2023年度“科普中國青年之星創(chuàng)作大賽”獲獎作品

每當夜幕降臨，無數(shù)星星便會眨著眼睛靜靜地看著我們，我們好奇地抬頭仰望，在正常的時間流逝下，可能你會感覺所有的星星都是靜止的，只有當我們加速時間，你才能看到它們在緩慢地移動。偶爾還有人造衛(wèi)星和流星劃過天邊，如果你能夠看到流星，那你一定非常幸運。

古今對星空的認識

著名的漢代科學家張衡在所作的《渾天儀注》中寫道：“渾天如雞子，天體圓如彈丸，地如雞中黃，孤居于內(nèi)，天大而地小。天表里有水，天之包地，猶殼之裹黃…其南北端謂之南北極。”他認為天包著地，天像蛋殼，地球如蛋黃浮在中間。以蛋殼和蛋黃的相對位置比喻天地關系，以南北極軸為天體繞轉(zhuǎn)的中心。《史記·天官書》中記載“斗為帝車，運于中央，臨制四方”。古人認為，北極是天空的中心，所有恒星圍繞北極星旋轉(zhuǎn)。而現(xiàn)在我們知道，星星并沒有動，只是我們腳下的大地在轉(zhuǎn)動。白天我們會看到太陽東升西落，到了晚上看到星星和月亮也東升西落，這種現(xiàn)象在天文上被稱為周日視運動，因為地球的自轉(zhuǎn)，使得斗轉(zhuǎn)星移，我們生活的世界有了白天和黑夜，才會有“一天”的概念，我們的地球除了自轉(zhuǎn)，它還圍繞著太陽進行公轉(zhuǎn)，地球每過一年會繞太陽公轉(zhuǎn)一圈，隨著地球的公轉(zhuǎn)，太陽在黃道上的位置會發(fā)生變化，每天大約移動1度，這種現(xiàn)象在天文學上被稱為周年視運動。

中國古代天象演示儀器

早在望遠鏡發(fā)明之前，古人以肉眼觀天并對夜空中所見的天體加以記錄，發(fā)明了各種用于演示天體運動的機械裝置。其中比較著名的就有渾象、假天儀和水運儀象臺。渾象，是古代用來演示天體在天球上運動的儀器。它把日、月、二十八宿等天體以及赤道和黃道都繪制在一個圓球面上，使人隨時能了解當時的天象。類似現(xiàn)代的天球儀。渾象與渾儀的不同在于，渾象主要用于表現(xiàn)天象變化，而渾儀主要是用于測量天體黃道、赤道坐標的觀測儀器。

假天儀示意圖

宋代的蘇頌、韓公廉共同研制了一種人能進入到渾天象內(nèi)部來觀察星象的儀器——假天儀，使古人能夠更直觀地理解星宿在天空中的運動。假天儀的球體用竹條制成，在球面上根據(jù)星體位置和星體大小開鑿小孔。球體基座為一方形木柜，球體半隱柜中，半出柜上，人進入球內(nèi)時，可以看到點點亮光如同夜空繁星。有著“世界上最早的天文鐘”之稱的水運儀象臺是北宋時期建造的一種集計時報時、天文觀測、星象演示多種功能于一體、利用水力運作的天文鐘。它由韓公廉等人設計、蘇頌主持建造，于元祐七年建成。臺體為木質(zhì)框架結構，高約12米，臺基長寬約7米，上窄下寬，分上下三層。頂層為渾儀，用于觀測星空，上方臺頂板可在觀測時揭開；中層為渾象，用于顯示星象；底層為動力裝置及計時、報時機構，通過齒輪傳動系統(tǒng)與渾儀、渾象相連，使各層裝置環(huán)環(huán)相扣，與天體同步運行。不僅體現(xiàn)了中國古代高超的機械制造技藝，也體現(xiàn)了華夏文明對于宇宙規(guī)律亙古不變的探索精神?！?/p>

玲瓏儀復原品

繼蘇頌、韓公廉之后，元代天文學家郭守敬創(chuàng)制的玲瓏儀，與假天儀類似，都是用于演示天象的儀器，將先人從外俯察天體之渾象傳統(tǒng)，改為于內(nèi)仰觀星象之假天結構。原儀已失傳，元初楊桓有《玲瓏儀銘》記載：“制諸法象，各有攸施。萃于用者，玲瓏其儀。十萬余目，經(jīng)緯均布。與天同體，協(xié)規(guī)應矩。遍體虛明，中外宣露。玄象森羅，莫計其數(shù)。宿離有次，去極有度。人由中窺，目即而喻”。北京天文館委托蘇州市古代天文計時儀器研究所復原玲瓏儀，現(xiàn)安置于北京古觀象臺內(nèi)。1913年，美國人制作了一個可進入的球形天象演示裝置，被稱為阿特伍德球，球體直徑17英尺，表面有692個孔洞，透光后可以模擬夜空的星星，其原件作為藏品至今保存在美國芝加哥阿德勒天文館，可供觀眾參觀體驗。

阿特伍德球

現(xiàn)代天文館的誕生

在天文學名詞中，天象儀的英文名詞是Planetarium。而天文館和天象廳的英文名詞也都是Planetarium這個詞。天象廳是一種用于天象演示的半球型穹頂建筑，是人們了解和認識星空的場所，是傳統(tǒng)天文館的核心。天象儀一直以來是天文館的標志性展項，能夠逼真再現(xiàn)地球上所見的星空、模擬天體的視運動。人們把表演人造星空的設施場所統(tǒng)稱為天文館，最初天文館僅以天象廳的形態(tài)出現(xiàn)，因此歐美國家通常使用同一個單詞來表示兩者。

