17世纪后，大众广泛地认为哥白尼的日心说是正确的，于是太阳系的模型被制作了出来。1704年，英国的钟表工匠乔治·格雷厄姆再现了地球的公转、自转以及月球公转周期的比例，并用机械装置表现了天体的运行，制作了精密的太阳系模型。这种太阳系模型以奥勒利伯爵的名字命名为奥勒利。1781年，荷兰业余天文学家艾辛格在家中制作了太阳系的模型，并命名为天象仪，以向那些担心N星连珠、害怕迷信的人传授天文知识。艾辛格的天象仪是现存最古老的天象仪。

2. 天球仪

天球仪是一种可以展示天球上恒星位置的装置，有助于人们理解天球和球面三角形的概念（译者注：天体运动仪追踪的是会动的天体的位置，比如月球和行星，所以整个装置是会动的，而天球仪上恒星的位置基本不会变，装置是不动的）。在古希腊，天球仪通常和天体运行仪一起被制造。图1展示了一个雕塑，神话中的巨人阿特拉斯托起了一个描绘着44个星座的天球仪。由于天球仪上的星座是绘制在球体表面的，因此其设计是反向（镜像）的（译者注：我们实际上总是在天球的内侧看天球）。解决这个问题的天球仪是制造于17世纪的戈特尔普天球仪。它是一个直径约4米，重量3.2吨的大型装置，人们可以进入其中，并观察到内部绘制的星座。现在，它的复制品在俄罗斯展出。

图1. 古代天球仪，法尔内塞的阿特拉斯（意大利拿坡里国立考古博物馆）

1912年，美国人阿特伍德制造了一个直径4.5米、内部中空的天球仪。恒星位置上有孔洞，从内部观察可以看到星星闪烁。孔洞共有692个，根据恒星的星等，它们被区分成了四种直径。黄道上有许多孔洞，行星的位置就可以通过开闭这些孔洞来表现。它被认为是最为先进的可进入内部的天球仪之一，现在在美国芝加哥的阿德勒天文馆展出（见图2）。

图2. 阿特伍德天球仪，美国阿德勒天文馆（维基百科）

二、光学式天象仪的诞生

1. 奥斯卡·冯·米勒的梦想

现代的天象仪诞生于20世纪初的德国。德国在19世纪末的工业化进程中取得了惊人的发展。当时担任巴伐利亚电力公司领导的奥斯卡·冯·米勒在1881年参观巴黎电气展览会之后对展示技术产生了浓厚兴趣。他认为， “科技领域的作品和伟大的艺术品一样，应该让人们在欣赏的同时学到知识，并成为人类文明的遗产”。

1903年，米勒呼吁建立一个科学技术博物馆--“德国博物馆”，让公众在娱乐的同时也能学到科技知识。他向海德堡天文台的天文学家马克斯·沃尔夫咨询了天文学展示的问题。由于海德堡天文台安装了蔡司公司最先进的望远镜，因此沃尔夫向米勒介绍了这所公司。蔡司公司根据米勒的要求，提供了最新的大型望远镜模型，由此开始了蔡司公司和德国博物馆的合作。

米勒希望的下一步是在展示厅内展示星空的组成。尽管蔡司公司拥有丰富的光学器材制造经验，但他们认为这样的装置超出了公司制造流程的范围，因此拒绝了委托。然而，米勒不放弃地继续说服蔡司公司，最终，蔡司公司同意制造天象仪。1912年，蔡司公司完成了米勒要求的展示装置。它是一个美丽的装置，将恒星刻在玻璃天球仪上，中心放置了上文提到的奥勒利太阳系仪，但是米勒并不满意。他特别不满意的是星星不能发光。作为一名电气工程师，米勒希望使用电灯泡来让星星发光，并使用电动马达来再现天体的运动。

图3. 德国博物馆的哥白尼型天象仪（图源：Deutsches Museum, Munich, Archive, BN）

2. 光学式天象仪的想法

托勒密型天象仪是一种能够再现从地面上看到的星空的设备。米勒和沃尔夫的想法是，“制造一个半球形的薄钢板，钢板上开孔并照亮周围，这样看起来就像是星星了。在内部则嵌入太阳系机关模型，太阳、月亮和行星沿着黄道线运动。少数观众可以进入内部观看天体的运动。”它可以被看作是阿特伍德天球仪的升级版本。一旦完成，它将成为一个惊人的作品，但如果参观者众多，就可能会面临长时间等待的问题。更重要的问题是，“在球体内部嵌入复杂的机关来显示太阳、月亮和行星的运动”是否现实可行。尽管有天象仪的构想，但由于实际规格尚未确定，德国博物馆的建设也正在进行中。因此，蔡司公司和德国博物馆之间需要紧急调整天象仪的问题。1914年2月24日，在耶拿市举行了由米勒呼吁的会议。在这次会议上，进行了历史性的交流。关于当时的情况，鲍尔斯菲尔特后来这样描述：

