网站地图
地动仪

地动仪是中国东汉科学家张衡创造的一传世杰作。张衡所处的东汉时代,地震比较频繁。张衡对地震有不少亲身体验,为了掌握全国地震动态,他经过长年研究,终于在阳嘉元年(公元132年)发明了候风地动仪,这也是世界上的第一架地动仪 [1]

地动仪有八个方位,每个方位上均有口含龙珠的龙头,在每条龙头的下方都有一只蟾蜍与其对应。任何一方如有地震发生,该方向龙口所含龙珠即落入蟾蜍口中,由此便可测出发生地震的方向。

汉顺帝阳嘉三年十一月壬寅(公元134年12月13日),地动仪的一个龙机突然发动,吐出了铜球,掉进了那个蟾蜍的嘴里。当时在京师(洛阳)的人们却丝毫没有感觉到地震的迹象,于是有人开始议论纷纷,责怪地动仪不灵验。没过几天,陇西(今甘肃省天水地区)有人快马来报,证实那里前几天确实发生了地震,于是人们开始对张衡的高超技术极为信服。陇西距洛阳有一千多里,地动仪标示无误,说明它的测震灵敏度是比较高的。

但由于历史久远张衡地动仪已经失传,只留下一百多字的文字记载。

张衡所处的东汉时代,地震比较频繁。据《后汉书五行志》记载,自和帝永元四年(公元92年)到安帝延光四年(公元125年)的三十多年间,共发生了二十六次大的地震。地震区有时大到几十个郡,引起地裂山崩、房屋倒塌、江河泛滥,造成了巨大的损失。张衡对地震有不少亲身体验。为了掌握全国地震动态,他经过长年研究,终于在阳嘉元年(公元132年)发明了候风地动仪──世界上第一架地震仪。当时利用这架仪器成功地测报了西部地区发生的一次地震,引起全国的重视。这比起西方国家用仪器记录地震的历史早一千七百多年。

但由于历史久远张衡地动仪已经失传,没有留下实物与图样只留下一些简略的文字记载。

现代以来中外很多人为复原张衡地动议做了很多努力,在历史文献中新发掘出了一些关于张衡和他的地动仪的文字记载。

张衡地动仪的史书记载:
  【南朝】范晔(398年-445年) ,根据前人撰述的几十种有关后汉的历史著作,编写成《后汉书》。 其中《后汉书张衡列传》记载候风地动仪共196字:
  “阳嘉元年,复造候风地动仪。以精铜铸成,员径八尺,合盖隆起,形似酒尊,饰以篆文山龟鸟兽之形。中有都柱,傍行八道,施关发机。外有八龙,首衔铜丸,下有蟾蜍,张口承之。其牙机巧制,皆隐在尊中,覆盖周密无际。如有地动,尊则振龙机发吐丸,而蟾蜍衔之。振声激扬,伺者因此觉知。虽一龙发机,而七首不动,寻其方面,乃知震之所在。验之以事,合契若神。自书典所记,未之有也。尝一龙机发而地不觉动,京师学者咸怪其无征,后数日驿至,果地震陇西,于是皆服其妙。自此以后,乃令史官记地动所从方起。” 
  【晋】袁宏(328年-376年)的《后汉纪顺帝纪》记载候风地动仪:
  “衡作地动仪,以铜为器,圆径八尺,形似酒樽,合盖充隆,饰以山龟鸟兽。樽中有都柱,傍行八道,施关发机;外有八方兆龙,首衔铜丸,蟾蜍承之。其牙机巧制,皆隐樽中,张讫,覆之以盖,周密无际,若一体焉。地动摇樽,所从来龙机发则吐丸,蟾蜍张口受之。丸声震扬,伺音觉知,即有龙机,其余七首不发,则知地震所起从来也。合契若神,自此之后,地动史官注记,记所从方起。来观之者,莫不服其奇。”
  【西晋】司马彪(XX--306年)《续汉书》记载候风地动仪:
  “张衡性精微,有巧艺。作地动仪,以精铜铸其器,圆径八尺,形似倾樽;其盖穹隆,饰以篆文;外有八龙,首衔铜丸,下有蟾蜍承之。其牙发机,皆隐在樽中,周密无际,如一体焉。地动机发,龙即吐丸,蟾蜍张口受丸,声乃振扬。司者觉知,即省龙机,其馀七首不发,则知地震所从起来也。合契若神,观之莫不服其奇丽。自古所来,未尝有也。”(取自【北宋】李《太平御览工艺部》)
  对于三个记载候风地动仪的史书,《后汉纪》比《后汉书》早约69年,《续汉书》比《后汉书》早约139年,从记载的原始性看,《续汉书》优于《后汉纪》,《后汉纪》又优于《后汉书》。

