这家科技感MAX的博物馆能够“玩”科学

从古老的恐龙化石到颇具未来感的机器猎豹，从魔术般的莫比乌斯带到动物和生境的全景展窗，从展示地球自转的傅科摆到全球最大的室内闪电装置波士顿科学博物馆的陈展可谓一场科技盛宴。

波士顿科学博物馆（Boston Museum of Science）坐落在查尔斯河畔，其历史可追溯到1830年成立的波士顿博物学会。往常， 这座博物馆已是集自然馆、科技馆、天文馆、室内动物园、IMAX影院等于一体的知名综合性科学博物馆。

波士顿科学博物馆依查尔斯河而建，是集自然、生命、天文、天文、数学、物理等为一体的综合性科学博物馆。

01

大波士顿“智造”

科学博物馆分蓝绿红三翼，进门右转便来到蓝翼。首先映入视线的是一个有着俏皮名字的永世展厅——“绝顶聪明”（Wicked Smart）。按2019年彭博（Bloomberg）创新指数排名，美国最具创新力的州是加利福尼亚，排名第二的就是博物馆所在的马萨诸塞州。大波士顿地域不只有哈佛大学和麻省理工学院等世界一流高校，还是众多科技公司和研讨所云集之地， “绝顶聪明”就是特地展示大波士顿地域科技创新成果的舞台。在科技类博物馆中，能为所在地的科技成果开辟展区的并未几，即便有也多为暂时展览，像“绝顶聪明”这样的永世展区实属少见。

博物馆内成百上千种互动游戏和体验项目激起着人们探求科学的兴味。

展厅以橙色为主颜色，散步其中可见各种新奇的发明发明：哈佛大学研发的能立于手指上的微型飞行器——机器蜂、可自动加热的智能外套、保险性能先进的自动轮椅令人大开眼界。

哈佛大学研发的微型机器蜂

智能轮椅让小朋友摩拳擦掌

在一个较暗的展台，4个外型各异的无色透明玻璃花瓶被聚光灯照得十分显眼，瓶身上的层层横纹将光线折射出梦境般的影像，如流云，似轻霞。把这些别致的花瓶看作艺术品也未尝不可，不外它们还具高科技属性——是由一台名为G3PD的3D打印机打印出来的。 G3PD打印机是麻省理工学院资料实验室和玻璃实验室的协作研讨成果，可将熔融玻璃像挤牙膏一样挤出，并按预先设计好的外形精确地层层堆叠，制成花瓶等形态万千的部件。它是全球首台可打印透明玻璃制品的3D打印机。

往常研发团队已开发出 第二代打印机G3PD2，能够打印建筑部件，以至整栋建筑的玻璃立面。

麻省理工学院经过高精度3D打印技术制造的花瓶，就像手工吹制的艺术品。

展厅中的绝大多数展品对我来说都是第一次见，之前在网上看过的展品只需一件：麻省理工学院仿生机器人实验室研发的猎豹2（Cheetah 2）。我隔着玻璃察看，这个四足机器人未来感十足，体量比我想象的雄壮不少，肩高超越半米，体长1米多，笼统的黑色头部有几分猎豹的形象，但头部并没有视觉传感器。那么这头“猎豹”是如何感知周围环境的？原来，研发团队赋予了它“眼观六路”的身手： 经过激光雷达快速扫描周围，生成一幅幅实时“地图”，即便在奔驰过程中也能疾速察觉障碍物。“猎豹”四肢健硕，由众多金属杆相连。躯干布满绿色印刷电路板，肩部和髋部有圆形部件，这是研发团队特地研制的高扭矩电磁电机，令“猎豹”具备快速奔驰的才干。

麻省理工学院研制的第二代猎豹机器人，能在奔驰中自主稳定腾跃。

受博物馆条件限制，这只“猎豹”在展厅中无法进行动态展示，观众只能经过视频观赏它奔驰和逾越障碍的风采。 它的最高奔驰速度可达23千米/小时，并能在9千米/小时的稳定速度下自主跳过40厘米高的障碍物（相当于腿部高度的80%），步态十分稳健。麻省理工学院2014年推出的第一代猎豹机器人仅能完成基本的运动和稳定，第二年升级的这款猎豹二代，已能在奔驰中完成稳定腾跃，具有里程碑意义。实验室后来又研发出体型更小、能够原地后空翻的第三代猎豹机器人，令人称奇。

02

从恐龙到新英格兰生境

走出“绝顶聪明”展区，凭栏俯瞰低一层的恐龙展区，最引人注目的莫过于真实大小的霸王龙（Tyrannosaurus rex）模型。它浑身灰黄色，间杂以淡褐色斑纹，直立的后足十分粗壮，细弱的前肢垂于胸前，尾巴伸展于空中，与前伸的头部简直位于一个平面。头部长约1.5米，嘴巴大张，显露近60枚匕首般的利齿。

