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龙8体育官网入口:玑衡抚辰仪的“孪生兄弟”如何还原古代仪器的“原汁原

2024-06-23 04:00:47 来源:龙8官方 作者:龙8官方网址

  2023年12月中旬,北京中远海运集装箱运输有限公司的一艘货轮从天津港起航。经过40多天航行后,这艘货轮将于春节前停靠斯洛文尼亚。

  货轮里装载了我国最后一件大型古典天文仪器玑衡抚辰仪的“孪生兄弟”——200多年前,它的主要设计者刘松龄通过这件仪器将当时西方的科学技术带到了中国;如今,我国又将其复制品送还家乡。

  作为古代天文仪器的杰出代表,玑衡抚辰仪结构精密、造型复杂,对它的复制,既应用了最新的数字化信息采集、加工技术,也离不开铸造专家对前人匠心的继承。

  西城区车公庄大街6号,北京行政学院内,有一片外国传教士的墓地,来自各国的60多位传教士在这里长眠,“耶稣会士刘公”也在其中。他的墓碑上刻着汉文和拉丁文,中间是八个大字“耶稣会士刘公之墓”。

  这位刘公的全名叫刘松龄。他曾在清代的皇家天文气象机构——钦天监里工作了30多年,其中28年担任“一把手”,也就是监正。他也是所有钦天监监正中任职时间最长的一位。

  北京天文馆古天文研究中心副主任杨帆道出了背后的缘由:明代末期,很多耶稣会士远渡重洋来华,拉开了西方科学技术大规模传入中国的序幕,中华古老而传统的科学技术开始与世界接轨。天文学作为中国传统科学中最为成熟的学科之一,最先开始了与西方知识的碰撞和交流。“因此,许多的交锋与融合都发生在古观象台的院墙之内,古观象台成为中西文化交流史上许多重要事件的见证者。”历史上赫赫有名的汤若望、南怀仁,都曾担任过钦天监的监正。

  虽然不如汤若望、南怀仁般有名,但刘松龄的贡献也可圈可点:他在中国进行过很多天文观测,如金星凌日、水星、彗星以及日食、月食等,还把在中国的观测成果传回欧洲并公开发表。

  登上今天的古观象台,东北角映入眼帘的便是玑衡抚辰仪。经历岁月的洗礼,这件高3.379米、重5145千克的仪器风采不减当年。最显眼的,是主体结构上的三层圆环,分别是“仪”“三辰仪”“四游环”,通过中间的一根窥管,可以直接读出被观测天体的赤道经度。玑衡抚辰仪的基本结构和原理,类似汉唐以来的浑仪;但是,它简化了古浑仪的结构,大胆舍弃了地平圈和黄道圈,扩大了观测天区,提高了观测精度,在浑仪的发展史上占有重要地位。尤其是其云座和龙柱,将中华民族特色融入18世纪西方的最新科技。无论是冶金技艺还是雕刻水平,玑衡抚辰仪都堪称当时工艺技术的集大成者。

  1744年,乾隆帝到观象台视察。当发现台上都是西洋风格的天文仪器后便提出,希望钦天监参考浑仪的造型,结合西洋的刻度,铸造一架中西合璧的新仪。于是,刘松龄主持设计并监制了这架“新制浑仪”。1754年制造完成后,“文艺范儿”的乾隆帝引用《尚书·舜典》里的“在璇玑玉衡以齐七政”,将仪器命名为“玑衡抚辰仪”——“玑衡”是用美玉做的浑仪,在这里代指这架新制天文仪器;“抚辰”则是将观测星空比喻为抚摸漫天星辰,极具诗意和浪漫色彩。

  “它的外形是中国传统浑仪样式,但细节上又具有很多欧洲仪器的特点,是中国古代传统仪器制度与西方计量刻度的完美结合,体现了中西合璧的理念。”杨帆指着仪器细细解读:仪器采用了西方360度的圆周度划分习惯,并采用第谷的横向划分法,使得测量精度大幅提高;在窥管前端的圆孔中,安装了十字叉丝,既方便观测也进一步提高了观测精度。“从1754年到时期,玑衡抚辰仪前后一共使用了174年。”

