国产太阳色球望远镜的修复与展示——兼论天文遗产的科学传播价值

任 平 黎 耕

一、 引言

在国家天文台沙河科普教育基地内，现存一台已经退役的国产双通道太阳色球望远镜。这台望远镜于1979年投入使用，在20世纪末退役。由于长期不使用，它的电控跟踪系统和双折射滤光器都已经老化漏油，无法再进行工作。2021年夏天，随着重新修复后的双折射滤光器被安装在望远镜上，这台已年近半百的天文观测设备再次转动起来。它的新任务是向公众展示太阳的奥秘，它也成为国内第一台用于科普的太阳色球望远镜。

太阳是对人类生活影响最大的天体。早在19世纪上半叶，西方天文学家就开创了用望远镜观测太阳以研究其物理机制的先河。由于太阳活动的许多观测特征都存在于色球层上，而色球层的亮度比光球层微弱很多，因此使用传统光学望远镜很难观测到太阳色球层的活动。

1933年，法国天文学家李奥(Bernard Ferdinand Lyot)根据光在晶体中传播的特征和干涉原理制成了一台干涉偏振滤光器。通过这种滤光元件，可以将太阳光中波长为6563埃的光线单独分离出来，从而使得对日珥、耀斑等太阳色球层上的活动现象进行持续而稳定的观测成为可能。正是由于这种观测手段的突破，使得太阳物理从恒星物理中分离出来，成为了一支独立的学科分支[1]。

因此，太阳色球望远镜作为一种专业的天文观测设备，对于太阳活动的研究无疑有着重要的意义。太阳耀斑等活动现象对地球会有强烈的影响，尤其是在人类进入电气时代与太空时代之后，对太阳活动的研究需求不断上升。

二、 国产色球望远镜的历史

(一) 从无到有

1958年，国际上组织“国际地球物理年”联合观测活动。陈彪院士在此之前访问苏联的过程中，以50万元人民币从苏联购得一台AФP-2型苏制太阳色球望远镜，因此中国也开始积极谋划参与这次联测。这台望远镜购回后被放置在北京白家疃的地球物理所观测站。作为国内第一台太阳色球望远镜，它为北京天文台太阳物理研究与太阳活动预报等工作积累了大量宝贵的资料和经验[2]。

然而，这台苏制太阳色球望远镜在北京却出现了明显的“水土不服”。由于双折射滤光器需要恒温工作，在当年没有制冷设备的情况下，它的双折射滤光器被设计为35℃恒温。这一指标足以适应苏联境内的寒冷天气，在温度低于35℃时，只需要靠电加热保持恒温即可。而北京夏季的温度要比苏联高，因此双折射滤光器常常由于温度过高而漏油，影响了成像质量。这样一来，频繁出现问题的苏制色球望远镜实际上已经很难满足中国太阳物理研究的需要。根据天文学“四五”规划和1971年太阳物理学计划，中国科学院安排南京天文仪器厂以苏制色球望远镜为依托，为国内相关天文台制造一批国产太阳色球望远镜[3]。前文提到被修复的这台国产太阳色球望远镜，就是这一计划的产物。

值得一提的是，那台苏制太阳色球望远镜从北京天文台退役后，被送到了北京天文馆，并且在馆内继续服役数十年，为科普工作立下了汗马功劳。前些年，随着北京天文馆的升级改造，这台设备没有逃过被拆解的命运，如今我们也只能从老照片上一睹它的风采了。

(二) 技术突破

20世纪70年代后期，随着北京天文台太阳活动研究工作的日益发展，苏制太阳色球望远镜已难以承担繁重的观测任务。1978年，在申请得到批准后，国产太阳双通道望远镜被安装在北京天文台沙河观测站，以争取在即将到来的太阳活动峰年取得丰富的观测资料[4]。

沙河观测站是1957年筹建北京天文台时，为建立授时业务而选定的观测站，位于北京市近郊的昌平区，距离城区不算太远。在20世纪70年代初期，沙河站发展为涵盖天体测量、射电天文、太阳物理、恒星天文、人造卫星观测、太阳活动预报等诸多观测与研究内容，拥有上百名工作人员的大站，承担了北京天文台大量的前沿任务[2]。随着密云、怀柔等观测站的陆续建成，沙河站的科研业务也逐渐转移出去。进入21世纪之后，沙河观测站整体转为国家天文台沙河科普教育基地。