地动仪无法记录发震时刻,更无法记录震级。因此,从现代地震学的角度来看,候风地动仪并不能记录地震,不是地震仪。一些科技史著作声称,张衡在公元132年制造的“候风地动仪”能够准确记录地震,比西方第一台地震仪(由意大利人路吉帕米里制造于1856年)早了1700多年。也有些材料说,候风地动仪可以“预测地震”。不过,史书中有关候风地动仪的记载,仅见于《后汉书》。这一段记载只有区区196字,其中描述地动仪内部结构的内容更只有“中有都柱,傍行八道,施关发机”这12个意义隐晦、众说纷纭的字。以后,北齐的信都芳和隋朝的临孝恭,也都制造过地动仪,还留下了相关著作,可惜他们的著作都亡佚了。显然,仅根据《后汉书》中的简陋记载,要复原张衡的候风地动仪根本不可能。今天的复制品,其实是在史书那些“约束条件”之下所作的新创造。尽管如此,《后汉书》的记载,还是向我们提供了一些有用信息。首先,候风地动仪绝不是地震预测仪。它只有在地震发生之后才起作用,只不过能比从驿卒更早地通知京城的人士罢了。这就好比我们看到闪电,就知道接下来很可能会听到雷声,但在闪电发生时,雷声也已经同时发生,只不过还没有传到我们耳朵里罢了其次,根据地震波的传播机理,候风地动仪是不太可能做到“验之以事,合契若神”的。地震发生时,从震源会发出两种波:一种叫P波,是纵波,它引起的物体震动方向和波的前进方向一致;一种叫S波,是横波,它引起的物体震动方向和波的前进方向垂直。P波的速度比S波快,因此最先到达地面,形成地震波中的初波。据初波的震动方向就可以知道震源方向。但初波非常微弱,因为它只能从震源直直地向着地震波接收处地面传播的P波,而这部分P波携带的能量只占地震波全部能量的一小部分。如果候风地动仪能敏感到对“第一哨”初波就做出响应,那么足以有许多别的和地震无关的震动,比如在它附近跺脚,能引起它的反应,从而让人误把许多不是地震的震动也当成是地震。但如果要让候风地动仪保持一定的“迟钝”性,它又有可能无法“感觉”到地震的初波,直到之后的各种波陆续传来时才被“惊醒”,可是这些迟来的波的震动方向已经完全不能代表震源的方向了。何况,记录一次地震必须有三个要素:发震时刻,震中位置和震级(地震强度)。候风地动仪只能记录震中方向。几台地动仪“联网”也可测出震中位置;但它却无法记录发震时刻,所以,这当然也就更不可能是“世界上第一台地震仪”了。