霸王龙是北美洲特有的恐龙种类，主要生活在距今约6800万至6600万年的美国西部和加拿大西南部地域，重达6吨，是已知地球上最大的陆生食肉动物之一。 波士顿科学博物馆的第一具霸王龙模型制造于20世纪60年代，当时出土的霸王龙化石并未几，模型依照3具不完好的遗骸恢复，身体直立，尾部拖地。尔后，随着更多霸王龙化石出土，学界对霸王龙的了解逐步深化。眼前这个霸王龙模型制造于2001年，头尾平伸的新外型反映出人们对古生物认知的深化。

博物馆有两具霸王龙模型，这具的首尾近乎在一个平面。早期制造的模型则身体直立、尾巴拖地，现立于博物馆门外。 金文驰 摄

下楼后，我便与一只名叫Cliff的恐惧三角龙（Triceratops horridus）碰面了。它2004年在美国北达科他州出土，约有6500万年历史，是全球公展开示的4具近乎完好的三角龙标本之一。Cliff体长6.7米，肩高2.7米，据预算，它活着的时分体重超越5吨。博物馆为Cliff打上幽暗的蓝色灯光，让人仿若梦回白垩纪晚期。

作别恐龙，前往同层的绿翼，这里的“新英格兰生境”展厅颇受游客欢送。新英格兰位于美国本土东北部，包含缅因州、新罕布什尔州、佛蒙特州、马萨诸塞州、罗得岛州和康涅狄格州6个地域。17世纪初，英格兰的清教徒为规避欧洲宗教迫害迁移到这一地域定居，故而得名“新英格兰”。 展厅中的多个全景展窗展出了新英格兰地域从温带落叶阔叶林到海岸湿地的多样化生境，以及其中具有代表性的动物。

新英格兰生境展窗的环境背景描画写实，动植物模型真切，令人有设身处地之感。

所谓全景展窗，就是将天文环境、植被和动物全部展示出来。这里每一个全景展窗都绘有精巧而真切的背景画，画中积雪、森林、山岩浮光剪影。这些画不是凭空想象的，每一幅都是依据细致地点创作，出自美国著名野生动物画家弗朗西斯·李·雅克（Francis Lee Jaques）之手。 以美洲黑熊（Ursus americanus）的全景展窗为例，它呈现的是新罕布什尔州的野猫山（Wildcat Mountain），背景画与前景中的石块、植物模型以及动物标本等“无缝”衔接，既充沛尊重了科学，又展示出很高的艺术水准。

全景展窗假如只能看，似乎有些不外瘾，为此，博物馆从触觉、听觉、嗅觉等多方面调动观者的体验。隔着玻璃摸不到美洲黑熊的皮毛，博物馆就特地拿出一块巴掌大的皮毛请大家触摸，那黑毛比想象中的要粗硬。看过美洲河狸（Castor canadensis）木板般无毛的大尾巴，再听听它们用尾巴拍水发出的警报声，体验愈加真实。

03

笼统数学的形象展示

数学是一门高度笼统的学科，博物馆的“数学王国”展区采用后现代设计，形象地展示了数学中的几何、代数、逻辑、概率论和拓扑学等多个分支的学问。

数学王国展厅采用后现代主义设计，复古而时兴。

整个展区面积仅280平方米，以黑白两色为主颜色，展陈设计并不老旧，历史却可追溯到1961年。那一年，加利福尼亚科学与工业博物馆设立了“数学王国”展区，由IBM公司委托加州著名设计师伊姆斯夫妇（Charles and Ray Eames）担纲设计。 “数学王国”后被原样复制安家别处，1981年落户波士顿科学博物馆，成为博物馆最受欢送的展区之一。

展区后方是一面展示数学学科延展的历史墙，墙上不只列出了众多数学家的生平和成就，还以大众较易了解的方式展示了数学概念。例如在一株向日葵的花盘上，从看似杂乱排列的瓜子中发现斐波那契数列；一个雪花图案，其实是科赫曲线

展区中有个“肥皂泡”互动区域，各种不同外形的金属框用线拴着浸泡在肥皂水中，参观者能够拉动线的一端，将金属框从肥皂水中拉起。由于名义张力作用，覆在上面的肥皂泡膜稳定在名义积最小的状态，所以肥皂泡的面积即围合金属框的最小名义积。 这就是研讨极小曲面（Minimal Surface）的著名普拉托实验。

在三维空间，肥皂泡膜名义满足的几何性质为极小曲面。

在我身后不远处， 有个大型的莫比乌斯带（Mobius Band）模型，一个箭头在带面上缓缓行驶，它无需逾越条带边沿，就可走遍条带两面。我们用一条纸带就能快速制造一个莫比乌斯带：将纸带一端改动180度，与另一端黏合即成。用剪刀沿纸带中线剪开，纸带不只没有一分为二，反而得到一个两倍长的纸环。

