任 平 黎 耕
在國家天文臺沙河科普教育基地內(nèi),現(xiàn)存一臺已經(jīng)退役的國產(chǎn)雙通道太陽色球望遠(yuǎn)鏡。這臺望遠(yuǎn)鏡于1979年投入使用,在20世紀(jì)末退役。由于長期不使用,它的電控跟蹤系統(tǒng)和雙折射濾光器都已經(jīng)老化漏油,無法再進(jìn)行工作。2021年夏天,隨著重新修復(fù)后的雙折射濾光器被安裝在望遠(yuǎn)鏡上,這臺已年近半百的天文觀測設(shè)備再次轉(zhuǎn)動起來。它的新任務(wù)是向公眾展示太陽的奧秘,它也成為國內(nèi)第一臺用于科普的太陽色球望遠(yuǎn)鏡。
太陽是對人類生活影響最大的天體。早在19世紀(jì)上半葉,西方天文學(xué)家就開創(chuàng)了用望遠(yuǎn)鏡觀測太陽以研究其物理機(jī)制的先河。由于太陽活動的許多觀測特征都存在于色球?qū)由?,而色球?qū)拥牧炼缺裙馇驅(qū)游⑷鹾芏?,因此使用傳統(tǒng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡很難觀測到太陽色球?qū)拥幕顒印?/p>
1933年,法國天文學(xué)家李奧(Bernard Ferdinand Lyot)根據(jù)光在晶體中傳播的特征和干涉原理制成了一臺干涉偏振濾光器。通過這種濾光元件,可以將太陽光中波長為6563埃的光線單獨(dú)分離出來,從而使得對日珥、耀斑等太陽色球?qū)由系幕顒蝇F(xiàn)象進(jìn)行持續(xù)而穩(wěn)定的觀測成為可能。正是由于這種觀測手段的突破,使得太陽物理從恒星物理中分離出來,成為了一支獨(dú)立的學(xué)科分支[1]。
因此,太陽色球望遠(yuǎn)鏡作為一種專業(yè)的天文觀測設(shè)備,對于太陽活動的研究無疑有著重要的意義。太陽耀斑等活動現(xiàn)象對地球會有強(qiáng)烈的影響,尤其是在人類進(jìn)入電氣時代與太空時代之后,對太陽活動的研究需求不斷上升。
1958年,國際上組織“國際地球物理年”聯(lián)合觀測活動。陳彪院士在此之前訪問蘇聯(lián)的過程中,以50萬元人民幣從蘇聯(lián)購得一臺AФP-2型蘇制太陽色球望遠(yuǎn)鏡,因此中國也開始積極謀劃參與這次聯(lián)測。這臺望遠(yuǎn)鏡購回后被放置在北京白家疃的地球物理所觀測站。作為國內(nèi)第一臺太陽色球望遠(yuǎn)鏡,它為北京天文臺太陽物理研究與太陽活動預(yù)報等工作積累了大量寶貴的資料和經(jīng)驗[2]。
然而,這臺蘇制太陽色球望遠(yuǎn)鏡在北京卻出現(xiàn)了明顯的“水土不服”。由于雙折射濾光器需要恒溫工作,在當(dāng)年沒有制冷設(shè)備的情況下,它的雙折射濾光器被設(shè)計為35℃恒溫。這一指標(biāo)足以適應(yīng)蘇聯(lián)境內(nèi)的寒冷天氣,在溫度低于35℃時,只需要靠電加熱保持恒溫即可。而北京夏季的溫度要比蘇聯(lián)高,因此雙折射濾光器常常由于溫度過高而漏油,影響了成像質(zhì)量。這樣一來,頻繁出現(xiàn)問題的蘇制色球望遠(yuǎn)鏡實際上已經(jīng)很難滿足中國太陽物理研究的需要。根據(jù)天文學(xué)“四五”規(guī)劃和1971年太陽物理學(xué)計劃,中國科學(xué)院安排南京天文儀器廠以蘇制色球望遠(yuǎn)鏡為依托,為國內(nèi)相關(guān)天文臺制造一批國產(chǎn)太陽色球望遠(yuǎn)鏡[3]。前文提到被修復(fù)的這臺國產(chǎn)太陽色球望遠(yuǎn)鏡,就是這一計劃的產(chǎn)物。