2011年4月份,湖南省益阳市南县职业中专语文教师黄佑军完成了张衡候风地动仪的复原研究工作。他提出了专利申请:“带八条甬道固定都柱和推力板机关的张衡候风地动仪”。(图1樽体外形图:1樽底2樽壁6龙首10甬道口9蟾蜍插孔4樽顶盖3樽盖7铜丸8蟾蜍5龙口。 ) 候风地动仪的基本构造由如下几部分组成:1、地动仪的外壳樽体外形。2、八条甬道由隔板和都柱分隔而成的空间,是安设机关的地方。3、中心固定都柱对内部构件进行连接和起固定作用的中心柱。4、感震机关装置推力板机关,类似于秦汉时期的陵墓防盗机关,也类似于捕鼠笼的“踏板机关”。5、报震装置报震和显示地震方向的构件。地动仪的外壳:樽体外形,有底,顶口有锥形盖子。在樽体的上部位置有八个开口,为龙口;下部相应位置也有八个开口,为安放蟾蜍的插孔,又是安装和调试的入口。八条甬道:由八块隔板、都柱、樽壁、樽底围成的八个区域,对应八个方位,在樽底靠近樽壁的位置开有八个开口,为甬道口。甬道口与龙口、蟾蜍插孔在同一垂直线位置。甬道口是地震波的进入通道,其开口向下,能提高抗干扰能力。中心固定都柱:都柱竖立在樽底中央,与樽底固定连接。都柱可以立于樽底上,也可以穿透樽底。都柱与隔板固定连接,是构成甬道的构件之一。都柱的上部通过八根横梁与龙口固定连接,使樽体内部牢固、稳定。又是承受都柱锤的地方。感震机关装置:为推力板机关,由推力板、放大杠杆、顶杆、月牙盘、关闩、牙机、牙机杆、都柱锤、龙机杆等构件组成。在两隔板之间安一根横杆,推力板铰接在横杆上。推力板上固接一根传动杆,传动杆销接在一级放大杠杆上,一级放大杠杆一端销接在樽壁上或隔板上,另一端与顶杆一端销接,顶杆销接在关闩架上,顶杆另一端抵近牙机杆上的月牙盘。关闩为“且”字形结构,牙机为牙机杆上钩状体,牙机杆通过牙机钩住关闩杆。牙机杆顶端与都柱锤柄尾部销接,都柱锤柄中部适当位置销接在横梁上,锤能落在都柱上。锤柄的尾部又与龙机杆一端销接,龙机杆销接在横梁上,龙机杆另一端销接一根顶杆,顶杆抵住龙口的球丸。推力板机关,类似于秦汉时期的陵墓防盗机关,也类似于捕鼠笼的“踏板机关”。踏板和推力板是同一构件,将推力板埋于甬道的泥土里,地震波产生的冲力从甬道口进来顶动推力板、触发机关。在推力板机关上装有铜锤,叫都柱锤,机关触发后锤落于都柱上,它相当于捕鼠笼的“闸门”。都柱锤在落下的同时锤柄推动龙机杆击落龙口里的铜丸,掉入蟾蜍嘴里,报震。报震装置:由八只龙首、八只球丸、八只蟾蜍构成。解决“虽一龙发机,而七首不动”这一技术特点“虽一龙发机,而七首不动”是地动仪显示“其牙机巧制”的关键技术。将都柱锤的直径做得大于都柱的半径,且都柱上只能正常落下一只都柱锤;只有当锤正常落在都柱上,都柱锤才能推动龙机杆击落龙口的铜丸。即使八道机关全部触发,也只有一只龙口的铜丸被击落,破解这“虽一龙发机,而七首不动”的技术。测震、验震地震发生时,假设是在东边,则东边的甬道口能进入地震波,而西边的甬道由于隔板和都柱阻隔没有地震波进入;东边甬道里的推力板受到第一道地震波的冲击,发生向上翻动,通过放大杠杆推动顶杆将牙机杆顶离关闩,从而触发机关,落下都柱锤,带动龙机杆将龙口球丸击落、落入下面蟾蜍口中,进行准确报震。当第二道地震波即横波来时,由于没有方向性,其它七道机关全被触发,但七枚都柱锤每一只都不能正常落在都柱上,不能击落球丸。从而,符合文献资料“虽一龙发机,而七首不动”的记载。不管是哪一方向发生了地震,地动仪都能测出震源方向来。地动仪埋入地下,能直接受到地震波的冲击,正如战国时就有的“地听”技术,既减少了地面干扰,又增加了敏感度。地坑铺上沙子细土筑紧,能放大地震波振幅三到四倍;推力板和一级放大杠杆通过调整能将地震波振幅放大约100倍。候风地动仪的灵敏度很高,一级地震的震幅是1--4MM,而牙机与关闩的接触面的横向距离约4MM,只要放大震幅8--10倍就可以触发机关报震。甬道的推力板机关类似于秦汉时期陵墓防盗机关,也类似于捕鼠笼的“踏板机关”。踏板和推力板是同一构件。推力板埋于甬道的泥土里,地震波从甬道口进来顶动推力板触发机关。机关的都柱锤,相当于捕鼠笼的“闸门”,机关触发后锤落于都柱上,同时锤柄推动龙机杆击落龙口的铜丸掉入蟾蜍嘴里,报震显示地震方向。全方位测震地动仪能准确测出八个方位发生的地震,也能测出震中位置的地震来。当地动仪处在震源的震中位置时发生地震,八条甬道都有地震波进入,八道机关全部被触发,只有最先落在都柱上的那一只铜锤能推动龙机杆击落铜丸报震。克服了“倒立摆”和“悬垂摆”在震源位置不能测地震的缺点。当地震发生在地动仪相邻方位的交界线上、或附近位置,这两道机关都会被触发,只有最先被触发的机关能落下铜丸。