实际上，早在苏制太阳色球望远镜引进之后不久，中国天文学家便萌生了对这台望远镜进行改进的想法，以便让其更好地适应中国的工作环境。不过，太阳色球望远镜的核心部件——双折射滤光器，对于当时的中国天文界来说却是一个不折不扣的技术屏障。双折射滤光器的制造需要一些特殊晶体，并且其内部的光学设计精密复杂，稍有偏差就会导致仪器无法正常工作。当时中国在这方面的使用经验都不多，就更不用说维修和制造经验了。

1964年，艾国祥院士和胡岳风在详细了解双折射工作原理的基础上，将苏制望远镜中的双折射滤光器拆解，依靠过硬的理论知识解析了其中的技术难点。1968年，他们又进一步解决了成像质量问题，这是我国在这一领域所取得的重要进展[2]。同年，苏定强院士带领王亚男、何凤宝等人成功解决了双折射滤光器恒温系统的问题，我国由此掌握了双折射滤光器研制中的另一项关键技术——冰洲石和水晶的加工与检测方法，并开启了我国太阳观测仪器自主制造之路[1]。而现在安装于沙河科普教育基地的国产太阳色球望远镜，正是这条道路上的第一个成果。

此外，艾国祥在修复苏制滤光器的基础上还对滤光器进行了创新升级。从1966年到1984年近20年间，他对滤光器进行了广泛的调查研究，在积累了一定知识与技术基础后创新发明了等傅里叶系统滤光器等几种不同的滤光器[1]，并最终建成了位居世界领先水平的太阳磁场望远镜观测系统。其研制的滤光器和KD*P电光调制器性能在世界上处于权威地位，众多国家纷纷购买(见图1)，成为当时中国领先世界水平的重大科技成果，同时作为国产设备为国家出口创汇做出贡献[6]。

图1 1998年我国出口日本的万用双折射滤光器外貌[6]

滤光器研制技术的突破与创新，使我国的太阳观测仪器有了突飞猛进的发展，而作为一个以观测为基础的学科，中国太阳物理学的发展自然也与太阳观测设备的进步紧密联系在一起。因此，国产太阳色球望远镜不仅仅是一件科学仪器，更是一段科学历史的象征，也是一种科学精神的体现。

(三) 科技史的意义

从专业角度来看，国产色球望远镜继承了苏制色球望远镜的不少优点并有所创新。在外观方面，它比苏制色球望远镜更加整体化，也更加牢固(见图2)。在技术结构上，它延续了苏制色球望远镜“光球—色球双通道”的设计，但在技术指标上有所提升。中国科学院档案中记载了北京天文台为这台望远镜所拟订的任务书[7]，将其中的设计指标与苏制色球望远镜进行简要对比(见表1)，便可发现除了光球与色球主镜的口径大幅提升外，最主要的改进便是核心部件——双折射滤光器恒温系统的工作温度大幅提升，由原来的35℃提高至42℃[2]。这使得国产色球望远镜一举解决了苏制望远镜“水土不服”的问题。

图2 左：北京天文馆内苏制色球望远镜；右：沙河科普基地内国产色球望远镜

表1 苏制色球望远镜与国产色球望远镜的性能指标对比[2,7]

对于中国天文学史而言，国产色球望远镜是一台具有里程碑意义的天文观测仪器。尽管它算不上中国最早的太阳色球望远镜，却是我国科技自立自强与自主创新的重要产物，承载了中国天文人一个时代的成就与回忆。作为中国引进的首台色球望远镜，苏制色球望远镜在退役后被送往北京天文馆继续用于科普活动，然而当时国内科学博物馆的展示理念仍然比较单一，只考虑了这台设备的使用价值，而没有关注其背后的科学史价值。因此，当北京天文馆更新了观测设备之后，该设备作为废品被处理，如今看来不无惋惜之处。

所幸，国产色球望远镜在退役20余年后，有机会被修复并重获新生。尽管它不再是一台技术先进的科学观测设备，却有机会在天文科普与天文遗产保护方面延续它的辉煌。未来，它的意义不仅存在于对宇宙的探索与理解上，而且还将在科学精神的传播与科学史的传承上，继续给人以启发和激励，在服务于科普教育的同时向社会公众传播其中蕴涵的科学精神和科学思想，这是我国在天文遗产保护和展示方面的一大进步。