我曾经担任蔡司公司的董事会成员，在一次在耶拿召开的会议上与会。在会上，我们讨论了米勒先生所提出的制造机器的困难之处，但我并不认为这是无法克服的。我问道：“为什么要制造如此复杂和沉重的机器呢？”。“如果将天体图像光学地投影在球体内部，那不是更好吗？这样，复杂的机械可以被放置在中心的小型光学装置中取代。”我说完这句话后，同在会议上的董事会同事施特劳贝尔教授喊道：“那么恒星也应该从中央设备投影出来！” 这就是蔡司天象仪诞生的瞬间。

3. 鲍尔斯菲尔特所打开的大门

1918年，战争结束了。在战后的混乱中，蔡司公司重新开始开发天象仪，但却遇到了技术上的重大难题。1919年3月22日，星期六。鲍尔斯菲尔特在自己办公桌上发现了一封寄给米勒的关于天象仪的信，只要他签字，信就能立即发出。信上写道：“经过深思熟虑，光学天象仪的设计是不可能的。我们必须回到最初的计划。”这时，鲍尔斯菲尔特正在应对许多经营问题。他已经远离天象仪的开发，也不知道存在技术上的困难，但他为此感到愤怒，于是抛开了信，开始专注于解决天象仪的问题，并在3月24日星期一早上带着完美的解决方案回到了办公室。

4. 镜头里的星星

现在，为了理解蔡司工程师面对的挑战和鲍尔斯菲尔特的解决方案，让我们来解释一下天象仪中最重要的部分之一，即恒星的投影装置--“星球”是如何工作的。为了将星星投影到天空圆顶上，需要准备一块薄板，上面有与星星对应的孔洞。就像上文提到过的阿特伍德天球仪一样，只是缩小了球体的大小，并在内部亮起电灯泡，然后投射到大圆顶上。这被称为针孔式天象仪，在现在的手工制作天象仪中仍然是主流方法。虽然简单，但投射出的星星影像缺乏锐利度。为了表现出与真正的星空一样锐利美丽的星空，蔡司公司的技术团队一开始就致力于利用照相机镜头开发天象仪。蔡司公司早在1902年就开发了一种名为“天塞”的四篇三组式高性能镜头。为了用镜头投射星星，设计出的机制如图4所示。

图4. 透镜投射星星的原理

首先准备投影原板（3）。投影原板是一种薄膜，其上有恒星位置的孔洞。孔洞的大小与星等相对应，大的孔洞对应亮星，小的孔洞对应暗星。用电灯泡（1）从背面照亮原板。为了使光线均匀地照射到原板上，在电灯泡和投影原板之间放置聚光镜（2）。然后，通过投影镜头（天塞镜头）（4）将上一步骤中完成的“小星空”投射到天幕（5）上。聚光镜、恒星原始板和投影镜头组成的装置就是恒星投影仪。如果将恒星投影机在所有方向上都放置，就获得整个星空。理论上是这样的，但是需要解决的问题很多，特别是投影镜头周围的像差。点状光源（如星星）会明显受到像差的影响。如果每台恒星投影机的覆盖范围足够小，就可以使用中央附近的良好的像，而无需投影周边劣化的像。换句话说，解决方案是将整个天空尽可能多地分割。但是分割天空的形式将对应于正多面体的每个面，然而即使是面数最多的正二十面体也无法解决每个投影单元承载的天空范围过大的问题，也就无法解决周边像差的问题。对于蔡司开发团队来说，这被认为是无法解决的根本性问题。这和前面提到的信有所关联。在周末的深思熟虑之后，鲍尔斯菲尔德提出的解决方案是“不坚持正多面体”。削减正20面体的每个顶点，得到一个由12个五边形和20个六边形组成的32面体（图5）。这样就可以在镜头良好像的范围内分割整个天空了。由此，开发恒星投影机才成为了现实可行的方案。

图5. 正二十面体与32面体（译者注，正多面体的每个面都是完全相等的，数学上可以证明只有五种正多面体，32面体不属于正多面体）

从那以后，鲍尔斯菲尔特开始致力于开发天象仪。他留下了600张手写笔记。第一份是在1920年5月5日写的，当时基本构想就几乎已经完成了（图6）。

图6. 鲍尔斯菲尔特最初的笔记（图源：ZEISS Archives）

参与开发的技术团队也曾质疑过人工星空是否真的能在10米的近距离内给予观众真实的体验。然而，当它实际点亮，天空变得熠熠生辉时，即使是与开发相关的人也发出惊叹的声音，深深地感受到了难以言喻的震撼。