  “关于刘松龄,最初学术界对他的关注并不多。”杨帆说,上世纪80年始,在国内外学者的共同努力下,关于他的各种史料才逐渐被披露出来。

  “通过考察其往来信件、手稿以及档案资料,学者们最终确定,刘松龄原名哈勒斯坦因,出生于今天的斯洛文尼亚首都卢布尔雅那。”

  为纪念刘松龄为中西方交往所做的贡献,2020年,北京天文馆与中国驻斯洛文尼亚大使馆商定,共同制作一架玑衡抚辰仪的复制品,赠与斯洛文尼亚。

  古观象台上的8架清代天文观测仪器中,玑衡抚辰仪的装饰造型最为华丽,设计和加工也耗时最久。“当时是举全国之力花费了10年的时间才建造完成的,其难度可想而知。”杨帆解释,除了圈环需要极高的精密性之外,最大的难点还是两侧的龙柱花纹,10条游龙造型生动,龙鳞、龙须纤毫毕现。没有这些细节的详细数据和信息,做原样复制就是一纸空谈。

  不过,复制团队对此却是胸有成竹。“2017年,天文馆获得北京市财政项目的支持,对古观象台上的藏品文物进行了数字化的采集,为这次复制做了非常好的数据储备。”杨帆介绍,当时,工作人员不仅拍摄了高清图片,还对文物上的雕花、纹饰等信息进行了三维数字化扫描。据统计,古观象台共有可移动文物50余件,包括一级品(孤品)8件、二级品3件、品4件。在此之前,国内还从未对古天文藏品进行过如此大规模的数字化采集,没有具体的行业标准和经验可供参照。

  “首先是高精度需求与仪器巨大形体之间的矛盾。”杨帆说,古观象台的天文仪器体型较大,包括玑衡抚辰仪在内的8架仪器,多数重量都超过了2000千克,在采集信息时难以移动;而且古观象台顶部空间有限,如何在狭小空间内全面地采集高精度数据,是团队必须要解决的难题。

  其次,由于高精度信息采集的时间很长,在一个采集周期内,如果光线不断变化,会产生亮度差和色差,影响色彩信息的统一。

  再次,仪器某些局部的造型不规则,雕刻又极为精细,比如龙首的龙角、龙须及龙嘴部分,空间距离小于5厘米,属于复杂造型区域,且相互之间存在遮挡,容易导致部分信息无法采集。

  “技术团队首先考察了当时可以应用于博物馆藏品的信息化采集技术,比如高精度数字摄影技术、360度摄影测量技术,但它们也都各有各的问题,没法解决我们面临的困境。”杨帆以高精度数字摄影技术举例,“这项技术一般针对的是平面物体,如壁画、彩画及墙面等,且仅能获取色彩信息,无法获取空间信息;同时,在拍摄时要使用标尺、色卡等辅助工具,才能得到尺寸信息及色彩纠偏信息,应用起来很不方便。”

  针对空间局促的特点,团队使用了高精度的手持栅格光扫描设备,速度是慢了点,但是活儿精细;为了避免光照的影响,他们把工作时间安排在了晚上。反复试验后,工作团队在“补缺”方面也找到了较为理想的解决方案:通过摄影测量技术获取小空间的几何信息;再使用结构光扫描仪采集关键位置,如凹槽底部、龙角顶部的空间信息;最后运用几何信息映射及人工数字雕刻技术,解决互相遮挡部位的采集难题。

  天文仪器周身布满精美雕饰和用于测量的细密刻度,采集数据量很大,随之带来的累计误差难以估算。因此,找到合适的数据处理平台和相关算法,从而减小误差,是团队首先要解决的问题。

  工作人员先后尝试了多个主流软件平台,发现都难以承载采集到的数据量;即使数据能够打开,也根本无法操作。经过多次失败后,他们借用了一款很少在文物逆向信息采集领域使用的数字雕刻软件,并在算法及硬件资源调用上进行了极致优化,才解决了这一难题。