值得一提的是,那臺蘇制太陽色球望遠(yuǎn)鏡從北京天文臺退役后,被送到了北京天文館,并且在館內(nèi)繼續(xù)服役數(shù)十年,為科普工作立下了汗馬功勞。前些年,隨著北京天文館的升級改造,這臺設(shè)備沒有逃過被拆解的命運(yùn),如今我們也只能從老照片上一睹它的風(fēng)采了。
20世紀(jì)70年代后期,隨著北京天文臺太陽活動研究工作的日益發(fā)展,蘇制太陽色球望遠(yuǎn)鏡已難以承擔(dān)繁重的觀測任務(wù)。1978年,在申請得到批準(zhǔn)后,國產(chǎn)太陽雙通道望遠(yuǎn)鏡被安裝在北京天文臺沙河觀測站,以爭取在即將到來的太陽活動峰年取得豐富的觀測資料[4]。
沙河觀測站是1957年籌建北京天文臺時,為建立授時業(yè)務(wù)而選定的觀測站,位于北京市近郊的昌平區(qū),距離城區(qū)不算太遠(yuǎn)。在20世紀(jì)70年代初期,沙河站發(fā)展為涵蓋天體測量、射電天文、太陽物理、恒星天文、人造衛(wèi)星觀測、太陽活動預(yù)報等諸多觀測與研究內(nèi)容,擁有上百名工作人員的大站,承擔(dān)了北京天文臺大量的前沿任務(wù)[2]。隨著密云、懷柔等觀測站的陸續(xù)建成,沙河站的科研業(yè)務(wù)也逐漸轉(zhuǎn)移出去。進(jìn)入21世紀(jì)之后,沙河觀測站整體轉(zhuǎn)為國家天文臺沙河科普教育基地。
實際上,早在蘇制太陽色球望遠(yuǎn)鏡引進(jìn)之后不久,中國天文學(xué)家便萌生了對這臺望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行改進(jìn)的想法,以便讓其更好地適應(yīng)中國的工作環(huán)境。不過,太陽色球望遠(yuǎn)鏡的核心部件——雙折射濾光器,對于當(dāng)時的中國天文界來說卻是一個不折不扣的技術(shù)屏障。雙折射濾光器的制造需要一些特殊晶體,并且其內(nèi)部的光學(xué)設(shè)計精密復(fù)雜,稍有偏差就會導(dǎo)致儀器無法正常工作。當(dāng)時中國在這方面的使用經(jīng)驗都不多,就更不用說維修和制造經(jīng)驗了。
1964年,艾國祥院士和胡岳風(fēng)在詳細(xì)了解雙折射工作原理的基礎(chǔ)上,將蘇制望遠(yuǎn)鏡中的雙折射濾光器拆解,依靠過硬的理論知識解析了其中的技術(shù)難點。1968年,他們又進(jìn)一步解決了成像質(zhì)量問題,這是我國在這一領(lǐng)域所取得的重要進(jìn)展[2]。同年,蘇定強(qiáng)院士帶領(lǐng)王亞男、何鳳寶等人成功解決了雙折射濾光器恒溫系統(tǒng)的問題,我國由此掌握了雙折射濾光器研制中的另一項關(guān)鍵技術(shù)——冰洲石和水晶的加工與檢測方法,并開啟了我國太陽觀測儀器自主制造之路[1]。而現(xiàn)在安裝于沙河科普教育基地的國產(chǎn)太陽色球望遠(yuǎn)鏡,正是這條道路上的第一個成果。
此外,艾國祥在修復(fù)蘇制濾光器的基礎(chǔ)上還對濾光器進(jìn)行了創(chuàng)新升級。從1966年到1984年近20年間,他對濾光器進(jìn)行了廣泛的調(diào)查研究,在積累了一定知識與技術(shù)基礎(chǔ)后創(chuàng)新發(fā)明了等傅里葉系統(tǒng)濾光器等幾種不同的濾光器[1],并最終建成了位居世界領(lǐng)先水平的太陽磁場望遠(yuǎn)鏡觀測系統(tǒng)。其研制的濾光器和KD*P電光調(diào)制器性能在世界上處于權(quán)威地位,眾多國家紛紛購買(見圖1),成為當(dāng)時中國領(lǐng)先世界水平的重大科技成果,同時作為國產(chǎn)設(shè)備為國家出口創(chuàng)匯做出貢獻(xiàn)[6]。
圖1 1998年我國出口日本的萬用雙折射濾光器外貌[6]
