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天文学和宇宙学的进步如何影响天文馆

  作者丨【英文】William Fairbraith

  近日,据上海报道,上海天文馆

  (上海科技馆分馆)

  项目工地已正式复工。 建设地点位于浦东新区临港大道与环湖北三路交汇处,距地铁16号线滴水湖站约700米。包括主体建筑,以及青少年观摩基地、公共天文台和神奇的太阳塔。 建成后将成为世界上建筑面积最大的天文馆,预计明年开放。

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  上海天文馆项目施工现场。

  正如上海天文馆的设计师、Ennead建筑设计事务所设计合伙人Thomas Huang所言:“在国际奖项中屡获殊荣的上海天文馆的设计象征着时空的思考和创造力:现代、前瞻性的建筑设计与历史文脉的衔接,体现了中国从古至今丰富的天文研究积累,体现了中国未来探索宇宙的雄心。天文馆本身传达了一个超越科学本身的内容:在浩瀚未知的宇宙中作为人类的意义。”

  建筑师威廉·费尔布雷思写了一本天文馆的“传记”。 天文馆是大多数人童年记忆的一部分。 它从哪里来的? 它是如何模拟太阳系和宇宙的,又随着天文学的发展而发生怎样的变化? 其内部结构和外部结构有何联系? 天文学和宇宙学的进步如何影响现代天文馆? 这些问题都可以在本书中找到答案。 以下内容摘自William Fairbraith的《天文馆简史:从明星剧场到现代天文馆》,经出版社许可出版。

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  《天文馆简史:从星空剧场到现代天文馆》,威廉·费尔布雷思着,朱炬译,中信出版社·鹦鹉螺2019年11月版。

  星空剧场的演示并没有阐明当时天文学的复杂性

  让我们回到埃及太阳女神努特简单得多的日子。 她的星星装饰的身体覆盖了地球的表面。 她在晚上吞下太阳,在早晨再次诞生——象征着人类灵魂的无尽轮回。 诸如此类的概念,即使本质上难以捉摸,也可以通过壁画的形式来解释,这些壁画与法老墓中女神的神话相匹配。 任何人都可以理解夜空的景象,即使这个想法背后的复杂性只有当时的牧师才能理解。

  巴尔斯菲尔德位于耶拿的天文馆有其自身的简单性。 它代表行星系统绕太阳的运动。 它不像坚果神话那样光鲜亮丽,但每个人都能理解。 星辰剧场的演示模拟了观察者在晴朗的夜空中看到的景象,但并没有阐明当时天文学的复杂性。 这些问题超越了漫不经心的观察者,并且比简单地看到真实的夜空要深刻得多。 天文馆圆顶的结构体现了边界明确的太阳系概念,复制了从地球上看到的实际夜空景观。 在短时间内,天文馆建筑的外部和内部可以属于同一个系统。

  但今天,我们需要考虑无数的宇宙现象,这些现象很难对应于任何有限的建筑空间。 这些东西本身通常缺乏清晰的形式,或者根本不存在于我们的视野内。这个清单以特定的天文节奏继续下去——黑洞、褐矮星、类星体、脉冲星、宇宙射线、不同类型的中微子、大质量弱相互作用粒子

  (WIMP)

  、不确定性原理、微扰理论、虫洞、白洞、轴子、暗流体、狄拉克海、外星通讯、多元宇宙,以及许多其他仍然只存在于这个科学猜想领域的东西。 对于概念性的事物。

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  上海天文馆. 图片来自Ennead建筑设计事务所官网。

  天文学和相关的宇宙学和天体物理学为各种潜在有趣的现象提供了完美的场所,例如中世纪天文学家为填补天空中的空白而想出的奇妙动物和人物形象,或者文艺复兴时期宇宙学家假设的各种天使秩序以及其他天上的众生。 这些现象很多都源于当代科学的理论命题,但能在地球表面用肉眼观察到的却很少。 大多数需要使用极其复杂的仪器来检测、研究和解释。 我们几乎什么也看不见,因为这些东西离我们太远了,而且很多都是看不见的。 可见的和纯粹的物质存在逐渐降级为次要角色,因为宇宙现在基本上被认为是不可见和无形的。

  天文学家现在推测

  (但不可能真正确定,因为理论和反理论都发展迅速)

