穿越时空的“仰望天际”：天象仪的前世今生

2023年度“科普中国青年之星创作大赛”获奖作品

作者：陆琦

每当夜幕降临，无数星星便会眨着眼睛静静地看着我们，我们好奇地抬头仰望，在正常的时间流逝下，可能你会感觉所有的星星都是静止的，只有当我们加速时间，你才能看到它们在缓慢地移动。偶尔还有人造卫星和流星划过天边，如果你能够看到流星，那你一定非常幸运。

古今对星空的认识

著名的汉代科学家张衡在所作的《浑天仪注》中写道：“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡中黄，孤居于内，天大而地小。天表里有水，天之包地，犹壳之裹黄…其南北端谓之南北极。”他认为天包着地，天像蛋壳，地球如蛋黄浮在中间。以蛋壳和蛋黄的相对位置比喻天地关系，以南北极轴为天体绕转的中心。《史记·天官书》中记载“斗为帝车，运于中央，临制四方”。古人认为，北极是天空的中心，所有恒星围绕北极星旋转。而现在我们知道，星星并没有动，只是我们脚下的大地在转动。白天我们会看到太阳东升西落，到了晚上看到星星和月亮也东升西落，这种现象在天文上被称为周日视运动，因为地球的自转，使得斗转星移，我们生活的世界有了白天和黑夜，才会有“一天”的概念，我们的地球除了自转，它还围绕着太阳进行公转，地球每过一年会绕太阳公转一圈，随着地球的公转，太阳在黄道上的位置会发生变化，每天大约移动1度，这种现象在天文学上被称为周年视运动。

中国古代天象演示仪器

早在望远镜发明之前，古人以肉眼观天并对夜空中所见的天体加以记录，发明了各种用于演示天体运动的机械装置。其中比较著名的就有浑象、假天仪和水运仪象台。浑象，是古代用来演示天体在天球上运动的仪器。它把日、月、二十八宿等天体以及赤道和黄道都绘制在一个圆球面上，使人随时能了解当时的天象。类似现代的天球仪。浑象与浑仪的不同在于，浑象主要用于表现天象变化，而浑仪主要是用于测量天体黄道、赤道坐标的观测仪器。

假天仪示意图

宋代的苏颂、韩公廉共同研制了一种人能进入到浑天象内部来观察星象的仪器——假天仪，使古人能够更直观地理解星宿在天空中的运动。假天仪的球体用竹条制成，在球面上根据星体位置和星体大小开凿小孔。球体基座为一方形木柜，球体半隐柜中，半出柜上，人进入球内时，可以看到点点亮光如同夜空繁星。有着“世界上最早的天文钟”之称的水运仪象台是北宋时期建造的一种集计时报时、天文观测、星象演示多种功能于一体、利用水力运作的天文钟。它由韩公廉等人设计、苏颂主持建造，于元祐七年建成。台体为木质框架结构，高约12米，台基长宽约7米，上窄下宽，分上下三层。顶层为浑仪，用于观测星空，上方台顶板可在观测时揭开；中层为浑象，用于显示星象；底层为动力装置及计时、报时机构，通过齿轮传动系统与浑仪、浑象相连，使各层装置环环相扣，与天体同步运行。不仅体现了中国古代高超的机械制造技艺，也体现了华夏文明对于宇宙规律亘古不变的探索精神。”

玲珑仪复原品

继苏颂、韩公廉之后，元代天文学家郭守敬创制的玲珑仪，与假天仪类似，都是用于演示天象的仪器，将先人从外俯察天体之浑象传统，改为于内仰观星象之假天结构。原仪已失传，元初杨桓有《玲珑仪铭》记载：“制诸法象，各有攸施。萃于用者，玲珑其仪。十万余目，经纬均布。与天同体，协规应矩。遍体虚明，中外宣露。玄象森罗，莫计其数。宿离有次，去极有度。人由中窥，目即而喻”。北京天文馆委托苏州市古代天文计时仪器研究所复原玲珑仪，现安置于北京古观象台内。1913年，美国人制作了一个可进入的球形天象演示装置，被称为阿特伍德球，球体直径17英尺，表面有692个孔洞，透光后可以模拟夜空的星星，其原件作为藏品至今保存在美国芝加哥阿德勒天文馆，可供观众参观体验。

阿特伍德球

现代天文馆的诞生

在天文学名词中，天象仪的英文名词是Planetarium。而天文馆和天象厅的英文名词也都是Planetarium这个词。天象厅是一种用于天象演示的半球型穹顶建筑，是人们了解和认识星空的场所，是传统天文馆的核心。天象仪一直以来是天文馆的标志性展项，能够逼真再现地球上所见的星空、模拟天体的视运动。人们把表演人造星空的设施场所统称为天文馆，最初天文馆仅以天象厅的形态出现，因此欧美国家通常使用同一个单词来表示两者。

