備了兩個恆星投影球﹐使得天象儀既能夠展示德國所在的地球北半球所看到的星空﹐又能展示地球南半球所看到的星空。1926年﹐第一座裝備了這種改進的蔡司Ⅱ型天象儀的天文館在耶拿落成。此後﹐新的天文館如雨後春筍一般﹐在歐洲的多個城市中出現。比如1928年﹐羅馬天文館建成。1929年﹐莫斯科天文館建成。而1930年﹐一下子有5個新的天文館﹐分別在斯德哥爾摩﹑米蘭﹑漢堡﹑維也納和歐洲以外的芝加哥出現。位於芝加哥的阿德勒天文館﹐是由芝加哥慈善家阿德勒在觀看完德意志博物館天文館的演示後決心修建的。在開館後﹐這個天文館迎來了數以千萬計的參觀者。1937年﹐亞洲首座天文館在日本東京開幕。

  鏡片式投影的天象儀﹐像是一臺複雜精密的幻燈機﹐將“底片”上的天體形象投影到熒幕上。這種天象儀投影產生的星點非常細膩﹐壽命也很長。例如﹐日本東京澀谷區東急百貨公司頂樓的五島天文館﹐蔡司Ⅳ型天象儀足足使用了44年。而天象儀“退休”的原因也並非自身壽命耗盡需要報廢﹐而是因為經濟不景氣﹐有關經營者無法維持天文館運作而被迫讓天象儀“下崗”。

  雖然蔡司公司開發的投影式天象儀具備種種優點﹐但居高不下的價格﹐使得祗有大型機構和科普場館才有足夠的財力在大城市建立天文館。在1940年﹐富裕的美國也僅開辦了5個天文館。

  從事天文科普事業的美國人阿曼德‧斯皮茲決心改變這一現狀。為了降低成本﹐他將投影式天象儀複雜的光學結構簡化為十二面體﹐通過十二面體上開的孔洞所投射出的光線﹐在球幕上產生星象。在犧牲一部分投影效果的同時﹐這種天象儀的成本大大降低﹐售價僅為數百美元﹐比蔡司公司天象儀動輒十多萬美元的價格低很多。1947年﹐小孔式天象儀試製成功並開始銷售﹐逐漸走入美國的小型博物館和學校。1957年蘇聯發射第一顆人造衛星後﹐美蘇天空競賽引發太空熱潮﹐使得天文館在美國以前所未有的速度普及。斯皮茲的天象儀成為這一時期新建小型天文館的首選設備。

  西直門外的北京天文館

  多方呼籲終結果

  我國對於天體運行的觀測有著悠久的歷史﹐而天文館的出現﹐也很快受到了國內科學界的關注。上世紀30年代《科學畫報》和《科學》等國內雜誌﹐有多篇文章介紹了這種新生事物。當時﹐天文館被稱為“假天館”﹐人們迫切希望在中國的土地上建起一座天文館﹐有人甚至還提出了發行郵票或開辦股份公司﹐以民間集資的方式來實現。然而﹐在當時動蕩的社會條件下﹐這一願望沒有得到實現。

  新中國成立後﹐科學事業得到了充分的發展。關心天文科普事業的人們通過各種刊物積極宣傳天文館的用處與益處﹐並積極向有關部門領導建言獻策﹐希望天文館的建設能夠早日提上議事日程。1952年﹐李元先生向中國科學院有關領導呈交《關於建立北京假天館(天文館)的計劃》﹐得到了積極的回應﹐並將有關計劃轉交給北京市討論。恰巧﹐北京市負責相關工作的吳晗副市長在1951年曾親自參觀過德國耶拿的天文館﹐對天文館在科普教育上的作用評價很高。當收到科學院的有關文件後﹐吳晗副市長親筆致信李元先生﹐不但表示讚成建館﹐還建議把建國門的北京古觀象臺也併入未來的北京天文館管理。

  1954年夏天﹐我國駐民主德國使館反映﹐因我國和民主德國間有貿易順差﹐民主德國方面建議我國購買天象儀作為外貿補償。在這個契機下﹐中央文委當年9月開會﹐決定籌建北京天文館﹐建館的具體工作和經費由中國科學院負責﹐北京市在基建和用地等方面予以配合。

  關於新場館的定名﹐也經歷了一些討論。有人主張使用“假天館”這一之前的名稱﹐也有人主張使用“天文電影院”這一反映實際功能的名稱。在國外﹐類似的場館功能比較單一﹐一般只用於演示星空天象。而北京天文館的開創者們認為﹐在新中國當時的條件下﹐新創辦的這個場館既應該有演示天象的功能﹐同時還應該有天文科普展覽與研究的功能。在陳遵媯先生的大力倡導下﹐這個場館最終採用了“天文館”這個名稱。