  暗物质和暗能量占宇宙的90%以上。 因此,我们人类甚至与宇宙中的绝大多数物质都不是由相同的物质组成的,我们也许只是一个更大的故事中一个微小的、微不足道的部分。 这种推论的影子可以追溯到似乎早已被遗弃的诗学理论和古代神话。

  天体物理学家弗兰克·克洛斯

  (弗兰克·克洛斯)

  在《虚无》中

  (没什么,2009 年)

  这本书将当今对辨别什么存在、什么不存在或可能不存在的追求与《梨俱吠陀》的古老诗句进行了对比:“不存在的东西,也不存在的东西/黑暗被黑暗覆盖/它被虚空包围。” 天文学的精确性正在接近神秘诗歌的模糊性。 展示虚无原理的天文馆将是一个有趣的提议。

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  蔡司投影仪显示火星和木星的轨道,1996 年。

  天文学和宇宙学的进步如何影响天文馆?

  从地球表面看到的夜空一直是天文馆的传统出发点,但夜空正在逐渐被遮挡。 2016年6月,意大利光污染科学技术研究所和美国国家海洋和大气管理局的一项联合研究指出,60%的欧洲人和80%的北美人已经无法区分我们银河系的光带,原因是光污染。 而世界上超过30%的人已经无法分辨银河系。 路灯和其他人造光源和照明设施发出的光直接进入夜空,并被大气中的水滴反射,形成一种“天光”。 如果城市和高速公路沿线的所有电灯都可以关闭,这种光污染就会减少,这个问题自奥斯卡·冯·穆勒时代以来就一直在加剧。

  虽然我们在夜空中的视野持续缩小,但太空探测器正在以惊人的精度观测越来越远的物体。 1990年,哈勃太空望远镜在拖延多年后发射升空。 它是第一台能够从地球大气层之外进行观测的望远镜; 1992年,宇宙背景探索者卫星开始研究大爆炸的辐射; 1997年,卡德悉尼探测器向土星发射,其着陆器惠更斯号于2005年登陆土卫六; 2012年,观测天文学家使用夏威夷凯克望远镜首次提供了黑洞存在的证据; 2015年,路易斯安那州和华盛顿州的激光干涉引力波天文台探测到了13亿年前两个黑洞合并产生的引力波。

  (LIGO)

  检测到; 2017年,航海者二号探测器接近星际空间,朱诺号探测器穿过了木星极不稳定的磁场,开始了其37转轨道计划的第一圈。

  这些探测器可以将高分辨率图像发送回地球并目视扫描其视野。 但它们也是有限的。 膨胀宇宙中的一些现象离我们如此遥远,以至于来自那里的光没有时间到达我们。 这意味着,假设光速是绝对的,我们无法从地球上看到这些现象。 可见的宇宙确实有一定的局限性。

  天文学和宇宙学的这些进步如何影响天文馆? 天文馆不再处理相对简单的太阳系,现在必须考虑不断膨胀的宇宙,其中大部分超出了我们的可见范围。 天文馆有不同的路径,每条路径都指向不同的方向。 它可能只是一个博物馆,展示古老的天文学思想并重复熟悉的节目,迷人但越来越无关紧要,就像几十年来一遍又一遍地播放熟悉的戏剧的剧院一样。 它可能会成为一种模仿流行太空电影(例如《地心引力》)中特效的太空剧院

  (地心引力,2013)

  、《星际穿越》

  (星际穿越,2014)

  ,甚至《生命之树》

  (生命之树,2011)

  用蜡和油制作的令人着迷的宇宙模拟动画。 它可以与传统上关注超越可见的存在的宗教和灵性等概念联系起来。 随着数字投影仪的出现,天文馆可以适应技术的不断进步,而计算机强大的存储能力可以将现代天文学所需的日益复杂的图像投影到上方的半球形屏幕上,从而变得更加技术化。 随着当今智能手机功能日益强大的趋势,人们可能会想,在不久的将来,天文馆是否也会变得个性化,创造出个人版本的数字天空。

  事实上,每条路径都有天文馆选项,而且不同的路线常常交织在一起,就像不同类型的戏剧一样

  (神圣的、粗俗的、直觉的戏剧等)

  他们也会互相混合。 然而,几乎所有在天文馆表演的节目本质上都是社交性的,涉及一大群人聚集在一起欣赏星星出现的景象。 当灯光暗下来,星星出现时,他们不可避免地发出感叹和感叹,即使是来自现在认为自己已经知道这一切的一代人。