真實地再現(xiàn)星空細節(jié)的想法出自慕尼黑德意志博物館創(chuàng)始人奧斯卡·馮·米勒。1913年，奧斯卡·馮·米勒尋求為德意志博物館開發(fā)一種能夠逼真展示恒星、行星、日月的位置和運動的演示裝置。于是，奧斯卡·馮·米勒館長向耶拿卡爾·蔡司公司咨詢制作這種裝置的事宜，蔡司公司接受了這個特殊的訂單。由于第一次世界大戰(zhàn)中斷了開發(fā)工作。1919年蔡司的首席工程師鮑爾斯菲爾德提出基于光學機械投影式天象儀的設計理念，他和他的團隊著手深化細節(jié)并最終付諸于現(xiàn)實。

第一臺光學天象儀設計手稿

1923 年 10 月 21 日，在德國慕尼黑，耶拿卡爾·蔡司公司展示了為德意志博物館開發(fā)的世界上第一臺光學天象儀。這是人造星空的首次公開演示。在慕尼黑進行了幾周的試運行后，這臺天象儀運回工廠進行改進和完善。為了進一步開發(fā)和測試，蔡司在工廠的屋頂上搭建了一個直徑為16米的臨時穹頂。1924年7月22日，蔡司天象儀第一次在大批觀眾面前進行星空表演。從1924年7月到9月，幾乎每天都定時進行星空演示。在這短暫的時間里，超過3萬名參觀者第一次體驗了由光學投影創(chuàng)造的人造星空。根據(jù)參觀者的體驗反饋，光學天象儀進行后續(xù)改進和功能擴展。1925年5月7日，這臺天象儀在德意志博物館的天象廳正式向公眾開放，標志著現(xiàn)代天文館的誕生。天象廳直徑10米，中央安裝了蔡司I型天象儀，可以投影出4500顆恒星、銀河以及星座名稱，但只能演示慕尼黑當?shù)氐男强铡?/p>

蔡司I型天象儀

在回顧天象儀誕生和發(fā)展的歷程中，我們不得不提到中國制造的天象儀及其在中國天文館事業(yè)中所扮演的角色。我國天象儀的研制始于20世紀50年代，北京工業(yè)學院（現(xiàn)北京理工大學）參照德國卡爾·蔡司天象儀，在三個月內(nèi)自主開發(fā)了第一臺國產(chǎn)天象儀原理樣機。此后，該校又與北京天文館、北京光學儀器廠、北京電源控制設備廠合作研制出具有中國特色的大型天象儀。從1976年至2007年，這臺天象儀在北京天文館連續(xù)運轉(zhuǎn)了30年之久，可表演黃道上的二十四節(jié)氣、反映中國星空文化的三垣二十八宿。然而由于種種原因，該項目的后期研發(fā)未能跟上，在此后的幾十年里，國產(chǎn)天象儀無論在性能還是在技術上都沒有繼續(xù)革新和改進。 2008年，北京天文館完成更新改造，天象廳升級為數(shù)字投影系統(tǒng)和蔡司光學天象儀，退役后的這臺國產(chǎn)天象儀被作為藏品展示陳列于常設展廳中。

國產(chǎn)大型天象儀

天象儀的發(fā)展與傳承

近百年來，科學技術的發(fā)展日新月異，天象儀也隨著時代的變遷引發(fā)了一系列革命。1983 年，美國益世電腦公司推出了數(shù)字天文系統(tǒng)，完全拋棄了傳統(tǒng)的光學投影模式，運用計算機技術制作出電腦繪圖的數(shù)字天象儀。今天，光學天象儀與數(shù)字天文系統(tǒng)相結合成為現(xiàn)代大型天文館主要的天象演示方式。

慶祝天文館一百周年主題海報

回顧歷史，天文館中最經(jīng)典的展項莫過于天象儀。天象儀作為一種歷史悠久的天象演示設備，由德國卡爾·蔡司于1923年首創(chuàng)發(fā)明，1925年德意志博物館的天象廳首次對公眾演示人造星空。從1923年至2023年，天象儀和天文館經(jīng)歷了一百年的發(fā)展傳承，如今的天象儀已經(jīng)融合光學投影和數(shù)字天文系統(tǒng)的各自特點，能逼真地展示任意時間和地點所見的星空。演示天體的基本視運動，包括周日視運動、周年視運動；太陽、月球和主要行星的視運動；顯示歲差的影響；逼真顯示銀河、大小麥哲倫星系、著名的深空天體、變星和目視雙星；逼真顯示月相變化及月食、近地點滿月、流星雨等天象；也能投映城市地景、自然景色等的全景圖像，包括晨昏蒙影、極光、黃道光及模仿城市光污染的大氣效果；顯示全天88星座連線、圖案和中文名稱，以及中國古代星宿連線、圖案和中文名稱；顯示基本天文坐標系統(tǒng)（赤道、地平，黃道及其刻度值等）。

你上次看見繁星點點的夜空是什么時候呢？星空能給人內(nèi)心帶來安定與幸福的感受，它是人類好奇心與探索精神的起點。但是隨著社會發(fā)展造成的空氣污染和光污染，使得城市居民已經(jīng)很難看到漫天繁星的夜空了。天文館建立天象廳的初衷就是利用特殊的光學和數(shù)字投射技術逼真模擬自然星空，讓觀眾在純凈的星空下沉靜心靈，產(chǎn)生對宇宙的崇敬和思考。

歡迎掃碼關注深i科普！

我們將定期推出

公益、免費、優(yōu)惠的科普活動和科普好物！