真实地再现星空细节的想法出自慕尼黑德意志博物馆创始人奥斯卡·冯·米勒。1913年，奥斯卡·冯·米勒寻求为德意志博物馆开发一种能够逼真展示恒星、行星、日月的位置和运动的演示装置。于是，奥斯卡·冯·米勒馆长向耶拿卡尔·蔡司公司咨询制作这种装置的事宜，蔡司公司接受了这个特殊的订单。由于第一次世界大战中断了开发工作。1919年蔡司的首席工程师鲍尔斯菲尔德提出基于光学机械投影式天象仪的设计理念，他和他的团队着手深化细节并最终付诸于现实。

第一台光学天象仪设计手稿

1923 年 10 月 21 日，在德国慕尼黑，耶拿卡尔·蔡司公司展示了为德意志博物馆开发的世界上第一台光学天象仪。这是人造星空的首次公开演示。在慕尼黑进行了几周的试运行后，这台天象仪运回工厂进行改进和完善。为了进一步开发和测试，蔡司在工厂的屋顶上搭建了一个直径为16米的临时穹顶。1924年7月22日，蔡司天象仪第一次在大批观众面前进行星空表演。从1924年7月到9月，几乎每天都定时进行星空演示。在这短暂的时间里，超过3万名参观者第一次体验了由光学投影创造的人造星空。根据参观者的体验反馈，光学天象仪进行后续改进和功能扩展。1925年5月7日，这台天象仪在德意志博物馆的天象厅正式向公众开放，标志着现代天文馆的诞生。天象厅直径10米，中央安装了蔡司I型天象仪，可以投影出4500颗恒星、银河以及星座名称，但只能演示慕尼黑当地的星空。

蔡司I型天象仪

在回顾天象仪诞生和发展的历程中，我们不得不提到中国制造的天象仪及其在中国天文馆事业中所扮演的角色。我国天象仪的研制始于20世纪50年代，北京工业学院（现北京理工大学）参照德国卡尔·蔡司天象仪，在三个月内自主开发了第一台国产天象仪原理样机。此后，该校又与北京天文馆、北京光学仪器厂、北京电源控制设备厂合作研制出具有中国特色的大型天象仪。从1976年至2007年，这台天象仪在北京天文馆连续运转了30年之久，可表演黄道上的二十四节气、反映中国星空文化的三垣二十八宿。然而由于种种原因，该项目的后期研发未能跟上，在此后的几十年里，国产天象仪无论在性能还是在技术上都没有继续革新和改进。 2008年，北京天文馆完成更新改造，天象厅升级为数字投影系统和蔡司光学天象仪，退役后的这台国产天象仪被作为藏品展示陈列于常设展厅中。

国产大型天象仪

天象仪的发展与传承

近百年来，科学技术的发展日新月异，天象仪也随着时代的变迁引发了一系列革命。1983 年，美国益世电脑公司推出了数字天文系统，完全抛弃了传统的光学投影模式，运用计算机技术制作出电脑绘图的数字天象仪。今天，光学天象仪与数字天文系统相结合成为现代大型天文馆主要的天象演示方式。

庆祝天文馆一百周年主题海报

回顾历史，天文馆中最经典的展项莫过于天象仪。天象仪作为一种历史悠久的天象演示设备，由德国卡尔·蔡司于1923年首创发明，1925年德意志博物馆的天象厅首次对公众演示人造星空。从1923年至2023年，天象仪和天文馆经历了一百年的发展传承，如今的天象仪已经融合光学投影和数字天文系统的各自特点，能逼真地展示任意时间和地点所见的星空。演示天体的基本视运动，包括周日视运动、周年视运动；太阳、月球和主要行星的视运动；显示岁差的影响；逼真显示银河、大小麦哲伦星系、著名的深空天体、变星和目视双星；逼真显示月相变化及月食、近地点满月、流星雨等天象；也能投映城市地景、自然景色等的全景图像，包括晨昏蒙影、极光、黄道光及模仿城市光污染的大气效果；显示全天88星座连线、图案和中文名称，以及中国古代星宿连线、图案和中文名称；显示基本天文坐标系统（赤道、地平，黄道及其刻度值等）。

你上次看见繁星点点的夜空是什么时候呢？星空能给人内心带来安定与幸福的感受，它是人类好奇心与探索精神的起点。但是随着社会发展造成的空气污染和光污染，使得城市居民已经很难看到漫天繁星的夜空了。天文馆建立天象厅的初衷就是利用特殊的光学和数字投射技术逼真模拟自然星空，让观众在纯净的星空下沉静心灵，产生对宇宙的崇敬和思考。