  接下重任的是古天文仪器铸造专家罗宝琪。年逾古稀的他,将玑衡抚辰仪的复制视为自己人生的“最后一件作品”。

  “在所有的古天文仪器中,玑衡抚辰仪的铸造难度是最高的,我对这件仪器也最有感情。”罗宝琪与玑衡抚辰仪的缘分要从20多年前说起——1995年,北京天文馆曾经组织国内专家对古观象台上的天文仪器进行过一次大修,罗宝琪是主要参与者之一。

  “要制造一件东西,你必须对它有深入的了解。”罗宝琪回忆,当时对玑衡抚辰仪的修复前后花了4个多月,正是这4个多月的朝夕相处,为复制工作打下了坚实的基础。其中,最直接的是对仪器成分的分析——让很多人意外的是,仪器表面虽然呈现青绿色,却不是由青铜制成,而是用黄铜铸造而成的,这层青绿只是岁月赋予它的颜色。

  当年,修复团队还对仪器易受损的位置、受工艺限制出现的不合理的设计细节等,都进行了详细记录。而在复制过程中,这些记录都成了弥足珍贵的财富。“为我们提前干预提供了参考。”罗宝琪举例,仪器圈环结构与立柱有两个轴相连,当年修复团队检测发现,其成分是铁,容易腐蚀和氧化;该部位也是当年维修的重点点位之一。此次复制时,罗宝琪将该部位的材料替换成了不锈钢。

  “我们必须充分了解仪器各部位的功能用途,才能决定使用何种材料。如果200年前清代有不锈钢这种材料,我想,刘松龄肯定也会做出同样的选择。”在罗宝琪看来,文物复制与文物修复不可避免地会留下时代的痕迹。

  材料选好了,到了铸造时,罗宝琪要操心的事儿就更多了,每天都如履薄冰。“金属液体一旦熔化,倒进模具以后是什么样子,没人能够提前预测,所以我们必须做好前期准备。”

  他解释,古代天文仪器最大的特点是榫卯结构,所有的构件严丝合缝融为一体。这也意味着,必须严格控制单个构件的变形,“一旦变形,就失去了组装在一起的可能性。”

  首先,铸造团队要根据仪器的三维数据进行3D打印。“铸造过程中,铜从液态转变为固态时,由于密度的变化,会导致体积减小。因此,我们要根据收缩率,适当放大3D打印的数据,为后续铜的收缩留出余地。”

  根据3D打印的模型,团队要制作相应的硅胶模具;之后向中空的胶模注入熔化的蜡水,待蜡水凝固后便获得了蜡形;通过耐火材料将蜡形包裹后,加热熔化蜡形,团队便得到了耐火形壳;再向耐火形壳里灌注进熔化好的铜水,待铜水凝固后,去除一次性模壳,便获得了一个完整的铜铸件。

  “这上面的每一步都有可能出现变形。”罗宝琪道出了其中的不易。他解释,影响变形的一大因素是温度,而工期正好赶上最不利于铸造的冬季。“冷却的速度越快,变形量越大。”雪上加霜的是,由于复制的仪器体量大,整个项目几乎都是在露天完成的。为此,团队根据构件的形状,为每个构件都搭建起了“保温屋”;同时,在每一道工序完成后,都要与该工序专用的样板进行比对,确保误差在允许范围内。

  在此基础上,团队每一步也都小心翼翼:在完成铸造后,第一时间将铸件用黄土和沙子埋住,确保铸件缓慢冷却;甚至在浇铸铜水时,模型是立着还是躺着,团队都进行了充分的考量。

  经过3个多月的日夜奋战,玑衡抚辰仪亮闪闪的“孪生兄弟”终于成形,并于2023年11月完成了总装验收,踏上了回家路。

  在杨帆看来,玑衡抚辰仪的复制,也为未来的天文教育和天文科普提供了新的思路。“古观象台现有的科普空间有限,台顶仪器又都是国家一级文物,不允许观众近距离接触;然而,天文学是一门观测性质的学科,观众需要近距离观察甚至直接操作仪器,才能真正理解这些文物背后的科学原理和历史情境。有了复制品,这一难题也就迎刃而解了。”(完)(原标题:古仪新生)