黄佑军认为:在桌子上放下个架子,架子上挂一个灯笼,如果说张衡推下桌子,灯笼向推力方向摆动,如果说张衡拉下桌子,灯笼向拉力方向摆动。站的方向没有发生变化,灯笼却发生变化,因此惯性摆原理是不能准确测出地震方向的。地震发生时,大地受到地震的推拉力,地动山摇。如果用灯笼原理做地动仪是不能准确无误测出地震方向的。假设:东西方相距5公里,东边发生地震,东边翻板先被地震波触发,一秒钟后,西方的翻板才被地震波触发,东边相连的重锤先落在都柱上,西边相连的重锤后落。以此可测定东边地震。而吊篮是不能准确测陷落地震的。而翻板机关,可以设计成推也触发机关、拉也触发机关。翻板的固定也是有讲究的,可以用两根小径棍子打入地下(沙地并用水浇湿沉降坚实),棍子顶端压块大石头,翻板铰接在两棍子上,翻板埋入地下,地震时,棍子受到地震波时,由于惯性原理,棍子发生位移量小于翻板的位移量,翻板翻转推动机关。也可假设:方圆十里的城,在城中心设一都柱,再在柱子上挂八个重锤,重锤通过长绳子分别与八个城门连接,如果东边发生地震(不管是膨胀地震还是陷落地震),东边的城门先震动触发机关,一秒针后,西边的城门才震动触发机关,东边的锤子先落下,正确测出地震方向。

黄佑军指出:古代的人们根本不知道地震发生的原理,更不知道横波纵波,地震时只感觉到“地动山摇”。他们认为地震就是“地动”。古代人民如何测出地震地动的方向呢?这是个谜!但是,古代战国时期发生战争时,敌人挖地道攻城。如何发现敌人在挖地道呢?当时守城人想到一个办法:用镐挖土时、地下会发生细微“地动”,水缸蒙上薄牛皮放入井下,牛皮颤动并会发出嗡嗡声,这说明敌人在挖地道了 [2] !但是,如何发现敌人挖地道的方向呢?人们在距竖井底四、五尺高的井壁的不同方向掏洞放上这种蒙上牛皮的水缸,当他们听到水缸发出响声时,找到最响和没有响声的水缸,顺着这条直线就是敌人挖地道的方向 [3] 。这就是中国古代的地听技术!

黄佑军进一步指出:秦汉时期陵墓机关,如果与地听技术接合起来就成了简单的报警机关。在大水缸的牛皮上粘接一块小铜片做关闩,再将机关的关闩架抵住这块铜片(铜片可以在关闩架上下滑动),扣上牙机,就成了一套完整的机关。只要关闩滑动一毫米的位移就能触发机关。这在当时是能做到的。水缸口径越大牛皮颤动的幅度就越大,效果就越明显。“七石缸”就是比较大的缸了,《武备志》中记载:“瓮听,用七石瓮,……”。

据学者们考证,张衡在当时已经利用了力学上的惯性原理,“都柱”实际上起到的正是惯性摆的作用。同时张衡对地震波的传播和方向性也一定有所了解,这些成就在当时来说是十分了不起的,而欧洲直到1880年,才制成与此类似的仪器,比起张衡的发明足足晚了一千七百多年。关于地动仪的结构,流行的有两个版本:王振铎模型(1951年),即“都柱”是一个类似倒置酒瓶状的圆柱体,控制龙口的机关在“都柱”周围。这一种模型最近已被基本否定。另一种模型由地震局冯锐(2005年)提出,即“都柱”是悬垂摆,摆下方有一个小球,球位于“米”字形滑道交汇处(即《后汉书张衡传》中所说的“关”),地震时,“都柱”拨动小球,小球击发控制龙口的机关,使龙口张开。另外,冯锐模型还把蛤蟆由面向樽体改为背向樽体并充当仪器的脚。该模型经模拟测试,结果与历史记载吻合。那么,地动仪的内部结构究竟什么样子呢?有不少学者对此作过探讨。早在南北朝时,北齐信都芳撰《器准》,隋初临孝恭作《地动铜仪经》,都对之有所记述,并传有它的图式和制作方法。可惜的是唐代以后,二书均失传。今人的研究则以王振铎之说影响最大。王振铎根据前人的猜测,讨论了地动仪内部可能有的各种结构,最后推断都柱的工作原理与近代地震仪中倒立式震摆相仿。具体说来,都柱就是倒立于仪体中央的一根铜柱,八道围绕都柱架设。都柱竖直站立,重心高,一有地动,就失去平衡,倒入八道中的一道。八道中装有杠杆,叫做牙机。杠杆穿过仪体,连接龙头上颌。都柱倾入道中以后,推动杠杆,使龙头上颌抬起,将铜丸吐出,起到报警作用。地动仪用精铜制成,圆经八尺,合盖隆起,形似酒樽。表面作金黄色,上部铸有八条金龙,分别伏在东、西、南、北及东北、东南、西北、西南八个方向。龙倒伏,龙首向下,龙嘴各衔一颗小铜球,与地上仰蹲张嘴的蟾蜍相对。地动仪空腔中央,立一根铜柱,上粗下细。铜柱周围有八根横杆,称为“八道”,各与一龙头相连。铜柱是震摆装置,八道用来控制和传导铜柱运动的方向。在地动仪受到地震波冲击时,铜柱就倒向发生地震的方向,推动同一方向的横杆和龙头,使龙嘴张开,铜球下落到蟾蜍嘴中,并发出响声,以提示人们注意发生了地震及地震的时间和方向。一颗珠子放在平台上,如果将哪方稍微往下一按,珠于就向哪方滚动。又如我们点亮一支蜡烛,将它放在一张不平的桌子上,它总会向低的一方倒。地动仪就是根据这些简单的原理设计的。地动可以传到很远的地方,只不过太远了人就感觉不到了,但地动仪能准确地测到。但是中国科学家认定地动仪的工作原理应该是“悬垂摆原理”,即地动仪是利用了一根悬挂柱体的惯性来验震的,而非当今历史教科书所说的在仪器底部简单地竖立一根直立杆。

