“世界上可曾有这样宏伟的剧场，它能把日月星辰包罗收藏？人间哪有这么巨大的银幕，它能辉映出宇宙的景象？”我国天文馆事业的开创者、北京天文馆的创始人之一李元先生曾经用诗一样的语言赞美过天文馆。这种20世纪初诞生于德国的科普场馆，凭借独特魅力在全世界遍地开花。
重现星空
自古就有的梦想
天空中星辰的游走与变化，一直吸引着人类的目光。为了将星辰运转的规律讲解给普罗大众，或是单纯为了创造一种特别的景观，人们很早就试图采用一些装置复现星空。据传，古希腊的哲学家阿基米德曾经制造过一种展示行星运动的仪器，当罗马征服希腊后，这架仪器还曾经被当作战利品运往罗马。直到现在，在科普展馆中，仍然有一些类似的机械装置，向参观者展示着月相变化、四季更替等自然现象的原因。这些装置虽然简单直观，但参观者处在天体以外的视角，无法提供像在地球上仰望星空一样的观感体验。
18世纪，俄罗斯圣彼得堡一家博物馆中展出的“戈托地球仪”，则提供了一种观察星空的全新感觉。从外观看，“戈托地球仪”除了拥有3.1米直径的巨大个头外，与一般的地球仪似乎没有什么差异。然而，设计者独具匠心地在地球仪内部设置了几个座椅。当观众在座椅上坐定后，在烛光的照耀下，能看到地球仪内部布置的天体模型通过水力的驱动在地球仪内部游走，仿佛星空被复制到了这个地球仪中。直到20世纪初，仍然有科普场馆选择这种装置。1913年，芝加哥科学院博物馆使用的类似功能的地球仪，直径达到5米，总共能够演示692颗星星的变化。
这种特别的地球仪提供了由内而外看星星的视角，但其局限性依然是比较明显的：受材料和机械技术的限制，这种装置的尺寸不能无限地放大，一次容纳的观众有限。同时，视觉效果上，距离真实星空仍然有一定的差距。
1912年，瑞士巴塞尔的安代尔曼教授发现了一种演示天体运行的新方法。在他设计的仪器上，两个代表行星的模型围绕着仪器中心代表太阳的模型旋转。在每颗行星上，都安装了一个灯泡。当将某颗行星模型上的灯泡打开时，太阳和另一颗行星模型的影子就能被投射到墙壁上。随着装置的运行，影子的位置变化就反映了从灯泡所在的行星上观测到的天体运动的规律。虽然这个装置相当简单，看起来本应是亮点的天体也变成了黑色的影子，但却给天体运行的演示提供了新的思路。
光学投影
球形屏幕再现星空
20世纪初，在西门子和伦琴等著名科学家的帮助和推动下，德国工程师冯·米勒准备在德国慕尼黑市创建一所博物馆。在建馆过程中，冯·米勒希望能够安置一台能够真正重现星空与天象的设备，不但能显示视运动相对简单的恒星的位置变化，还能演示视运动比较复杂的行星的变化。这样，参观者们在博物馆里能够更加直观地认识和理解天文和宇宙方面的知识。一开始，米勒的想法仍然是修建一个类似于戈托地球仪的装置，只是直径能够达到六七米，从而能够容下更多的观众。
米勒将实现这一构想的希望，寄托在了德国的蔡司公司身上。喜爱摄影的读者一定不会对蔡司的名字感到陌生，这个从家庭作坊起家的公司，是有名的光学系统制造商之一，其生产的望远镜、相机、镜头等产品享誉世界。当蔡司公司接手这个任务后，经过一番讨论与思考，否定了地球仪式的机械装置演示星体运行的方案，进而提出了使用光学仪器向屏幕投影，从而再现星空的想法。为了让观感更接近实际的星空，屏幕并非一般电影院所使用的垂直银幕，而是如同苍穹一样的球形屏幕。这种球形屏幕，一般安装在一个半球状的建筑顶部，形成一个微缩版的天空。
设计制造用于投影星空的天象仪，是实现这一构想的关键。然而，第一次世界大战的爆发使相关技术的研发几乎陷入停滞。直到战后的1919年，才终于由蔡司公司的工程师鲍尔斯费尔德提出了可行的光学系统设计方案。在此基础上，也有不少天文学家参与到了相关工作中来，根据天体运行的规律进行了大量计算，确保天象仪放出的是精准的星空图像，恒星、行星的位置和运动都与实际情况基本相符。这样，新装置才能真正起到科学普及的作用，而不是让参观者简单地看看热闹。
