2023年度“科普中國青年之星創(chuàng)作大賽”獲獎作品

每當(dāng)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(dāng)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(yùn)。

古今對星空的認(rèn)識

著名的漢代科學(xué)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?！彼J(rèn)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(guān)系，以南北極軸為天體繞轉(zhuǎn)的中心?！妒酚洝ぬ旃贂分杏涊d“斗為帝車，運(yùn)于中央，臨制四方”。古人認(rèn)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(yùn)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(jìn)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(xué)上被稱為周年視運(yùn)動。

中國古代天象演示儀器

早在望遠(yuǎn)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(yùn)動的機(jī)械裝置。其中比較著名的就有渾象、假天儀和水運(yùn)儀象臺。渾象，是古代用來演示天體在天球上運(yùn)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(dāng)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(biāo)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(jìn)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(yùn)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(jìn)入球內(nèi)時，可以看到點(diǎn)點(diǎn)亮光如同夜空繁星。有著“世界上最早的天文鐘”之稱的水運(yùn)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(yùn)作的天文鐘。它由韓公廉等人設(shè)計、蘇頌主持建造，于元祐七年建成。臺體為木質(zhì)框架結(jié)構(gòu)，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(jī)構(gòu)，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(yùn)行。不僅體現(xiàn)了中國古代高超的機(jī)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(fù)原品

繼蘇頌、韓公廉之后，元代天文學(xué)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(jié)構(gòu)。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(yīng)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(fù)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(jìn)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(xué)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(rèn)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(biāo)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(yùn)動。人們把表演人造星空的設(shè)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(xì)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(yùn)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(xué)機(jī)械投影式天象儀的設(shè)計理念，他和他的團(tuán)隊著手深化細(xì)節(jié)并最終付諸于現(xiàn)實。

第一臺光學(xué)天象儀設(shè)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(xué)天象儀。這是人造星空的首次公開演示。在慕尼黑進(jìn)行了幾周的試運(yùn)行后，這臺天象儀運(yùn)回工廠進(jìn)行改進(jìn)和完善。為了進(jìn)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(jìn)行星空表演。從1924年7月到9月，幾乎每天都定時進(jìn)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(xué)投影創(chuàng)造的人造星空。根據(jù)參觀者的體驗反饋，光學(xué)天象儀進(jìn)行后續(xù)改進(jìn)和功能擴(kuò)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(biāo)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(dāng)?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(jì)50年代，北京工業(yè)學(xué)院（現(xiàn)北京理工大學(xué)）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(jī)。此后，該校又與北京天文館、北京光學(xué)儀器廠、北京電源控制設(shè)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(yùn)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(shù)上都沒有繼續(xù)革新和改進(jìn)。 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(xué)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(shè)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(xué)技術(shù)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(xué)投影模式，運(yùn)用計算機(jī)技術(shù)制作出電腦繪圖的數(shù)字天象儀。今天，光學(xué)天象儀與數(shù)字天文系統(tǒng)相結(jié)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(shè)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(xué)投影和數(shù)字天文系統(tǒng)的各自特點(diǎn)，能逼真地展示任意時間和地點(diǎn)所見的星空。演示天體的基本視運(yùn)動，包括周日視運(yùn)動、周年視運(yùn)動；太陽、月球和主要行星的視運(yùn)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(diǎn)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(biāo)系統(tǒng)（赤道、地平，黃道及其刻度值等）。

你上次看見繁星點(diǎn)點(diǎn)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(diǎn)。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(xué)和數(shù)字投射技術(shù)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。

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