结构模型:

王振铎的推断得到了广泛赞同。中国历史博物馆陈列的张衡地震仪模型,就是根据王振铎的设计复原的。但是,也有学者提出不同意见。中国科学技术大学李志超就曾对倒立摆结构提出过异议,他以全新的视角,提出了自己对候风地动仪的理解(参见李志超,《天人古义》,河南教育出版社,1995年版)。李志超认为,从文献角度来看,汉代字书《释名》解释“柱”,说“柱,住也”,表明柱字原义是建筑中不动的支撑件。由此,倒立摆结构不得称“柱”,只合称锥。“都”是集总之义,说明不是孤柱,应该还附带八套机关,而立锥却只能是光杆。这样,仅由“都柱”这一名称来看,倒立摆之说也不能成立。李志超进一步指出,倒立锥的设计使原文所述其他一切部件皆成画蛇添足。尤其是庞大的铜尊,毫无道理可言。再者,从物理评价角度来看,任何测量仪器的性能一般都可用两个互相矛盾的指标表征:灵敏度和稳定度。倒立锥的设计正好突出了精密计量技术这一主要矛盾。例如,为提高地动仪的灵敏度,就要把倒立锥的锥底做得很小,使之形成一个锥尖,但很小的锥尖承受巨大的重力压强,在不可避免的微小震动作用中必将逐渐形成不可逆的变形,其趋向是锥尖下面的支承面形成坑窝,锥尖变得圆滑。这一过程不可逆,而且是加速的。这样,倒立锥最终要倒下来,不管有无地震。如果为提高稳定度,将锥尖做成宽到实际不变形,那它的灵敏度必然很低,感知量比人所能察觉的还要大,地动仪也就失去了它的存在价值。

复原研究:谜团 1700多年前,地动仪在战乱中消失,它的模样和工作原理成为千古谜团。2004年8月,河南博物院与中国地震台网中心组成课题组,联合研究张衡地动仪新的复原模型。直至现在,这项课题取得重大进展,课题组用“悬垂摆原理”取代了传统的“直立杆原理”。2005年4月16日,这一科研成果得到了来自中国科学院、国家博物馆、中国地震局等单位的地震学和考古学专家的肯定。专家们认为:这台复原地动仪首次把概念模型还原成了科学仪器,使之真正有了验震功能。

验收:地动仪复原模型把概念模型复原成了科学仪器。4月16日上午,河南博物院《天地经纬》专题陈列厅,由地震学、考古学、机械工程学等相关学科的专家组成的验收委员会,开始对用挑剔的眼光注视着地动仪复原模型(1/3小样)。当日下午,验收组的7位专家经过激烈讨论,最终认为:新模型首次把概念模型复原成了具有验震功能的科学仪器,迈出了复原研究的历史性一步。这个验收意见意味着,新复原的地动仪通过了阶段性成果验收,后续工作只需对某些技术细节做进一步优化,对外观做出最终确定。河南博物院副院长田凯对此感触颇深:“我们不仅在复原一件仪器,也在找寻1000多年前那位伟大科学家‘求实疾虚’的科学精神……”