濾光器研制技術(shù)的突破與創(chuàng)新,使我國的太陽觀測儀器有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,而作為一個以觀測為基礎(chǔ)的學(xué)科,中國太陽物理學(xué)的發(fā)展自然也與太陽觀測設(shè)備的進(jìn)步緊密聯(lián)系在一起。因此,國產(chǎn)太陽色球望遠(yuǎn)鏡不僅僅是一件科學(xué)儀器,更是一段科學(xué)歷史的象征,也是一種科學(xué)精神的體現(xiàn)。
從專業(yè)角度來看,國產(chǎn)色球望遠(yuǎn)鏡繼承了蘇制色球望遠(yuǎn)鏡的不少優(yōu)點并有所創(chuàng)新。在外觀方面,它比蘇制色球望遠(yuǎn)鏡更加整體化,也更加牢固(見圖2)。在技術(shù)結(jié)構(gòu)上,它延續(xù)了蘇制色球望遠(yuǎn)鏡“光球—色球雙通道”的設(shè)計,但在技術(shù)指標(biāo)上有所提升。中國科學(xué)院檔案中記載了北京天文臺為這臺望遠(yuǎn)鏡所擬訂的任務(wù)書[7],將其中的設(shè)計指標(biāo)與蘇制色球望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行簡要對比(見表1),便可發(fā)現(xiàn)除了光球與色球主鏡的口徑大幅提升外,最主要的改進(jìn)便是核心部件——雙折射濾光器恒溫系統(tǒng)的工作溫度大幅提升,由原來的35℃提高至42℃[2]。這使得國產(chǎn)色球望遠(yuǎn)鏡一舉解決了蘇制望遠(yuǎn)鏡“水土不服”的問題。
圖2 左:北京天文館內(nèi)蘇制色球望遠(yuǎn)鏡;右:沙河科普基地內(nèi)國產(chǎn)色球望遠(yuǎn)鏡
表1 蘇制色球望遠(yuǎn)鏡與國產(chǎn)色球望遠(yuǎn)鏡的性能指標(biāo)對比[2,7]
對于中國天文學(xué)史而言,國產(chǎn)色球望遠(yuǎn)鏡是一臺具有里程碑意義的天文觀測儀器。盡管它算不上中國最早的太陽色球望遠(yuǎn)鏡,卻是我國科技自立自強(qiáng)與自主創(chuàng)新的重要產(chǎn)物,承載了中國天文人一個時代的成就與回憶。作為中國引進(jìn)的首臺色球望遠(yuǎn)鏡,蘇制色球望遠(yuǎn)鏡在退役后被送往北京天文館繼續(xù)用于科普活動,然而當(dāng)時國內(nèi)科學(xué)博物館的展示理念仍然比較單一,只考慮了這臺設(shè)備的使用價值,而沒有關(guān)注其背后的科學(xué)史價值。因此,當(dāng)北京天文館更新了觀測設(shè)備之后,該設(shè)備作為廢品被處理,如今看來不無惋惜之處。
所幸,國產(chǎn)色球望遠(yuǎn)鏡在退役20余年后,有機(jī)會被修復(fù)并重獲新生。盡管它不再是一臺技術(shù)先進(jìn)的科學(xué)觀測設(shè)備,卻有機(jī)會在天文科普與天文遺產(chǎn)保護(hù)方面延續(xù)它的輝煌。未來,它的意義不僅存在于對宇宙的探索與理解上,而且還將在科學(xué)精神的傳播與科學(xué)史的傳承上,繼續(xù)給人以啟發(fā)和激勵,在服務(wù)于科普教育的同時向社會公眾傳播其中蘊(yùn)涵的科學(xué)精神和科學(xué)思想,這是我國在天文遺產(chǎn)保護(hù)和展示方面的一大進(jìn)步。
國外的天文遺產(chǎn)保護(hù)與展示工作始于20世紀(jì)中葉。在美國,如今有不少曾經(jīng)在科學(xué)史上耳熟能詳?shù)奶煳呐_站以及觀測設(shè)備在退役后,經(jīng)過修復(fù)加入了天文科普與天文教育的行列,成為美國面向公眾進(jìn)行科學(xué)傳播的重要組成部分。
