天象仪是谁发明的?天象仪的发展历程

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天象仪是什么?

天象仪是一种演示天文现象的仪器。它通过星片把星星放映到半球形银幕上,形成人造星空;又通过精密的齿轮传动系统,把日、月、行星及其运动轨迹投影到人造星空之上;再加上一些特殊效果投影器的应用,丰富多采的天文现象即呈现在观众眼前。天象仪以及装备天象仪的屋子—天象厅,乃至天文馆,用的都是一个英文名词,即Planetarium,从字面的意思来说,就是行星仪。

如此巧妙的仪器是怎样发明的呢?这还要从一份奇特订货单说起。

天象仪是谁发明的?天象仪的发展历程

德国南部的巴伐利亚州首府慕尼黑位于阿尔卑斯山北麓,是一座依山傍水、景色秀丽的山城,也是德国最瑰丽的宫廷文化中心。作为历史文化名城,慕尼黑有许多巴洛克和哥特式建筑,它们是欧洲文艺复兴后建筑风格的典型代表。城市中各种雕塑比比皆是,栩栩如生。慕尼黑还是一座多水的城市,伊萨尔河从城中穿过,众多的湖泊形成了无数的大小公园。在伊萨尔河中,有一个用混凝土凝固的如船形的岛屿,叫煤炭岛,岛上有一个四层口字形、拥有钟塔的雄伟建筑,这就闻名遐迩的德意志博物馆。

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雄伟壮观的德意志博物馆

德意志博物馆是欧洲现有科技博物馆中规模最大的,也是世界最早的科技博物馆之一。19世纪末,德国在英国和法国影响下开始工业革命。1903年,工程师奥斯卡·冯·米勒(Oskar von Miller,1855~1934)提出在慕尼黑兴建大型技术博物馆的方案,筹建工作因第一次世界大战推迟10年,于1925年建成开放。米勒抱着把该馆办成教育机构的宗旨,在展览内容上,一方面通过大量实物反映各门科学技术的发展历史,另一方面采用剖开的机器、活动的模型以及观众可参与实验和操作的设备,展示各种科学技术原理,这些新的展览技术对后来的各国科技博物馆曾经产生过很大影响。

1913年,德国海德堡天文台台长的马克斯·沃尔夫(Max Wolf,1863~1932)教授向德意志博物馆的创始人奥斯卡·冯·米勒建议:在博物馆内搞两个非同寻常的展品,即两个天象仪:一个是哥白尼体系(日心式)的,另一个是托勒密体系(地心式)的。

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德意志博物馆的创始人 奥斯卡·冯·米勒

米勒接受了沃尔夫台长的建议,于是向当时在制造天文仪器方面享有国际声誉的耶拿卡尔·蔡司光学公司下订单。可是,在耶拿的设计师尚未寻觅到可行的解决办法时,第一次世界大战爆发,使得这个制作博物馆展品的整个计划都化成了泡影。

早在1918年人们已经清楚知道,可以通过向圆屋顶投影的方法,把太阳、月亮和五大行星再现出来。

1918年秋研制工作重新恢复,一位工程师在其回忆录中这样描述当时的研制情况:“一个哥白尼体系的天象仪,即一个三维表演系统,被安装在一个薄薄的圆筒型的屋子里,这样就可以使屋里(就像在地球上)的观众观看行星了,而这些行星又都被置于中心的光源(代表太阳)所照亮。”

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德国海德堡天文台台长 马克斯·沃尔夫

至于托勒密体系天象仪,当时是这样构想的:“将一台投影机放在半径为5米、用薄金属制成的圆屋顶里。在圆屋顶上有一些很小的洞眼,为的是让光线通过,以表现那些固定不动的恒星。薄金属圆屋顶还要围绕着极轴作周日运动。”

哥白尼体系天象仪于1923年完成,它是由蔡司公司的弗郎兹·迈耶(Fanz Meyer)工程师设计的,1925年德意志博物馆开幕时正式展出。圆筒型的屋顶直径为12米,高2.8米,行星及其卫星从一个电控的、在黄道(镶在天花板上)上自由活动的车子上悬挂下来。在地球的位置上一个可以活动的笼架可使观众每12分钟绕太阳一圈,观众可以通过刻在南墙上的黄道星座,观察行星的视运动。如果把屋里的照明都关掉,而让中间的太阳和代表180颗恒星的小灯亮着,那么星空的景象还是比较逼真的。

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哥白尼体系天象仪

研制托勒密体系天象仪的重任,则由蔡司公司的总工程师鲍尔斯费尔德(Walther Bauersfeld,1879~1959)和他的两名助手承担。由于技术上的原因,他们没有按照原先设想的那样,把四周搞成空心球的样子,因为要使这么重的物体运动,就需要一个巨大的机械驱动装置,这样会产生严重的噪音,这显然是不符合必须静音的设计要求的。于是他们又有了新的想法:“如果采用投影行星的方法,同样可以使固定不变的恒星在圆屋顶内闪闪发光。”这就是说可以用一个安置于圆屋顶中央的投影机,将所有的天体都放映出来。

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现代天象仪发明人鲍尔斯费尔德

这样一来投影机就必须包括两个主要投影系统,一个是恒星投影系统,另一个是行星投影系统。恒星投影器一共有32台,都由聚光器、恒星幻灯片和投影镜片三部分组成,每台投影出的天区面积几乎相等。32台恒星投影器紧凑地装在一个直径约50厘米的球体中,并在球体的中心装上一个普通的强光源。在这个球体中还装有另外11个能产生银河形象的投影器和30台小型的星座名称专用投影器。

