2020-03-23 10:27:23新京报 编辑:何安安
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天文学和宇宙学上的进展如何影响天文馆?

2020-03-23 10:27:23新京报

天文馆作为大部分人童年记忆的一部分,它究竟从何而来?它是怎样模拟太阳系和宇宙,怎样随着天文学的发展而变化?它的内部和外部结构之间有着何种联系?对于现代天文馆来说,天文学和宇宙学上的进展又如何影响天文馆呢?

作者丨[英]威廉·法尔布雷斯



近日,据上海发布报道,上海天文馆

(上海科技馆分馆)

项目工地已正式复工。该工地位于浦东新区临港大道与环湖北三路口,距离轨道交通16号线滴水湖站约700米。它包括1幢主体建筑,以及青少年观测基地、大众天文台和魔力太阳塔等附属建筑,建成后将成为全球建筑面积最大的天文馆,预计于明年开放。


上海天文馆项目工地。


作为上海天文馆的设计方,Ennead建筑设计事务所设计合伙人托马斯·黄表示:“在国际奖项中屡获殊荣的上海天文馆设计象征了时空一体的思维和创造力:现代化、前瞻性的建筑设计和历史文脉相接,在中国从古至今天文研究的丰厚积淀中,映射出中国对未来宇宙探索的雄心壮志。蕴涵历史文脉的‘轨道’式设计和天文馆本身的科研目的传递出超越科学本身的内容:在浩瀚、未知的宇宙中,作为人类所存在的意义。”


建筑师威廉·法尔布雷斯为天文馆写下了一本“传记”。天文馆作为大部分人童年记忆的一部分,它究竟从何而来?它是怎样模拟太阳系和宇宙,怎样随着天文学的发展而变化?它的内部和外部结构之间有着何种联系?对于现代天文馆来说,天文学和宇宙学上的进展如何影响天文馆?这些问题,都可以在这本书中找到答案。以下内容节选自威廉·法尔布雷斯所著的《天文馆简史:从星空剧院到现代天文馆》,已获得出版社授权刊发。


《天文馆简史:从星空剧院到现代天文馆》,[英]威廉·法尔布雷斯著,朱桔译,中信出版社·鹦鹉螺2019年11月版。


星空剧院的演示没有阐明当时天文学的复杂性


让我们回到简单得多的埃及太阳女神努特的时代。她装饰着星辰的躯体覆盖了地球的表面。她在傍晚吞下太阳,又在清晨再次生下它——这是对人类灵魂无尽转世轮回的表现。诸如此类的概念,哪怕本质上不可捉摸,也能以壁画这种法老墓中与女神的神话相匹配的形式被阐释。任何人都可以理解对夜空的景象,哪怕这一理念背后隐含的复杂性在当时只被祭司们所参透。


鲍尔斯费尔德位于耶拿的天文馆有其自身的简单之处。它能表现行星系统围绕太阳的运动,虽不及努特的神话有魅力,但每个人都能理解。星空剧院的演示模拟了观察者在晴朗夜空中所能看到的景象,但没有阐明当时天文学的复杂性。这些问题早已超越了普通的观察者,比真实的夜空这一简单景象要深远得多。天文馆圆顶的结构适用于具有明确边界的太阳系的概念,复制了从地球看到的真实夜空景象。在一段短暂的时期中,天文馆建筑的外部和内部可以属于同一个系统。


但时至今日,我们需要考虑不计其数的宇宙现象,它们难以与任何有限的建筑空间相对应。这些事物通常自身就缺乏清楚的形态,或根本不存在于我们的视野范围之内。这份名单以特定的天文学韵律延续着——黑洞、褐矮星、类星体、脉冲星、宇宙线、不同“味”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、外星人通信、多重宇宙以及其他许多在这一科学猜想恣意发散的领域中目前仍仅存在于概念上的事物。


上海天文馆。图片来自Ennead建筑设计事务所官网。


天文学及相关的宇宙学和天体物理学成为各类潜在有趣现象出现的绝佳场所,好比那些中世纪天文学家提出来填充天空中空余位置的精彩的动物和人类形象,或者文艺复兴时期宇宙学家假想的各个等级的天使以及其他天上的存在。这些现象中有许多源自当代科学的理论主张,但没几个能用裸眼在地球表面观测到,绝大多数都需要运用极其精密的仪器探测、研究并解读。我们几乎什么都看不到,因为这些事物过于遥远,并且当中许多本来就不可见。可见的和纯粹物质性的存在渐渐被贬为了次要角色,因为宇宙如今在本质上被认为是不可见且无形的。