  投影技术的快速发展改变了天文馆演出的本质

  计算机技术的快速进步以及存储和投影大量信息的能力彻底改变了天文馆观察宇宙的方式。 在我们这个时代,数字投影仪为当时更加有限的模拟世界提供了相当于 Ballsfeld 在 1920 年代所做的事情。

  全能的计算机长期以来一直是科幻小说的最爱,自 20 世纪 60 年代以来就出现在天文馆中,并且经常与多年来最受欢迎的宇宙灾难故事联系在一起。 艾萨克·阿西莫夫

  (艾萨克·阿西莫夫)

  短篇小说《最后的问题》

  (最后一个问题,1956)

  两者都出现在其中。 在故事中,两位穿着传统白色实验室外套的科学家讨论了宇宙的终结:

   “我明白,”阿德利说。 “不用喊,当太阳消失后,其他星星就会不复存在。”

   “他们当然走了,”卢波夫嘀咕道。 “这一切都始于最初的宇宙爆炸,无论它是什么,当所有恒星熄灭时,它就会结束。”

  两位科学家询问一台强大的计算机是否有一种方法可以减少宇宙中的熵——不断增加的熵最终将导致所有生命的终结。 “没有足够的信息来得出有意义的答案,”计算机回答道。 同样的问题被重复了超过一百万年,答案却始终如一。 终于,在宇宙灭亡的那一刻,终于获得宇宙所有能量的计算机突然闪现出早已消失、人类听不到的回复:“‘一定有光!’” 并且有光。”

  整个传奇故事再次开始。 “最后一个问题”是美国天文馆最受欢迎的节目主题之一。 以伦纳德·尼莫伊为旁白的版本在密歇根州的艾布拉姆斯天文馆、纽约的海登天文馆以及埃德蒙顿、波士顿、费城和许多其他地方的天文馆放映,并延续至今。 不难相信,这个故事对于那些经营天文馆的人来说具有相当大的吸引力——真实的宇宙结束了,星空秀结束了,但电脑或投影仪作为机械“纵洞天”,用控制光的方式宣告了神圣的宣告重生重启了这场宇宙秀。

  投影技术的真正进步出现在 20 世纪 80 年代,其快速发展改变了天文馆表演的性质。 美国马里兰州科学中心首次采用了由六台幻灯机组成的全天空系统,每台幻灯机都有一个特殊的广角镜头,可以将投影投射到顶角为60度的三角形分区上。圆顶。 巧妙地合成覆盖整个穹顶的 360 度图像。 投射在圆顶上的图像并不总是天文数字,也可以是艺术品或天气状况,因此圆顶可以用来创造身处其他地方的错觉。 全天空系统还可以投射建筑物的图像,营造一种身临其境的感觉,例如在圣彼得大教堂的圆顶下或在阿罕布拉的星空大厅中。

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  德国沃尔夫斯堡天文馆的激光表演,20 世纪 80 年代。

  第一台数字天文馆投影仪 Digital Star 由数字图形公司 ISK 发明,于 1983 年首次安装在弗吉尼亚州里士满的一家天文馆。 它通过鱼眼镜头将计算机软件产生的一系列图像投影到球顶上,从而摆脱了以前投影仪的机械限制。 所有那些以不同速度移动的美妙灯光以及为当时的特效而制作的各种幻灯片,都是从剧院的舞台特技中借来的,现在都被一个简单的盒子所取代。

  这些早期数字投影仪的缺点是它们通过线框工作,因此只能产生黑白点和线。 早期的图像质量也很差,分辨率远低于竞争对手的模拟投影仪。 它们也缺乏穹顶下巨型蔡司哑铃形投影仪的气势。 但数字投影仪正在迅速发展,各种制造商不断生产具有不断增加的细节和更高图像分辨率的投影仪。

   1993 年,自 20 年代以来以各种形式出现的巨型蔡司哑铃形模拟投影仪已演变为比例更为适中的 Mark VII,称为“恒星球”。 这台机器是一项了不起的技术成就,其所有复杂的机械装置都装在一个大致球形的外壳中。 同样是在1993年,慕尼黑的新德意志博物馆天文馆投入使用了一台恒星球投影仪,配备了80台单帧投影仪、6台视频投影仪和安装在机械臂上的激光发射器。 观众可以使用座位上的按钮控制内容。

   20 世纪 90 年代,纽约、柏林和慕尼黑等高端天文馆的节目结合了幻灯机、激光、电影和音响系统,所有这些都由计算机连接和控制。

  (因为此时各种投影设备太复杂,无法由导师手动控制)