心愿:一定要让地动仪模型“动”起来。1998年,河南博物院新馆建设过程中,田凯负责主持《河南古代文化之光》陈列。布置汉代展厅需要展示张衡的地动仪,当时最权威的模型陈列在原中国历史博物馆里,它是王振铎先生于1951年设计的,这台卵状体上含有8条飞龙的模型,已成为地动仪的“标准形象”。河南博物院请苏州天文仪器研究所按王振铎的模型重新复制了一个木制模型,并提出“能否让地动仪动起来”,得到的回答是:不可能,即使是中国历史博物馆里陈列的那台也不能检测地震。但对方可以在模型下面人为地安上一个装置,让它动起来。“我们展出的是科学仪器不是玩具,这样做是对观众的欺骗。所以当时只能造一个不能动的模型,但这个情结在我心里一直存留了好多年。”田凯说。6年后,了解到国家地震局和国家博物馆的研究人员正在做复原工作。2004年8月,河南博物院与中国地震台网中心签订了合作协议,组成了课题小组,共同复原张衡地动仪。

解谜:找到“垂悬摆原理”。该课题的负责人是中国地震台网中心冯锐研究员。冯先生表示,1700多年前的地动仪究竟如何工作是首先须破译的谜团,深入研究证实,地动仪应该是“悬垂摆原理”而不是王振铎模型的“直立杆原理”。几十年来,国内外地震学界对王振铎模型的否定意见一直没有停。更有近现代西方学者认为张衡地动仪之所以失传,是因为它没有达到科学的要求,它不是个科学的东西。冯锐说:“看到这些严厉的批评以后,我们才感到问题的严重性。”历时1年多,课题组最终确认了地动仪的工作原理应该是“悬垂摆原理”,而不是“直立杆原理”。

评价:这是一次重大跨越。地动仪的历史资料,最著名的是《后汉书张衡传》中的记载,虽然只有196个字。早期的复原工作都是据此开展的。冯锐的课题组把资料的考证和利用扩大到《续汉书》、《后汉纪》等古代文献,但相关文献的总字数也不过231个。这些资料,使他们复原的史料根据更加充分。在研制过程中,冯锐还采用了一些新技术、新方法,即利用洛阳地震台接收到的现代陇西地震记录,算出模拟的陇西历史地震的波动效应,然后把数据输入计算机,再控制特殊的振动台完成洛阳地面震动过程的复现,用这种运动信号对振动台上的复原模型进行检验和改进。验收组的专家们认为:新模型对4次实际地震事件已经实现了良好的验震反应,迈出了从概念模型到科学仪器的关键性一步,研究工作突破了古代科学仪器复原的传统模式,是一次重大的跨越。验收会结束后,中科院地质与地球物理所的滕吉文院士说:“地动仪是中华文明留给人类的宝贵文化遗产,各国科学家都在尝试复原,如果我们不把这件事做好,那就是罪过。从原理上和制作过程上讲,这台复原模型符合史料记载,符合张衡的基本思想……这台地动仪复原模型代表了现代人的认识,它在现阶段是最好的。”

2008年8月5日,受国家“张衡地动仪科学复原”课题组委托,山西夏县宇达青铜文化产业园宇达集团成功铸造完成“张衡地动仪”。其造型设计由清华大学美术学院雕塑系王培波教授等完成,新模型用优质青铜精心铸造,将在新落成的中国科技馆展出。

据悉,国家“张衡地动仪科学复原”课题组由中国地震台网中心、清华大学美术学院、国家博物馆、北京机械工业自动化所、河南博物馆等多学科的专家组成,中国地震台网中心研究员、地震学家冯锐任课题组组长。

有网友在微博上发帖,称历史教科书中人所熟知的张衡地动仪其实是上世纪50年代的复原模型,1800年前的地动仪到底是啥模样早已无据可查。科普作家方舟子则发文,称张衡当年建造的地动仪“很可能和今人复原的那些模型一样,仅仅是个摆设”。中国地震台网中心研究员冯锐对此表示,2005年复原成功的地动仪模型确实可以监测地震。