1923年，天象仪和球幕的试制基本完成。为了在正式安装前根据实际使用结果进行改进，天象仪没有被立即运往博物馆，而是在蔡司公司的总部所在地耶拿进行了首次放映试验。结果，天象仪的首秀大获好评，在场的观众无不为之震撼，并将其称为“耶拿奇迹”。1925年，天象仪和与之配套的球幕圆顶在冯·米勒创建的德意志博物馆调试完成并向公众开放，成为了世界上第一个天文馆。蔡司公司设计制造的天象仪，也被定型为“蔡司Ⅰ型”天象仪。
加速普及
小孔式天象仪试制成功
德意志博物馆天文馆的演示效果，给参观者们留下了深刻的印象。不过，由于地理条件的限制，生活在北半球的人们如果不到南半球旅行，一生都无法看到南十字星座等天体系统。
为了改变这种情况，让北半球的人们也能感受南半球的别样星空，人们对蔡司Ⅰ型天象仪进行了改进，为天象仪配备了两个恒星投影球，使得天象仪既能够展示德国所在的地球北半球所看到的星空，又能展示地球南半球所看到的星空。1926年，第一座装备了这种改进的蔡司Ⅱ型天象仪的天文馆在耶拿落成。此后，新的天文馆如雨后春笋一般，在欧洲的多个城市中出现。比如1928年，罗马天文馆建成。1929年，莫斯科天文馆建成。而1930年，一下子有5个新的天文馆，分别在斯德哥尔摩、米兰、汉堡、维也纳和欧洲以外的芝加哥出现。位于芝加哥的阿德勒天文馆，是由芝加哥慈善家阿德勒在观看完德意志博物馆天文馆的演示后决心修建的。在开馆后，这个天文馆迎来了数以千万计的参观者。1937年，亚洲首座天文馆在日本东京开幕。
镜片式投影的天象仪，像是一台复杂精密的幻灯机，将“底片”上的天体形象投影到荧幕上。这种天象仪投影产生的星点非常细腻，寿命也很长。例如，日本东京涩谷区东急百货公司顶楼的五岛天文馆，蔡司Ⅳ型天象仪足足使用了44年。而天象仪“退休”的原因也并非自身寿命耗尽需要报废，而是因为经济不景气，有关经营者无法维持天文馆运作而被迫让天象仪“下岗”。
虽然蔡司公司开发的投影式天象仪具备种种优点，但居高不下的价格，使得只有大型机构和科普场馆才有足够的财力在大城市建立天文馆。在1940年，富裕的美国也仅开办了5个天文馆。
从事天文科普事业的美国人阿曼德·斯皮兹决心改变这一现状。为了降低成本，他将投影式天象仪复杂的光学结构简化为十二面体，通过十二面体上开的孔洞所投射出的光线，在球幕上产生星象。在牺牲一部分投影效果的同时，这种天象仪的成本大大降低，售价仅为数百美元，比蔡司公司天象仪动辄十多万美元的价格低很多。1947年，小孔式天象仪试制成功并开始销售，逐渐走入美国的小型博物馆和学校。1957年苏联发射第一颗人造卫星后，美苏天空竞赛引发太空热潮，使得天文馆在美国以前所未有的速度普及。斯皮兹的天象仪成为这一时期新建小型天文馆的首选设备。
西直门外的北京天文馆
多方呼吁终结果
我国对于天体运行的观测有着悠久的历史，而天文馆的出现，也很快受到了国内科学界的关注。上世纪30年代《科学画报》和《科学》等国内杂志，有多篇文章介绍了这种新生事物。当时，天文馆被称为“假天馆”，人们迫切希望在中国的土地上建起一座天文馆，有人甚至还提出了发行邮票或开办股份公司，以民间集资的方式来实现。然而，在当时动荡的社会条件下，这一愿望没有得到实现。
新中国成立后，科学事业得到了充分的发展。关心天文科普事业的人们通过各种刊物积极宣传天文馆的用处与益处，并积极向有关部门领导建言献策，希望天文馆的建设能够早日提上议事日程。1952年，李元先生向中国科学院有关领导呈交《关于建立北京假天馆（天文馆）的计划》，得到了积极的回应，并将有关计划转交给北京市讨论。恰巧，北京市负责相关工作的吴晗副市长在1951年曾亲自参观过德国耶拿的天文馆，对天文馆在科普教育上的作用评价很高。当收到科学院的有关文件后，吴晗副市长亲笔致信李元先生，不但表示赞成建馆，还建议把建国门的北京古观象台也并入未来的北京天文馆管理。
1954年夏天，我国驻民主德国使馆反映，因我国和民主德国间有贸易顺差，民主德国方面建议我国购买天象仪作为外贸补偿。在这个契机下，中央文委当年9月开会，决定筹建北京天文馆，建馆的具体工作和经费由中国科学院负责，北京市在基建和用地等方面予以配合。