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鲍尔斯费尔德的天象仪设计草图

行星投影系统是在一个与中心球体固定在一起的笼架结构里,装有太阳、月亮以及五大行星投影器,一个驱动马达,使球体连同行星龙架一起作旋转运动,以此来模拟天体升落的周日运动。通过齿轮传动装置的控制,太阳、月亮和行星都可以适宜的速度进行运动。其他的齿轮传动装置又可以表演出年运动中的进动。

1920年初,鲍尔斯费尔德开始作出设计图纸,并进行技术方面的计算,这些图纸和计算草稿有600页之多,一大批机械工程师、光学工程师和电气工程师从事这项工程,从最初的概念到完成,共花费了4年时间。1923年,这项巧夺天工的设计与制作终于完成了。

1923年8月,耶拿—这座不大的城镇、蔡司厂的所在地—突然沸腾起来,人们从四面八方赶到这里—蔡司工厂的楼上一个专门建造的直径16米的圆屋顶,一睹这人造星空的奇观:灯光渐渐暗下来,霎时银幕上隐隐约约出现了一个个的光点,天空越来越黑,光点越来越亮,啊!星空出现了,人们已经忘记了自己的所在,仿佛是在自然界里欣赏满天的繁星。讲解员的手电筒亮了,一束发光的小箭头在天上指来指去,这是北斗七星,那是牛郎织女,还有横跨天空的银河。星空转动了,星星都在东升西落。人们看得入神,只听见观众的呼吸声、耳语声,还有马达的细微声响。

成功的消息立刻传开,许多外国人专程前来观赏。丹麦哥本哈根天文台台长斯托姆格看过之后异常激动,说出“奇迹出自耶拿”这句赞扬天象仪的名言。他在《耶拿的奇迹》一文中这样写道:“在过去任何时候都没有创立过像这样大有教益的、魔术般的设施。这里是学校,是在苍穹下的教室;同时又是剧院和电影院,在表演中,天体就是演员。”

鲍尔斯费尔德发明的这台天象仪被运往慕尼黑的德意志博物馆,并临时安放在直径9.8米的圆屋顶里。在它的表演能力得到证实以后,它又被运回耶拿。1925年5月这台仪器被安放在直径9.8米的圆屋顶内,并一直使用到第二次世界大战。它在战争的空袭中幸存下来,1951年5 月被安装在德意志博物馆的另一处圆屋顶内。最终,当1960年一台新的蔡司天象仪被安装在新的圆屋顶时,这台鲍尔斯费尔德发明的天象仪就成为博物馆的永久性陈列品。

1923年鲍斯菲尔德设计研制的第一台天象仪称为蔡司Ⅰ型。蔡司Ⅰ型天象仪虽好,但只能放映当地纬度(慕尼黑,北纬48°)地区的星空,还需要加以改进。

蔡司光学工厂的沃尔特·威利格尔(Walter Viliger,1872~1938)工程师,于1925年研制成功了有对称结构的大型天象仪,称蔡司Ⅱ型。它由两个恒星球和中央笼架(亦称行星笼架)组成,形似哑铃,能表演地球上任何纬度地方所看到的星空。这样,天象仪的基本结构和形态就确立下来,直到1973年太空型天象仪出现之前,各类大中型天象仪都没有超越过这个基本形态。1925~1939年间蔡司厂共生产25台Ⅱ型天象仪(Ⅰ型仅生产两台)用这些设备在欧洲、北美和亚洲建立了25座天文馆。

当年沃尔夫台长建议制造的是可以让人进入其中的大型天球仪模型,让天球旋转,以演示天体的周日运动。显然这种仪器是无法让众多人观看的,在工艺制造上也会遇到很多困难,是难以实现的。鲍尔斯费尔德反其道而行之,让作为银幕的球状物固定不动,由许多小投影器组合起来的仪器放在半球形大厅的中央,让仪器转动,模拟天象。虽然这只是一点的改变,却是质的飞跃。这是仪器设计思想的大突破,是不墨守成规,敢于创新的巨大成功。

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鲍尔斯费尔德天象仪的首场星空表演

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世界各地陆续建立的天文馆都以威利格尔设计的蔡司Ⅱ型天象仪向观众展示灿烂的星空

鲍尔斯费尔德终生致力于天象仪的研制与改进。1959年他停止了那富有创造力的铅笔和滑动的尺子。当人们聚集在海登海姆其墓碑前悼念他的时候,蔡司厂的董事长这样称颂鲍尔斯费尔德:“他永远为其他的成功建造桥梁,打开生命的全部动力,热情地埋头于美好的艺术,决不冒取成功,决不倒退,决不仅仅举着过去。他是一个有着超人智慧的,极其伟大的人。正因为如此,鲍尔斯费尔德将继续活在我们的记忆之中。”

天象仪从1926年后开始迅速普及,它再也不是博物馆中的一件展品了,它已经发展成为一个传播天文、历史和文化知识的中心,因此我们可以把1926年看作世界天文馆事业的起点。

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蔡司工厂楼上专门建造了一个直径16米的元屋顶,人造星空的首场演出就在这里进行

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哑铃型天象仪的设计者沃尔特·威利格尔工程师

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