位于美國加利福尼亞州洛杉磯郊外的威爾遜山天文臺始建于1904年,擁有60英寸海爾望遠(yuǎn)鏡、100英寸胡克望遠(yuǎn)鏡等眾多的天文觀測儀器,在天文學(xué)史上都可謂赫赫有名。其中60英寸望遠(yuǎn)鏡建成于1908年,是當(dāng)時世界上最大也是最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡,曾在光譜分析、視差測量、星云觀測與天文測光方面做出過一系列開創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)。而1917年建成的胡克望遠(yuǎn)鏡,則取代了60英寸望遠(yuǎn)鏡再一次成為世界最大,直到1949年才被200英寸望遠(yuǎn)鏡超越。它甚至比60英寸望遠(yuǎn)鏡還要著名:邁克爾遜曾經(jīng)于1919年用它進(jìn)行過光學(xué)干涉實驗,測量了恒星的大小和距離;赫羅圖的發(fā)明者羅素曾用它制定了恒星分類法;哈勃通過它來觀測,確定了河外星系的存在,并通過紅移發(fā)現(xiàn)了宇宙在膨脹……
隨著技術(shù)的發(fā)展,這兩臺望遠(yuǎn)鏡都已不再從事科研工作。不過假如有人去威爾遜山天文臺參觀,卻可以有機(jī)會近距離使用這兩臺具有里程碑意義的天文望遠(yuǎn)鏡來窺探宇宙(見圖3)。威爾遜山天文臺的公共科普活動,包括對這兩臺望遠(yuǎn)鏡特殊的幕后工程進(jìn)行參觀、介紹這些老望遠(yuǎn)鏡的機(jī)械、光學(xué)以及電器設(shè)計細(xì)節(jié),演示其在電動控制下如何進(jìn)行天文觀測,還會組織學(xué)校與社團(tuán)來近距離感受天文觀測的奧秘、舉辦相關(guān)的科普講座,以及利用這兩臺巨型公共望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行夜晚觀測等[8]。
圖3 望遠(yuǎn)鏡操作員正在一次STEM活動中調(diào)試100英寸胡克望遠(yuǎn)鏡
與之類似,位于洛杉磯的格里菲斯天文臺也是一座在世界上首屈一指的公共天文臺(見圖4)。它擁有一臺可供免費(fèi)觀測的蔡司望遠(yuǎn)鏡、一個旨在讓公眾接觸有關(guān)天文和物理科學(xué)的展品科學(xué)館,以及一個科學(xué)教育電影院。與威爾遜山天文臺不同,格里菲斯天文臺就位于洛杉磯市中心,因此在不少好萊塢的電影中都可以看到它的身影。自1935年格里菲斯天文臺開放以來,獨(dú)特的建筑、引人入勝的程序化設(shè)計使其成為南加州最著名的地標(biāo)之一。每年,格里菲斯天文臺都會舉行許多公眾天文科普活動,并且與不少中小學(xué)建立了長期聯(lián)系,成為重要的校外科普教育基地。學(xué)生們可以通過使用這里的蔡司望遠(yuǎn)鏡學(xué)習(xí)天文觀測,完成自己的早期科學(xué)實踐與探索工作。
圖4 遠(yuǎn)眺格里菲斯天文臺
作為公共天文學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者,這兩座天文臺每年都影響著成千上萬的公眾,并將更多的人帶入天文學(xué)的大門。它們所具有的魅力,正是通過讓觀眾透過具有深刻歷史意義的真實科學(xué)設(shè)備,來近距離地接觸科學(xué)。它們展現(xiàn)出科學(xué)共同體致力于讓所有人都能接觸到天文學(xué)的終極愿景,這是對天文遺產(chǎn)價值的最好表達(dá)[9]。