关于新场馆的定名，也经历了一些讨论。有人主张使用“假天馆”这一之前的名称，也有人主张使用“天文电影院”这一反映实际功能的名称。在国外，类似的场馆功能比较单一，一般只用于演示星空天象。而北京天文馆的开创者们认为，在新中国当时的条件下，新创办的这个场馆既应该有演示天象的功能，同时还应该有天文科普展览与研究的功能。在陈遵妫先生的大力倡导下，这个场馆最终采用了“天文馆”这个名称。
选址曾经颇费周折
北京天文馆的选址也颇费了一番周折。一开始，有关部门本来计划将天文馆建在天坛附近。对于天文馆的外观，有人建议摒弃国外常用的圆顶造型，认为这种建筑外观形似坟丘，不讨人喜欢。他们希望新的天文馆能建成中国式的攒尖大屋顶造型，与天坛祈年殿类似。不过，经过建筑师们的讨论后，最终还是选择了圆顶造型的基本设计方案。大家认为，我国的传统文化中有天圆地方的说法，因此半球形的造型实际是符合我国传统的。但是，由于当时天坛附近总的城建规划尚未完成，交通方面不是十分方便，而新建的建筑又可能破坏古建筑的整体风貌，因此这个选址方案最终被否决。
后来，有关部门还考虑过将天文馆修建在月坛附近或鼓楼上面，均因不尽合理而未能实现。北海公园后门斜对面、什刹海后海沿岸的一块三角地，也曾纳入过选址的考虑范畴，但因拆迁民房数量过大、什刹海水位过高等原因而未能入选。最终，建筑师们的目光投向了北京西郊动物园附近的一片空地上。附近的北京动物园和当时刚刚建成的北京展览馆（当时名为苏联展览馆）使得这里可以形成一个首都的文化娱乐中心，具备交通方便和风景优美的特点。虽然当时北京北站（当时名为西直门站）到门头沟的铁路支线就位于馆址南侧，火车经过的震动可能对天文馆的设备产生影响，但人们估计随着北京城建的发展，这段铁路很快就会拆除。果然，在上世纪60年代末，北京北站到五路站的铁路因市政规划原因被拆除。
北京天文馆建成开放
北京天文馆于1955年10月24日正式动工。除了土建工程外，天象仪的安装和调试也耗费了建设者们不少的心血。在德国蔡司厂家派出的专家指导下，仪器安装得以顺利完成，北京天文馆的工作人员也掌握了这种精密光学仪器的有关技术。在订购仪器时，天文馆的建设者们还细心地意识到了投影字幕的语言问题，特地把星座、月份等名称翻译成中文交给蔡司工厂制作。1957年6月17日，天象厅内进行我国第一次人造星空表演，人们兴奋地在球幕上看到了中文的说明字幕。在当年国庆节，北京天文馆正式向广大群众开放。
除了最为重要的天象馆外，天文馆的主体建筑中还设置了宽阔的门厅和两翼的展厅。在门厅中，安装了一个现象显著的科学演示仪器——傅科摆，可以使观众真切地感受到地球的自转。而两翼的展厅用于布置各类天文科普展览，使天文馆的科普作用发挥得更充分。在主体建筑之外，还配套建设了天文台、气象站等观测设施，能够实现天文馆的科学研究功能。天文馆占地除了满足以上建筑的需要外，还为未来预留了发展空间。
新世纪天文馆焕然一新
进入新世纪后，北京天文馆也迎来了新的发展机遇。2004年12月12日，北京天文馆新馆在天文馆预留的园区土地上落成，使北京天文馆有了更宽阔的展览空间。根据建筑师对设计方案的描述，北京天文馆的新馆与老馆在外观上相互融合，旧馆的圆顶可以被视作一定质量的天体，而新馆的外观则表示天体周边由于广义相对论效应而产生的时空弯曲。
2008年7月11日，整修一新的老馆重新开放，喜迎北京奥运会的到来。重修后的老馆，除了保持原来的基本风貌外，有关硬件设备得到了全面的更新。天象厅中原有的蔡司Ⅲ型天象仪，被更新换代为蔡司Ⅸ型，同时还安装了当时世界上分辨率最高的全天域数字投影系统，不仅能为观众逼真还原地球上肉眼可见的9000余颗恒星，高达8K分辨率的球幕影像，还能实现虚拟天象演示、三维宇宙空间模拟、数字节目播放等多种功能。不论是成人还是儿童，都可以在天象厅中体验浩瀚宇宙的广袤与绚烂。