现在的天文学家推测

(但无法真的确定,因为理论和反理论皆发展迅速)

暗物质和暗能量在宇宙构成中的占比远超 90%。因此,我们人类甚至不是由与宇宙的绝大部分相同的物质组成的,我们或许只是一个大得多的故事中微不足道的一小部分。这一推断的影子能追溯到诗论和貌似早已被抛弃的远古神话。


天体物理学家弗兰克·克洛斯

(Frank Close)

在《虚无》

(Nothing, 2009)

一书中,对比了现今为分辨什么存在而什么不存在或可能不存在所进行的探索与《梨俱吠陀》中的古老经文:“不是不存在的,也不是存在的/黑暗被黑暗所掩盖/它变成的被虚空所包围。”天文学的精确性正逼近神秘诗论的模糊性。一座阐释虚无原理的天文馆会是个有趣的提案。


蔡司投影仪投影出的火星和木星轨道,1996年。


天文学和宇宙学上的进展如何影响天文馆?


从地球表面看到的夜空景象一直以来都是天文馆传统意义上的出发点,但夜空在渐渐被遮蔽。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,由于光污染,60%的欧洲人及80%的北美洲人无法再分辨我们星系的光带,而世界上超过30%的人无法再分辨银河。来自路灯和其他人造光源及照明设施的光线直达夜空,被大气层中的水滴反射从而产生一种“天光”。如果能关掉城市里和高速公路旁的所有电灯,这种光污染便会减轻,这样的问题从奥斯卡·冯·米勒的时代就开始逐渐显现。


虽然我们在夜空的视野不断缩小,但太空探测器正以惊人的精度观测到越发遥远的事物。1990年,哈勃太空望远镜在推迟多年后发射了,它是第一个能够从地球大气层之外进行观测的望远镜;1992年,宇宙背景探测者卫星开始研究来自大爆炸的辐射; 1997年,卡西尼号探测器被发射向土星,它的着陆器惠更斯号于 2005年降落在土卫六上;2012年,观测天文学家使用夏威夷的凯克望远镜提供了黑洞存在的第一份证据;2015年,13亿年前两个黑洞合并产生的引力波被位于路易斯安那州和华盛顿州的激光干涉引力波天文台

(LIGO)

探测到;2017年,旅行者2号探测器正在接近星际空间,而朱诺号探测器已经穿过了木星极不稳定的磁场并开始了它37圈绕轨计划的第一圈。


这些探测器能向地球发回高分辨率的图像,并对其视场进行可视扫描。但它们也受到限制。不断膨胀的宇宙中有一些现象距离我们太过遥远,来自那里的光线还来不及到达我们这里。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。可见的宇宙确实存在着一定的限制。


这些天文学和宇宙学上的进展是如何影响天文馆的呢?天文馆面对的不再是相对简单的太阳系,它现在必须考虑到不断膨胀的宇宙,其绝大部分超出了我们的可见范围。天文馆可以沿各种道路前进,每一条都指向不同的方向。它可以仅仅是一种展示陈旧的天文学理念并重复着常见的节目的博物馆,有魅力但越来越不切题,就像数十年来一再上演观众耳熟能详的剧目的剧院一样。它可以成为一种模仿流行太空电影中的特效的天文影院,例如《地心引力》

(Gravity,2013)

、《星际穿越》

(Interstellar,2014)

,乃至《生命之树》

(The Tree of Life,2011)

中以蜡和油制作出的令人着迷的宇宙模拟动画。它可以与宗教和精神性这些在传统上专注于可见之物以外的存在的概念相联系。它也可以更加技术化,随着数字投影仪的出现,天文馆能够适应技术的不断进步,而计算机强大的存储能力,也使得现代天文学所需的越来越复杂的图像能够被投射到半球形银幕之上。随着现今智能手机功能越发强大的潮流,人们或许会好奇,天文馆是否也将在不久的将来变得个性化,创造出个人版本的数字天空。


事实上,这当中的每条路径都有天文馆选择,不同的路线也常常交织在一起,就像不同类型的戏剧

(神圣、粗俗、直觉戏剧等)