2010年11月28日,网友闫涛在微博上发帖,称“我直到昨天才知道,那个国宝级的张衡地动仪,是上世纪50年代才造出来的,王振铎(考古学家)根据古书描写的196个字,结合英国科学家的地震理论,设计并发明了这个张衡地动仪。由于选进了教材,国人都以为是东汉货色,事实上,那珠子掉不出来”。闫涛小时候可能没有好好读书,实际上当时的教科书在插图上明明白白地标明是复制品,而且写明真品已经失传。此言一出,立即在网上引发热议。截至昨天下午,该帖被转发1.5万次,评论近5000条。很多网友称,他们之前并不知道,在历史教科书中和科技馆里频繁亮相的地动仪,原来只是一个“年仅59岁”的复原模型。他们更不知道,由于存在原理性错误,这个复原模型不能正常工作,一直受到中外科学家的质疑和否定。《后汉书》中记载的“验之以事,合契若神”的候风地动仪,其实早已失传。有网友称,这样的事实大大打击了人们的信心,甚至有人对“四大发明”等其他中国古代科技成果提出质疑。 在北京某初级中学教历史的韩老师说,中学历史教材里使用的,还是王振铎复原的地动仪模型图片,他们一般不会刻意向学生说明这是原物还是复原模型,“连张衡本人的画像都是后人模拟的”。韩老师说,介绍地动仪时,他们只会跟学生讲“里面有机关,发生地震就能感受到,珠子就会掉下来”。

网上波澜未平,科普作家方舟子又在媒体发飙。他于2010年12月1日发文,对张衡地动仪是否管用提出质疑。“地动仪早已失传,它是否具有监测地震的作用,也成了一个谜。”方舟子说,国内外不少专家根据《后汉书张衡传》的简单描述,力图复原地动仪,但所有这些复原模型没有一个能够真正用于监测地震,不过是“艺术品”。方舟子称,2005年,中国地震局专家宣布他们经过3年研究,建立了新的地动仪复原模型,并第一次实现了验震功能。“他们声称地动仪新模型对河北唐山、云南泸西、越南孟艺发生的三次真实地震进行了检验。但是这三次地震分别发生于1976年、2000年和2001年,地动仪新模型2005年才建成,怎么可能对它们进行检验呢?”方舟子说,后经了解得知,原来新的地动仪复原模型检验的不是真实发生的地震,而是实验室里对真实地震的模拟。方舟子说,在新的地动仪复原模型建成后,中国境内每年多次发生5级以上地震,在该地动仪复原模型监测范围之内,却从来没有听说该复原模型监测到哪怕一次。2008年的汶川大地震,北京有震感,也没有听说在北京展出的该复原模型检测到。方舟子还在文中对《后汉书张衡传》所记载的地动仪预报的陇西地震的真实性提出质疑,称部分史料相互矛盾,怀疑那次地震是“为了说明地动仪的神奇而编造的故事”。

曾参与2005年版地动仪模型复原的中国地震台网中心研究员冯锐昨天表示,新的地动仪复原模型对地震是有反应的,这一点已得到多名院士专家的鉴定。“方舟子对地震这个领域并不了解。”冯锐说,他们利用在真实发生的地震中记录下来的地震波波长,以此为依据控制特殊振动台,完成对地动仪复原模型的检验。这是地震的“复现”,而不是简单的“模拟”。冯锐表示,如果要监测真实发生的地震,须建设地基等配套设施,然后将地动仪复原模型放在上面,但这样的监测实验耗资巨大,选址等问题也不好解决,“我们正在朝这个方向努力”。对于方舟子提出质疑的陇西地震,冯锐表示,据史料推测,这次地震发生在公元134年。冯锐强调,这些史料都是经专业的历史地震学专家审核过的。因年代久远,部分史料存在偏差在所难免,但当年陇西曾发生地震的结论没有问题。

后汉书记载为“员径八尺”。“员径八尺”是有不同的解释的。一段时期的主流解释说:“员是通假字。员径实际上是圆径。就是今天说的圆的直径。”尽管这种解释相当流行,但是,在考古发现放置候风地动仪的房基只有九尺宽以后,人们已经不再认为地动仪是一个庞然大物了。
  员字的本意是周围。员径是周围的一圈的意思。现在常常使用的“幅员辽阔”这个词就是这个含义。这样一来,员径八尺的地动仪实际是周围八尺。可能暗合一尺一龙。看来这八尺不是信手拈来的。如果唯有这个八数和八龙无关,其余的都和八龙相关,这真有些说不过去。八尺是记载中的数值,那个尺是当时所使用的尺子。大概那时的一尺相当于今天SI制的23厘米多一点。因此八尺大概折合当今的59厘米的样子。这是一个确切的基数。以下为原内容。实为误也。