莫比乌斯带是拓扑学中典型的拓展图形，除了带子自身平面的两个维度，它还具有垂直和水平两个方向上的旋转维度，因而共有4个维度。一些在平面上无法处置的问题，在莫比乌斯带上可取得处置。19世纪50年代末，德国数学家莫比乌斯和约翰·李斯丁发现了它的神奇特性，后被应用在工业生产和生活中。例如针式打印机的色带做成莫比乌斯带结构，两面应力，可延长运用周期；游乐园中的过山车运用莫比乌斯带特性，在轨道两面经过。

莫比乌斯带是一种典型的拓扑图形，应用于建筑和工业生产中。它所包含的循环往复的哲学意义，也赋予艺术家创作灵感。 金文驰 摄

“数学王国”中的大多数展品都很宁静，阵仗最大的要数一台“豆子机”（Bean Machine）。它是由英国人弗朗西斯·高尔顿爵士（Sir Francis Galton）设计用来研讨随机现象的模型，又称高尔顿板（Galton Board）。机器上部有一个小孔，中部插有众多小木棍，底部用竖直板分隔出多个空间。当小球从小孔落下时，受木棍阻挠左右弹跳，假如小球数量足够多，我们会发现，正对小孔的隔间落入小球最多，左右两侧数量逐步减少，最终构成一个左右对称的钟形曲线。 这台装置形象地展示了概率论的一条定理：当样本足够多时，二项散布近似于正态散布。

在数学王国，各种有趣的数学学问经过精巧的模型形象展示。“豆子机”演示了一个概率曲线被考证的过程。

我眼前这台豆子机算是尺寸大的，从空中直抵天花板，至少有数百个小球陆续从孔中落下，在数百个小木棍间弹跳，叮叮当当落入底部18个隔间里。玻璃壁上画有一条钟形曲线，最后每个隔间所积聚的小球高度简直与曲线分歧。看着这些豆子恣意跳动，很有几分身心酣畅的治愈感。

04

室内闪电大秀

“数学王国”展区外是电力剧场（Theater of Electricity），阶梯上已坐满观众，一场“闪电秀”行将开端。舞台被众多金属丝围合，中央有两根6.7米高的大柱子，柱子顶端各有一个直径4.5米的空心铝球，在灯光渲染下呈现出魔幻的红色和蓝色。掌管人是一位身穿红色制服的银发老翁，他特意提示大家表演的噪音很大、闪电亮度高，假如觉得身体不适，请提早离场。

掌管人来到一台小型范德格拉夫起电机前，向我们引见并演示它的工作原理。仪器有一大一小两个金属球，空心大球立于绝缘柱上，支柱内装有传送带。当接通电源，皮带转动，大球内部的金属刷与皮带摩擦，将正电荷传输到大球外名义，负电荷则转移到小球上。运转几十秒后，掌管人将小球靠近大球，在行将碰触时，能分明地听见“噼啪”的放电声。

矗立于舞台中心的便是全球最大的范德格拉夫起电机，能够用来制造室内闪电。接下来，掌管人扭动开关，经过摄像头我们看到柱子内的皮带开端运转，几分钟后，一个金属小球缓缓升起向顶部的大球靠近，在两者相距还有1米多时，一道白亮的闪电在两球间闪烁，随即一声“晴天霹雳”轰击鼓膜，一时间观众被惊得呆若木鸡。

电力剧场具有世界上最大的范德格拉夫起电机，每天演出的闪电秀惊心动魄。

1929年，麻省理工学院的物理学家罗伯特·杰米森·范德格拉夫（Robert Jemison Van de Graaff）发明了此装置，它产生的高压静电能加速多种带电粒子，因而被用作粒子加速器。直到20世纪30年代末回旋加速器降生，范德格拉夫起电机才退出加速器的舞台。眼前这台大型装置是范德格拉夫20世纪30年代设计的，金属球越大，产生的电压就越高，电场也越强，难怪大小金属球还“相距甚远”，空气就被电流击穿了。

在粒子镜前摆外型，深度传感器检测到人的动作或声音后推进粒子运动，呈现出变更的影像。

随后，掌管人走进一个一人多高的金属笼里。笼子缓缓升高，大金属球和笼子间也呈现了道道闪电。令人吃惊的是，当闪电击中他扶着笼壁的手时，他看起来却像没事人似的。 原来这种金属笼子（或由其他良导体制成）叫法拉第笼（Faraday Cage），接地的笼体是一个等势体，具有静电屏蔽效应，无论笼外加上多高的电压，内部也不存在电势差，电场为零，所以掌管人才会保险无事。

法拉第笼具有静电屏蔽效应，即便被加以高压电，人在其中仍很保险。

笼子缓缓降下，掌管人走下舞台，在动感音乐的配合下将闪电秀推向高潮：伴着金属球间的闪电，3个特斯拉线圈放出炫目的树枝状闪电，霹雳声、音乐声、惊叹声，闪烁的灯光、白亮的电弧集聚成一股强大的力气，势不可挡，让人久久难忘。

本文选自2020年4月刊

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