也会相互交错混杂。不过,几乎所有在天文馆中上演的节目都具有社会性,都是一大群人聚在一起欣赏点点星光浮现的景象。随着灯光渐暗、群星出现,他们不可避免地发出惊呼和感叹,就连当下认为自己早已熟知这一切的这一代人也不免如此。


投影技术的迅速发展改变了天文馆演出的本质


随着计算机科技的迅速发展以及存储和投影极大量信息的能力的实现,天文馆展望宇宙的方式发生了巨变。在我们这个时代,数字投影仪提供着相当于20世纪20年代鲍尔斯费尔德为当时局限得多的模拟世界带去的效果。


无所不能的计算机一向是科幻作品的最爱,它从20世纪60年代就开始出现在天文馆中,并往往与多年来最受欢迎的宇宙大灾难的故事联系在一起。艾萨克·阿西莫夫

(Isaac Asimov)

的短篇故事《最后的问题》

(The Last Question,1956)

中两者皆有登场。故事中,两位穿着传统的白色实验服的科学家讨论着宇宙的终结:


“我明白,”阿德利说,“用不着大喊。太阳完蛋了的时候,其他恒星也将不复存在。” 

“它们当然不在了,”卢波夫嘟囔着,“一切都开始于最初的宇宙爆炸,不管它是什么,一切也都将在所有恒星熄灭的时候结束。”


两位科学家询问一台功能强大的计算机,是否有降低宇宙中熵的方法——不断增加的熵最终会令一切生命走向终点。计算机回答道:“现有信息不足以得出有意义的答案。”同样的问题在超过百万年的时间中被一再重复,而答案一直不变。终于,在宇宙灭亡的一刻,这台最终得到了宇宙里所有能量的计算机突然闪现出早已消失的人类无法听到的回复:“‘要有光!’于是就有了光。”


整个传奇性的故事再次开始。《最后的问题》是美国天文馆中最受欢迎的节目主题之一。伦纳德·尼莫伊作为叙述者的版本在密歇根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、费城和其他许多地方的天文馆中上映,甚至持续至今。不难相信这个故事对运营天文馆的人具有相当大的吸引力——真正的宇宙终结了,星空表演也结束了,但一台作为机械“宗动天” 的计算机或投影仪,以对光的重生的神圣宣告重新开始了这场宇宙表演。


投影技术的真正进步出现在20世纪80年代,它的迅速发展改变了天文馆演出的本质。美国马里兰科学中心首次使用了包含6台幻灯片投影仪的全天空系统,其中每一台都带有特制的广角镜头,分别向从圆顶处划分的顶角为60度的三角形分区投影,这些区域巧妙地合成一张覆盖整个圆顶的360度图像。投射在圆顶上的图像并不全都与天文学相关,也可以是艺术作品或是天气状况,这个圆顶因而可以被用来制造身在他处的幻觉。全天空系统也可以投影建筑的图像,营造出譬如身处圣伯多禄大教堂的圆顶之下或阿尔罕布拉宫的星空大厅之中的感觉。


天文馆的激光表演,德国沃尔夫斯堡,20世纪80年代。


第一台数字式天文馆投影仪数码星由数字图形公司益世发明,并于1983年首先被安装在弗吉尼亚州里士满市的天文馆。它能够将计算机软件制作出的图像序列透过一个鱼眼镜头投影到圆顶上,从而摆脱了之前投影仪机械上的限制。由戏剧中的舞台特技借鉴而来的,所有那些以不同速度移动的精彩灯光和为当时的特效制作的各种幻灯片,如今都被一个简单的盒子取代了。


这种早期的数字投影仪也有缺点,它们通过一个线框工作,因此只能生成黑白的点和线条。早期的图像质量也很差,分辨率远低于其对手模拟投影仪。它们也缺少巨大的蔡司哑铃形投影仪在圆顶下的气势。但数字投影仪发展迅速,各种各样的制造商不断生产出细节越发精巧并带有更高图像分辨率的投影仪。


1993年,自20世纪20年代以各种形态出现的巨大的蔡司哑铃形模拟投影仪,已经发展到被称为“恒星球”的比例更适中的马克七号。这台机器是一项了不起的技术成就,其内部所有复杂的机械设备都被组合在一个大致呈球形的外壳中。同样是在1993年,慕尼黑的新德意志博物馆天文馆将恒星球投影仪投入使用,并配有80台单幅投影仪、6台视频投影仪以及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,诸如纽约、柏林和慕尼黑的那些高端天文馆内的节目结合了幻灯片投影仪、激光、影片和声音系统,全部由计算机连接并控制