后来，鲍尔斯菲尔特这样说道：“我们需要大量的图纸和计算，但是没有遇到严重的问题，这是运气好的结果。最终，我们获得的成果比想象中要好得多。”当时，德国正处于困难的境地，蔡司公司也面临着许多问题。虽然这是政治和经济混乱的时期，但正因为如此，对于鲍尔斯菲尔特来说，天象仪的开发才是一段充满纯粹喜悦的时光。

5. 耶拿的惊奇

在开发天象仪的过程中，试投影也在不断进行着。米勒在前往柏林的出差期间访问了蔡司公司，参观了即将完成的投影机，深深感到了高兴。米勒在慕尼黑举行的博物馆委员会全体会议上表示希望进行天象仪的演示。鲍尔斯菲尔特在与米勒商量后，决定将天象仪带到慕尼黑。1923年10月21日，在德国博物馆举行的博物馆委员会全体会议上，天象仪亮相于相关人员面前。在临时建造的直径为10米的圆顶中央，安装了尚未涂漆的天象仪。天象仪的演示由鲍尔斯菲尔特进行。当满天星星浮现并构筑起宇宙的结构时，人们非常惊讶，掌声雷动。这是对人造星空这一前所未有的工作的真正赞扬。天象仪在慕尼黑停留了数周，吸引了许多参观者。1923年底，天象仪被送回耶拿，进行了彻底的检查和修理。

在天象仪的开发过程中也伴随着其他重要的发明，比如圆顶建筑技术。为了投射天象仪，需要建造一个精确形状的大型半球形圆顶。最初考虑使用布制帐篷，但当时德国的布料非常昂贵，而铁比较便宜。因此，发明了由三角形组成的壳体结构。由于壳体结构轻便且坚固，因此目前仍在大型建筑中采用。1924年夏天，世界上第一个具有壳体结构的16米圆顶被安置在蔡司公司的屋顶上（图7）。试演也非常受欢迎，在两个月内有5万人参观。长时间的开发结束了，天象仪终于迎来了常设的日子。1925年5月7日，德国博物馆新馆的落成典礼隆重举行。这一天也是米勒70岁生日。典礼从天象仪的公开演示开始，由鲍尔斯菲尔特进行示范，取得了巨大的成功。由此天象仪被称赞为“耶拿的惊奇”，访客数量截止于来年1月，达到了8万人数。这种天象仪后来就被称为蔡司I型天象仪（图8）

图7. 蔡司公司屋顶上的穹顶（1924年）（图源：ZEISS Archives）

图8. 蔡司I型天象仪（图源：ZEISS Archives）主要有两大块组成部分：左边的球上安装了31个恒星投影单元（称为恒星球），右侧的圆柱体则是用于投影太阳系天体的机关（称为行星架）

三、 万能天象仪的诞生

1. 蔡司II型的开发

蔡司的技术团队进一步发展了天象仪。蔡司I型仅投影固定纬度的北半球天空，但在1924年初，蔡司公司天文部门负责人瓦尔特·菲利加提出了一种可以投影世界各地星空的投影机。在菲利加的主导下，研发出了万能型天象仪“蔡司II型”。蔡司II型的结构如图9所示。

图9. 亚洲引入的第一台蔡司II型天象仪，位于日本大阪（图源：大阪市立科学馆）

其大部分基本机制都沿袭了蔡司I型，并进行了一些改进。恒星球的直径为75厘米，行星架的两侧分别放置有北半球和南半球的两个恒星球。它也因为它的形状被称为哑铃型天象仪。光源灯泡功率为1千瓦。它可以投影直至6.55等的8900颗星星。两个投影球分别将天球的北半球和南半球分成16份，全天共分成32份。太阳、月亮和行星的投影机关也以蔡司I型为基础，并提高了性能。蔡司II型天象仪还配备了变星和彗星的投影机等。最大的特点是，除了日周运动和年周运动外，还可以模拟纬度变化和岁差运动。这正是II型的真正特色，一台实现了超越时间和空间的天象仪。随着德国博物馆天象仪的声誉扩大，许多城市开始希望安装天象仪。共制造了26台蔡司II型，成为蔡司公司代表性的畅销产品。第一台蔡司II型于1926年安装在德国巴尔曼，随后逐渐传播到世界各地。

译者尾注：我国于1954引进的第一台天象仪同样来自蔡司，1958年，北京工业学院（北理工的前身）的仪器系仅用时100天便制成了第一台国产的天象仪，这台天象仪登在了《人民画报》1959年新年首刊的封面上（图10）。

图10. 《人民画报》1959年1月刊封面

结语

天象仪诞生的这一个世纪以来，伴随着天文学的巨大进展和人类迈向宇宙的步伐，它已经成为了人们了解宇宙的一扇门扉。借由2023-2025年天象仪诞生一百周年的纪念活动，我们回望其历史，并期待着它引领我们去见证更为深邃的未来。

责任编辑：甘林

牧夫新媒体编辑部

天象仪的投影图

图源：大阪市立科学馆