三、 天文遗产的科普价值

(一) 国外案例与国内现状

国外的天文遗产保护与展示工作始于20世纪中叶。在美国，如今有不少曾经在科学史上耳熟能详的天文台站以及观测设备在退役后，经过修复加入了天文科普与天文教育的行列，成为美国面向公众进行科学传播的重要组成部分。

位于美国加利福尼亚州洛杉矶郊外的威尔逊山天文台始建于1904年，拥有60英寸海尔望远镜、100英寸胡克望远镜等众多的天文观测仪器，在天文学史上都可谓赫赫有名。其中60英寸望远镜建成于1908年，是当时世界上最大也是最先进的望远镜，曾在光谱分析、视差测量、星云观测与天文测光方面做出过一系列开创性的发现。而1917年建成的胡克望远镜，则取代了60英寸望远镜再一次成为世界最大，直到1949年才被200英寸望远镜超越。它甚至比60英寸望远镜还要著名：迈克尔逊曾经于1919年用它进行过光学干涉实验，测量了恒星的大小和距离；赫罗图的发明者罗素曾用它制定了恒星分类法；哈勃通过它来观测，确定了河外星系的存在，并通过红移发现了宇宙在膨胀……

随着技术的发展，这两台望远镜都已不再从事科研工作。不过假如有人去威尔逊山天文台参观，却可以有机会近距离使用这两台具有里程碑意义的天文望远镜来窥探宇宙(见图3)。威尔逊山天文台的公共科普活动，包括对这两台望远镜特殊的幕后工程进行参观、介绍这些老望远镜的机械、光学以及电器设计细节，演示其在电动控制下如何进行天文观测，还会组织学校与社团来近距离感受天文观测的奥秘、举办相关的科普讲座，以及利用这两台巨型公共望远镜进行夜晚观测等[8]。

图3 望远镜操作员正在一次STEM活动中调试100英寸胡克望远镜

与之类似，位于洛杉矶的格里菲斯天文台也是一座在世界上首屈一指的公共天文台(见图4)。它拥有一台可供免费观测的蔡司望远镜、一个旨在让公众接触有关天文和物理科学的展品科学馆，以及一个科学教育电影院。与威尔逊山天文台不同，格里菲斯天文台就位于洛杉矶市中心，因此在不少好莱坞的电影中都可以看到它的身影。自1935年格里菲斯天文台开放以来，独特的建筑、引人入胜的程序化设计使其成为南加州最著名的地标之一。每年，格里菲斯天文台都会举行许多公众天文科普活动，并且与不少中小学建立了长期联系，成为重要的校外科普教育基地。学生们可以通过使用这里的蔡司望远镜学习天文观测，完成自己的早期科学实践与探索工作。

图4 远眺格里菲斯天文台

作为公共天文学领域的领导者，这两座天文台每年都影响着成千上万的公众，并将更多的人带入天文学的大门。它们所具有的魅力，正是通过让观众透过具有深刻历史意义的真实科学设备，来近距离地接触科学。它们展现出科学共同体致力于让所有人都能接触到天文学的终极愿景，这是对天文遗产价值的最好表达[9]。

相较于国外，我国对天文遗产的保护与利用工作起步较晚，活动内容远不如国外丰富。过去中国比较著名的天文遗产地，基本都是古代天文遗迹，例如河南登封观星台，是郭守敬于元代修建；北京古观象台则是明清时期重要的天文台址。自1922年中国天文学会成立之后，中国的现代天文学开始起步。目前，中国的近现代天文遗址主要包括：上海佘山天文博物馆、青岛观象台旧址，以及南京紫金山天文台旧址等地。这些天文台均是19世纪末至20世纪初筹建，其中佘山和青岛两个台站是由西方人在中国建设，而紫金山天文台则是中国人自己修建的第一座现代天文台。多年来，由于年久失修、经费和人员欠缺等因素，这些退役的天文台和观测设备并未得到广泛重视，所产生的社会影响力及其发挥的科学传播作用也比较有限。这是中国天文界的一大遗憾，同时也给未来留下了巨大的发展空间。

(二) 传承科学精神的载体

科学精神是从长期的科学探索过程中形成和发展起来的，反映了科学家的坚强意志、良好的品行特征以及科学发展过程中所呈现出的价值观等。在科学传播过程中，我们不仅需要传播科学知识，更要传播科学精神，而科学精神的传播则存在诸多困难，因为其必须通过合适的载体才能为公众所理解。博物馆是进行科学传播的重要场所，而展品是博物馆中最重要，也最有特色的科学教育与科学传播载体。尽管展品本身不会说话，但是如果更进一步对展品背后的科学故事进行深入挖掘，则有可能成为传播科学精神的有效载体。