(因为此时各种投影设备已过于复杂,无法由讲解员人工操控)

,生成令人眼花缭乱的特效——飞往银河系深处的旅程、爆炸的恒星、浩渺的宇宙景象等。


个别时候,伴着重金属音乐上演的精彩的激光表演,使这些节目变得像是某种“天文迪斯科”。有那么几年,舞台摇滚和天文学的道路并行,形成了中世纪时由行星演奏的球体的音乐的升级版。平克·弗洛伊德乐队的《月之暗面》

(1973)

在伦敦天文馆发表,而发电站乐队在体育馆举行音乐会时,在发光的行星背景前演奏了他们的纯音乐曲目《彗星旋律》。


蔡司宇宙馆投影仪。


原始天文馆大胆和勇于试验的精神依然存在


在21世纪初期,一些天文馆演变成了令人惊叹的太空娱乐中心,它们既是科学机构又是巨幕影院。当时投影设备十分昂贵,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充裕的天文馆才能够负担这类节目。如今投影设备要便宜得多,并且能生成高清图像,这使得数字投影仪几乎成了天文馆中的标准配置。


现在的数字投影仪能够穿梭时间和空间,从任何视角展现太阳系和星系的景象,并能在微观和宇观尺度间缩放。天文馆投影仪可以生成任何想要的效果,因此在某种意义上,它可以投影出天文学中任何可视的进展,并提供类星体及黑洞等天体的假想景象。现在的一些天文馆投影仪与网络相连,能够展示在轨望远镜和空间探测器发回的实时图像,在实质上成为面向大量观众的数字天文台。相较于进行模拟表演的传统使命,在现代天文馆中,真实与想象越发交错。

 

名古屋天文馆,2011年。


然而,天空无法容忍地面上的平庸。原始天文馆大胆和勇于试验的精神依然存在。带有球幕的现代天文馆内部本身并无新奇之处,就像一个相当普通的电影院。但如果不再保留传统的圆顶,对天文馆内部的空间进行改变,又将如何呢?毕竟将圆顶作为人造天空的大致理念可以追溯到霍斯劳王的时代。艾蒂安–路易·部雷在设计他那宏伟的18世纪的圆球时,构想过完全球形的内部空间,但圆球从未被建造。曾经也出现过各种360度天文馆的提案,配有能够将高分辨率的图像信息投影到球体内部的计算机。


1985年,伦敦的伊恩·里奇建筑事务所提出了一个名为“球体视野”

(Spheriscope)

的方案,计划建于格林尼治本初子午线不远处的河岸。建筑被设计成一个直径30米的玻璃球体,其内部是另一个沿横截面嵌着无反射玻璃地板的钢制球体。外部的球体由边缘的外柱支撑。300名观众可以躺或坐在玻璃地板上,两台投影仪

(一台负责上半球,一台负责下半球)

将影像360度投影到球体内部,以产生整体空间的错觉。


现代天文馆最有意思的部分是其内部的节目效果,而非它的外部形态。光的投影创造出一个巨大的、没有确定尺度的空间。这种对空间的去实体化是20世纪早期建筑的野心之一,比如当时出现的各种带有最低限度的内部空间划分的玻璃建筑的设计。天文馆的节目更进一步,暗示实体边界也可能一并消失。观众席上的观众同时身处于他们的日常生活的空间之内,和看似无边无际的宇宙之中。


鲜有天文馆的外部建筑配得上这样的雄心壮志,它们往往只是适应着某种建筑风格的围墙。在某种程度上,无论半球形内部圆顶里的空间是什么样子,它都能被纳入大多数建筑形式——球形的、神殿式、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何种天文馆建筑,则是一个没有明确答案的问题。


虽然没有天文馆有足够的勇气追随球体视野的步伐,创造球形的内部投影空间,许多天文馆还是采用了球体作为外部建筑形态,令人自然地联想到行星和其他天体。


以上内容节选自《天文馆简史:从星空剧院到现代天文馆》,较原文有删节修改,小标题为编者所加,非原文所有,已获得出版社授权刊发。


作者丨[英]威廉·法尔布雷斯

摘编丨何安安

编辑丨安也

校对丨何燕

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