相較于國外,我國對天文遺產(chǎn)的保護(hù)與利用工作起步較晚,活動內(nèi)容遠(yuǎn)不如國外豐富。過去中國比較著名的天文遺產(chǎn)地,基本都是古代天文遺跡,例如河南登封觀星臺,是郭守敬于元代修建;北京古觀象臺則是明清時期重要的天文臺址。自1922年中國天文學(xué)會成立之后,中國的現(xiàn)代天文學(xué)開始起步。目前,中國的近現(xiàn)代天文遺址主要包括:上海佘山天文博物館、青島觀象臺舊址,以及南京紫金山天文臺舊址等地。這些天文臺均是19世紀(jì)末至20世紀(jì)初籌建,其中佘山和青島兩個臺站是由西方人在中國建設(shè),而紫金山天文臺則是中國人自己修建的第一座現(xiàn)代天文臺。多年來,由于年久失修、經(jīng)費(fèi)和人員欠缺等因素,這些退役的天文臺和觀測設(shè)備并未得到廣泛重視,所產(chǎn)生的社會影響力及其發(fā)揮的科學(xué)傳播作用也比較有限。這是中國天文界的一大遺憾,同時也給未來留下了巨大的發(fā)展空間。
科學(xué)精神是從長期的科學(xué)探索過程中形成和發(fā)展起來的,反映了科學(xué)家的堅強(qiáng)意志、良好的品行特征以及科學(xué)發(fā)展過程中所呈現(xiàn)出的價值觀等。在科學(xué)傳播過程中,我們不僅需要傳播科學(xué)知識,更要傳播科學(xué)精神,而科學(xué)精神的傳播則存在諸多困難,因為其必須通過合適的載體才能為公眾所理解。博物館是進(jìn)行科學(xué)傳播的重要場所,而展品是博物館中最重要,也最有特色的科學(xué)教育與科學(xué)傳播載體。盡管展品本身不會說話,但是如果更進(jìn)一步對展品背后的科學(xué)故事進(jìn)行深入挖掘,則有可能成為傳播科學(xué)精神的有效載體。
在對國家天文臺沙河科普教育基地的國產(chǎn)色球望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行翻新和整理的過程中,筆者便深深體會到了這一點。作為一件現(xiàn)代天文遺產(chǎn),除了向公眾展示太陽方面的科學(xué)知識之外,望遠(yuǎn)鏡的研制歷史同樣具有重要的科學(xué)傳播價值。在20世紀(jì)60年代北京天文臺太陽物理研究初創(chuàng)時期,中國天文學(xué)家在國內(nèi)工業(yè)基礎(chǔ)薄弱、光學(xué)技術(shù)落后、外部科技封鎖的不利條件下,通過逆向研發(fā),消化吸收,到自主創(chuàng)新,不僅完成了中國太陽色球望遠(yuǎn)鏡從無到有的跨越,更為后來太陽磁場望遠(yuǎn)鏡的研發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)。憑借雙折射濾光器的研發(fā)成功,國產(chǎn)天文觀測設(shè)備還實現(xiàn)了出口創(chuàng)匯,中國在這一領(lǐng)域也實現(xiàn)了從跟跑,到并跑、領(lǐng)跑的過程。在國產(chǎn)太陽望遠(yuǎn)鏡的研制過程背后,還有以艾國祥院士為代表的老一輩天文學(xué)家長期以來所展現(xiàn)出的堅持不懈、敢于創(chuàng)新、甘于奉獻(xiàn)的科學(xué)精神,這也正是新時代青年科研工作者需要學(xué)習(xí)和傳承的。
自然科學(xué)博物館包括自然博物館、科學(xué)與工業(yè)博物館、現(xiàn)代科學(xué)中心多種類型。在上世紀(jì)80年代中期,又提出了一種將傳統(tǒng)科學(xué)博物館(science museum)與現(xiàn)代科學(xué)中心(science center)相結(jié)合的概念,即所謂的“science centrum”這種新形態(tài)的科學(xué)博物館[10]。隨著自然科學(xué)博物館的不斷發(fā)展,其展示方法、展示理念等方面也都在不斷地升級和豐富,從僅僅是傳授科學(xué)知識與技能到更追求科學(xué)方法、科學(xué)思想、科學(xué)精神的傳播[11]。