科学史与前沿科技相结合 “天质自清华”月壤展开幕

近日，“天质自清华——来自月球的问候”展览在清华大学科学博物馆开幕。这次展览将科学史与前沿科技相结合，是清华大学科学博物馆一次新的展览尝试。

本次展览的主角是两粒重量为13.1毫克的月壤，此外还有模拟月壤和嫦娥五号缩比模型组成的月球表面探测场景展示、地球玄武岩标本、激光烧结模拟月壤、硅酸盐水泥月壤混凝土、硫磺月壤混凝土等实物，以及天文摄影作品和清华大学科学博物馆馆藏的18世纪望远镜及19世纪月地运行仪。

从18世纪开始，望远镜成为人们观测月球的必备仪器，展览展出的这台望远镜是英国伦敦的杰西·拉姆斯登在1795年前后制造的，镜身上刻着“J·Ramsden London”，黄铜漆面，望远镜还可以调节镜筒角度和焦距，现在成像视野依然清晰。

杰西·拉姆斯登1735年出生于英格兰的哈利法克斯，是英国数学家、天文和科学仪器制造商。1756年，21岁的拉姆斯登来到伦敦，在一家数学仪器制造商那里当学徒，并很快开办了自己的公司。1765年，拉姆斯登与著名的透镜和光学仪器制造商约翰·多伦德的女儿萨拉结婚，并获得了多伦德消色差透镜的专利。拉姆斯登成为欧洲18世纪下半叶最著名的仪器制造者。值得一提的是，1782年，拉姆斯登创造了被后世称为“拉姆斯登目镜”的目镜，这个目镜由两个相似焦距的平凸透镜组成，相距不到一个目镜焦距。

拉姆斯登1800年去世，他的仪器制造事业由他的工厂领班马修·贝奇(Matthew Berge)继承，直至1819年马修去世前，当时欧洲的一些科学仪器上都刻有Berge字样。

月地运行仪又名“三球仪”——三球即月球、地球和太阳，是用来模拟地球、月球的公转及自转，以及昼夜变化、四季更替和日食月食的演示仪器。本次展出的这台月地运行仪是布拉格的扬·费尔克尔(Jan Felkl)1880年前后制造的。扬·费尔克尔出生于波希米亚，在19世纪中后叶，他的公司可以生产用17种语言标记的地球仪、天体仪以及三球仪等。在1867年的巴黎世界展览以及1873年的维也纳世界展览上，他的产品均有展出，值得一提的是，仅1873年一年，费尔克尔的公司就生产了1.5万个地球仪。在1870年，他的小儿子成为公司合伙人，公司更名为费尔克尔父子公司，并在布拉格和维也纳开设了分公司，成为欧洲领先的地球仪制造商，产品出口到整个欧洲和美国，用于学校、研究机构和家庭收藏。

本次展出的这台月地运行仪现在仍可使用，在立柱上方的插孔中放入一根点燃的蜡烛代表太阳，旋转下方的摇柄，就可以使得地球仪和它旁边的月球一起有规律地旋转，面对蜡烛的明亮部分表示白天，背对蜡烛的黑暗部分代表黑夜。之后，随着电力的普及，三球仪的太阳也开始用灯泡来替代。

本次展览的主角是两颗月壤微粒。月壤，通俗地讲是指月球表面粒径小于10毫米的“土壤”，但与经历了空气、水、风、生命活动共同作用的地球土壤不同，月壤的形成主要受机械破碎作用——陨石撞击、宇宙射线和太阳风的轰击，其形成的影响因素还有月球表面温差变化等。它的覆盖厚度一般为4到5米，含有辉石、橄榄石、斜长石、钛铁矿等矿物碎屑，和玄武岩、斜长岩等原始结晶岩碎屑。

土木工程是地球上人类生存生产的基本需求，而月球上的土木工程研究与应用，看似是遥遥无期的未来场景，但这种研究应该有长期储备，当工程有需求时再开展研究可能为时已晚，超前的、充满想象力而又具实践性的研究已经在清华大学开展。比如，这次展出的激光烧结模拟月壤和微波烧结模拟月壤展项分别是用800瓦功率的激光和2450赫兹的微波加热模拟月壤形成的月壤砖，硫磺月壤混凝土则使用硫作为胶结剂，使得模拟月壤颗粒黏结而实现固化。

此外，本次展览还有一件3D打印的月球科研站模型，这是清华大学土木系的冯鹏教授等研究人员基于模块化、标准化的理念提出的，它采用充气气囊、月壤砖、月壤袋结构，充气气囊可以自主展开，主体结构构件则是月壤砖，外面则用月壤袋加以保护，这些构件最终使用机械臂拼装——设计充满了“未来感”。

(刘年凯 作者系清华大学科学史系博士后)

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