在对国家天文台沙河科普教育基地的国产色球望远镜进行翻新和整理的过程中，笔者便深深体会到了这一点。作为一件现代天文遗产，除了向公众展示太阳方面的科学知识之外，望远镜的研制历史同样具有重要的科学传播价值。在20世纪60年代北京天文台太阳物理研究初创时期，中国天文学家在国内工业基础薄弱、光学技术落后、外部科技封锁的不利条件下，通过逆向研发，消化吸收，到自主创新，不仅完成了中国太阳色球望远镜从无到有的跨越，更为后来太阳磁场望远镜的研发奠定了坚实的基础。凭借双折射滤光器的研发成功，国产天文观测设备还实现了出口创汇，中国在这一领域也实现了从跟跑，到并跑、领跑的过程。在国产太阳望远镜的研制过程背后，还有以艾国祥院士为代表的老一辈天文学家长期以来所展现出的坚持不懈、敢于创新、甘于奉献的科学精神，这也正是新时代青年科研工作者需要学习和传承的。

(三) 未来展望

自然科学博物馆包括自然博物馆、科学与工业博物馆、现代科学中心多种类型。在上世纪80年代中期，又提出了一种将传统科学博物馆(science museum)与现代科学中心(science center)相结合的概念，即所谓的“science centrum”这种新形态的科学博物馆[10]。随着自然科学博物馆的不断发展，其展示方法、展示理念等方面也都在不断地升级和丰富，从仅仅是传授科学知识与技能到更追求科学方法、科学思想、科学精神的传播[11]。例如，国际博协在2001—2007年间，仅针对博物馆的定义就发生了两个重要变化：一是“教育” 成为当代博物馆的首要目的，二是博物馆征集、保护、研究、传播并展出的对象由“人类及人类环境的物证”变为“人类及人类环境的物质及非物质遗产”[12]。朱幼文等曾提出，“中国大多数科技馆展览内容忽视对于科学精神、思想、方法、观念的传播，很少能够揭示展品背后的人与自然、科技与社会的关系”[13]。由此可见，在未来，自然科学博物馆的发展过程中，也应更重视将一些具有科学史价值的科学仪器设备纳入到保护与展示的范畴中来，从而更加丰富展览与教育活动的内容与目标。

鉴于国产色球望远镜的案例，对于一些有科学史价值的退役科学仪器，如果能够得到妥善的修复和展示，就可以发挥巨大的科学传播潜力。科学仪器的修复与展示还需要依托科普场所，无论是各地科技馆与自然博物馆，还是研究院所与高校退役的台站或历史展览馆，都可以成为容纳和展示这些仪器的场所。为了更好地做好发掘和展示工作，也有必要更好地培养和招募有情怀、有技能的专业团队进行研究、修复与管理。近年来清华大学正在建设的科学博物馆，就是对此进行的有益尝试。

对于国内的自然科学博物馆，如果能从科研机构中征集一些退役且具有科学史价值的科学仪器进行展示，不仅能够向公众展示其科学原理以及背后蕴含的科学知识，还可以讲述科学方法、科学精神、科技与社会等内容。一旦形成良好的工作机制，相比于去全世界高价收集藏品，这样做的成本更低，可延续性更强。而且不少仪器设备可能在修复后仍然有一定的使用价值，有利于科技馆或博物馆开展更加丰富多彩的展教活动。随着中国科技与工业突飞猛进的发展，类似的退役设备将会越来越多，尽快探讨相关的联动与保护机制，将有利于构建一个多方共赢的局面。

四、 结语

通过对国家天文台沙河科普教育基地中国产太阳色球望远镜的研究、修复与展示，可以发现这些退役的老旧观测设备再次获得了新生，并且有望获得比退役之前更加显著的社会关注度，在科学传播领域发挥更大作用。这些工作不仅延续了一台天文望远镜的生命，体现出相应的科学价值，同时还能够将其背后所蕴含的科学精神与科学故事带给公众。对于运营方面，国外显然比我们有着更多的成熟经验，国家天文台沙河科普教育基地也会在未来的运行过程中持续改进与提升，并以此为出发点，更好地探讨科学与人文的传播支点，将更多的老旧设备纳入到保护计划中来，让它们为科学传播工作继续发挥力量。