例如,國際博協(xié)在2001—2007年間,僅針對博物館的定義就發(fā)生了兩個重要變化:一是“教育” 成為當(dāng)代博物館的首要目的,二是博物館征集、保護(hù)、研究、傳播并展出的對象由“人類及人類環(huán)境的物證”變?yōu)椤叭祟惣叭祟惌h(huán)境的物質(zhì)及非物質(zhì)遺產(chǎn)”[12]。朱幼文等曾提出,“中國大多數(shù)科技館展覽內(nèi)容忽視對于科學(xué)精神、思想、方法、觀念的傳播,很少能夠揭示展品背后的人與自然、科技與社會的關(guān)系”[13]。由此可見,在未來,自然科學(xué)博物館的發(fā)展過程中,也應(yīng)更重視將一些具有科學(xué)史價值的科學(xué)儀器設(shè)備納入到保護(hù)與展示的范疇中來,從而更加豐富展覽與教育活動的內(nèi)容與目標(biāo)。
鑒于國產(chǎn)色球望遠(yuǎn)鏡的案例,對于一些有科學(xué)史價值的退役科學(xué)儀器,如果能夠得到妥善的修復(fù)和展示,就可以發(fā)揮巨大的科學(xué)傳播潛力??茖W(xué)儀器的修復(fù)與展示還需要依托科普場所,無論是各地科技館與自然博物館,還是研究院所與高校退役的臺站或歷史展覽館,都可以成為容納和展示這些儀器的場所。為了更好地做好發(fā)掘和展示工作,也有必要更好地培養(yǎng)和招募有情懷、有技能的專業(yè)團(tuán)隊進(jìn)行研究、修復(fù)與管理。近年來清華大學(xué)正在建設(shè)的科學(xué)博物館,就是對此進(jìn)行的有益嘗試。
對于國內(nèi)的自然科學(xué)博物館,如果能從科研機(jī)構(gòu)中征集一些退役且具有科學(xué)史價值的科學(xué)儀器進(jìn)行展示,不僅能夠向公眾展示其科學(xué)原理以及背后蘊(yùn)含的科學(xué)知識,還可以講述科學(xué)方法、科學(xué)精神、科技與社會等內(nèi)容。一旦形成良好的工作機(jī)制,相比于去全世界高價收集藏品,這樣做的成本更低,可延續(xù)性更強(qiáng)。而且不少儀器設(shè)備可能在修復(fù)后仍然有一定的使用價值,有利于科技館或博物館開展更加豐富多彩的展教活動。隨著中國科技與工業(yè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展,類似的退役設(shè)備將會越來越多,盡快探討相關(guān)的聯(lián)動與保護(hù)機(jī)制,將有利于構(gòu)建一個多方共贏的局面。
通過對國家天文臺沙河科普教育基地中國產(chǎn)太陽色球望遠(yuǎn)鏡的研究、修復(fù)與展示,可以發(fā)現(xiàn)這些退役的老舊觀測設(shè)備再次獲得了新生,并且有望獲得比退役之前更加顯著的社會關(guān)注度,在科學(xué)傳播領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。這些工作不僅延續(xù)了一臺天文望遠(yuǎn)鏡的生命,體現(xiàn)出相應(yīng)的科學(xué)價值,同時還能夠?qū)⑵浔澈笏N(yùn)含的科學(xué)精神與科學(xué)故事帶給公眾。對于運(yùn)營方面,國外顯然比我們有著更多的成熟經(jīng)驗,國家天文臺沙河科普教育基地也會在未來的運(yùn)行過程中持續(xù)改進(jìn)與提升,并以此為出發(fā)點,更好地探討科學(xué)與人文的傳播支點,將更多的老舊設(shè)備納入到保護(hù)計劃中來,讓它們?yōu)榭茖W(xué)傳播工作繼續(xù)發(fā)揮力量。