  ,产生令人眼花缭乱的特效——银河系深处的旅程、爆炸的恒星、广阔的宇宙场景等。

  偶尔,精彩的激光表演伴随着重金属音乐,让这些表演变成了某种“天文迪斯科”。 几年来,竞技场摇滚和天文学并行发展,形成了行星演奏的中世纪天体音乐的更新版本。 平克·弗洛伊德的《月之暗面》

   (1973)

  在伦敦天文馆上演,而 Kraftwerk 在体育馆的一场音乐会上在发光的行星背景前表演了他们的纯音乐曲目“彗星旋律”。

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  蔡司宇宙馆投影仪。

  原天文馆的大胆和实验精神依然存在

   2000 年代初,一些天文馆发展成为令人惊叹的太空娱乐中心,既充当科学机构,又充当巨幕剧院。 当时的投影设备价格昂贵,只有纽约市罗斯地球与太空中心和芝加哥阿德勒天文馆等资金雄厚的天文馆才能负担得起这样的节目。 今天的投影设备便宜得多,并且可以产生高清图像,使得数字投影仪几乎成为天文馆的标准配置。

  今天的数字投影仪可以穿越时空,从任何视角显示太阳系和星系的视图,并且可以在微观和宇宙尺度之间缩放。 天象仪投影仪可以产生任何所需的效果,因此从某种意义上说,它可以投影天文学中任何可见的进步,并提供类星体和黑洞等物体的假设视图。 一些天文馆投影仪现已连接到互联网,可以显示来自轨道望远镜和太空探测器的实时图像,基本上成为大量观众的数字天文台。 与进行模拟表演的传统使命相比,现代天文馆的现实与想象日益交织在一起。

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  名古屋天文馆,2011 年。

  然而,天空容不下地面的平庸。 原天文馆的大胆和实验精神依然存在。 带有圆顶屏幕的现代天文馆的内部本身并不新鲜,看起来就像一个相当普通的电影院。 但如果不再保留传统的穹顶,改变天文馆内部的空间呢? 毕竟,圆顶作为人造天空的总体想法可以追溯到科斯罗国王时代。 当 Etienne-Louis Buret 设计他宏伟的 18 世纪球体时,他设想了一个完全球形的内部,但球体从未建成。 人们对 360 度天文馆提出了各种建议,其中配备了能够将高分辨率图像信息投射到球体内部的计算机。

   1985年,伦敦的伊恩·里奇建筑师事务所提出了一个名为“Sphere Vision”的项目

  (球面镜)

  该项目计划建在距离格林威治本初子午线不远的河岸上。 该建筑被设计为一个直径30米的玻璃球体,其内部是另一个钢球体,沿横截面嵌入不反光玻璃地板。 外球体由边缘的外柱支撑。 300名观众可以躺在或坐在玻璃地板上,两台投影仪

  (一个负责上半球,一个负责下半球)

  在球体内部 360 度投影图像,以创造整个空间的错觉。

  现代天文馆最有趣的部分是它的内部编程,而不是它的外观。 光的投射创造了一个没有明确尺度的巨大空间。 这种空间的非物质化是 20 世纪初的建筑雄心之一,当时出现的各种内部空间划分最小化的玻璃建筑设计就是例证。 天文馆的表演更进一步,表明物理边界也可能消失。 观众席中的观众既置身于日常生活的空间中,又置身于看似无边无际的宇宙之中。

  很少有天文馆的外观值得如此雄心勃勃。 它们通常只是适应某种建筑风格的墙壁。 在某种程度上,无论半球形内穹顶内部的空间是什么样子,它都可以融入大多数建筑形式——球形、寺庙式、现代主义、后现代主义、新现代主义或任何当前流行的风格。 至于非视觉、非物质的天文学能够启发什么样的天文馆建筑,这是一个没有明确答案的问题。

  虽然还没有一家天文馆敢于效仿球形视场,创造出球形的内部投影空间,但许多天文馆都采用了球体作为外部建筑形式,自然让人联想到行星和其他天体。

  以上内容摘自《天文馆简史:从明星剧场到现代天文馆》。 在原文的基础上进行了删节和修改。 字幕为编辑所加,不属于原文所有。 它已获得出版商的许可而出版。

  作者丨【英文】William Fairbraith

  摘录丨何安安

  编辑丨安野

  校对丨何彦

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