  選址曾經頗費周折

  北京天文館的選址也頗費了一番周折。一開始﹐有關部門本來計劃將天文館建在天壇附近。對於天文館的外觀﹐有人建議摒棄國外常用的圓頂造型﹐認為這種建築外觀形似墳丘﹐不討人喜歡。他們希望新的天文館能建成中國式的攢尖大屋頂造型﹐與天壇祈年殿類似。不過﹐經過建築師們的討論後﹐最終還是選擇了圓頂造型的基本設計方案。大家認為﹐我國的傳統文化中有天圓地方的說法﹐因此半球形的造型實際是符合我國傳統的。但是﹐由於當時天壇附近總的城建規劃尚未完成﹐交通方面不是十分方便﹐而新建的建築又可能破壞古建築的整體風貌﹐因此這個選址方案最終被否決。

  後來﹐有關部門還考慮過將天文館修建在月壇附近或鼓樓上面﹐均因不盡合理而未能實現。北海公園後門斜對面﹑什剎海後海沿岸的一塊三角地﹐也曾納入過選址的考慮範疇﹐但因拆遷民房數量過大﹑什剎海水位過高等原因而未能入選。最終﹐建築師們的目光投向了北京西郊動物園附近的一片空地上。附近的北京動物園和當時剛剛建成的北京展覽館(當時名為蘇聯展覽館)使得這裡可以形成一個首都的文化娛樂中心﹐具備交通方便和風景優美的特點。雖然當時北京北站(當時名為西直門站)到門頭溝的鐵路支線就位於館址南側﹐火車經過的震動可能對天文館的設備產生影響﹐但人們估計隨著北京城建的發展﹐這段鐵路很快就會拆除。果然﹐在上世紀60年代末﹐北京北站到五路站的鐵路因市政規劃原因被拆除。

  北京天文館建成開放

  北京天文館于1955年10月24日正式動工。除了土建工程外﹐天象儀的安裝和調試也耗費了建設者們不少的心血。在德國蔡司廠家派出的專家指導下﹐儀器安裝得以順利完成﹐北京天文館的工作人員也掌握了這種精密光學儀器的有關技術。在訂購儀器時﹐天文館的建設者們還細心地意識到了投影字幕的語言問題﹐特地把星座﹑月份等名稱翻譯成中文交給蔡司工廠製作。1957年6月17日﹐天象廳內進行我國第一次人造星空表演﹐人們興奮地在球幕上看到了中文的說明字幕。在當年國慶節﹐北京天文館正式向廣大群眾開放。

  除了最為重要的天象館外﹐天文館的主體建築中還設置了寬闊的門廳和兩翼的展廳。在門廳中﹐安裝了一個現象顯著的科學演示儀器──傅科擺﹐可以使觀眾真切地感受到地球的自轉。而兩翼的展廳用於佈置各類天文科普展覽﹐使天文館的科普作用發揮得更充分。在主體建築之外﹐還配套建設了天文臺﹑氣象站等觀測設施﹐能夠實現天文館的科學研究功能。天文館佔地除了滿足以上建築的需要外﹐還為未來預留了發展空間。

  新世紀天文館煥然一新

  進入新世紀後﹐北京天文館也迎來了新的發展機遇。2004年12月12日﹐北京天文館新館在天文館預留的園區土地上落成﹐使北京天文館有了更寬闊的展覽空間。根據建築師對設計方案的描述﹐北京天文館的新館與老館在外觀上相互融合﹐舊館的圓頂可以被視作一定質量的天體﹐而新館的外觀則表示天體周邊由於廣義相對論效應而產生的時空彎曲。

  2008年7月11日﹐整修一新的老館重新開放﹐喜迎北京奧運會的到來。重修後的老館﹐除了保持原來的基本風貌外﹐有關硬件設備得到了全面的更新。天象廳中原有的蔡司Ⅲ型天象儀﹐被更新換代為蔡司Ⅸ型﹐同時還安裝了當時世界上分辨率最高的全天域數字投影系統﹐不僅能為觀眾逼真還原地球上肉眼可見的9000余顆恆星﹐高達8K分辨率的球幕影像﹐還能實現虛擬天象演示﹑三維宇宙空間模擬﹑數字節目播放等多種功能。不論是成人還是兒童﹐都可以在天象廳中體驗浩瀚宇宙的廣袤與絢爛。(李會超)

[ 責編﹕張佳興 ]
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