“圆径八尺”,“圆径”是圆周长,不是圆半径。圆周长八尺折合185公分,直径为60公分。这样大的仪器是合理的。1、我国最早的数学书籍《周髀算经》(约成书于公元前1世纪),记载圆周率是“径一周三”,三国时期,数学家刘徽认为“古之九数,圆周率三圆径率一,其术疏舛。”而把圆周率推算到3.1416,世界领先上千年。可见,现今和汉代对圆形各部术语不同,现在的圆周长当时叫做“圆径”、圆半径当时叫做“圆周”;2、一般是先制作仪器,之后根据仪器大小建筑专用安置房间。1975年,河南省考古队在洛阳市南郊,发掘出土了一座搭建在山坡上的建筑。这就是建于东汉建武元年“公元25年”著名的灵台。灵台是古时帝王用来观天象,占幸运,卜吉凶的高台建筑。经资料考证“张衡地动仪”也曾经放置在这里,并进行过地震观测。该建筑室内只有2.2米见方,地动仪若是半径八尺(1.85米),放进去就没有活动余地了,显然不合适,应该另建更大的。若直径是60公分,只占地面总面积的九分之一,还有很多空间,可放些配套设施,如计时刻漏等;3、任何器具以用为本,在完成功能的前提下又利于制作和操作,体积尽量小,不是越大越好。地动仪直径1.85米实无必要,而直径是60公分,无论是制作、搬运、安放、操作、观察等都方便。

“中有都柱”,指正中有都柱。“都柱”是专用名词。当时从西方传入一种杂技叫“都卢”,在张衡的《西京赋》里描写西京热闹景象时就有“都卢寻”,说的就是这种杂技,“寻”是攀援,“”是柱子,演员在柱子上攀援表演惊险动作。演员使用的柱子就叫“都柱”。都柱有两种,一种是上下端固定的,一种是上端固定下端游离,可自由摆动,后者表演难度更大。现在仍有该项目叫“爬杆”。都卢是音译,而都柱则是本地名称。就像“坦克”是外语音译,而其各种部件(履带、炮塔等)就用本国名称了。测定地动必须有个相对不动的物体,动体和不动体之间产生压力带动仪器活动。张衡设计地动仪时一定由此出发寻找目标,他在观看都卢表演时受到启发,或者进一步做了实验,晃动周围立柱时悬吊的都柱相对不动。因此利用了都柱原理。

都柱,
  候风地动仪最主要的部分就是都柱。其结构未知。仅从外形看应该是一个柱子。这是毫无疑义的。关键是那个柱子如何候风。当它候到来风之后又是如何知会关去发机的呢?把它仅仅想成一个粗大的柱子是不是太天真了?都字的一个解释是“天子所宫曰都。”可以理解为“那个谁都管的‘头头’住的地方叫都”。如果地动仪的主管是候风“君”,它住在那个地方是不是可以叫“都”哇?如果候风君的宫殿是一个柱子的外型。把它叫“都柱”应该没有不可以的地方。以前解释都柱为“大柱子,粗大的柱子”这没有什么不对的地方。都柱看上去确实又高又粗(相对)。就像你看见某处的一个水塔或带有除尘的大烟筒。你一定不会反对水塔里边有提水的动力设备,不会反对烟筒里边有除尘、降低有害气体的净化设备。这样你也不会反对都柱里边有候风设备。又见“宫曰都”之宫乃一统称。故知都柱绝非一实芯吊柱也。都柱居中因“中有都柱”。因此推知其里必有候风设备。
  都,大也。天子所宫曰都。
  柱,直立之木曰柱。引申凡直立着皆曰柱。如河中之山曰底柱。筝之支柱曰筝柱。
  宫,垣内群室之总名。古者周垣之内统名曰宫。
  中,不偏之谓中。口象四方,一竖界其中。央四方之中曰央。

两项关键技术

1、 “地动摇尊,尊则振,则随其方面,龙机发,即吐丸”。该技术是测报地震纵波的关键。由“机、关巧制”结构来完成。如图

地震纵波使尊体同向移动,关端触及顶柱(相对不动)而后移,连杆上端反向移动而发机,龙口张开铜丸落下。完成报震。

2、 “虽一龙发机, 而其余七首不动”。该技术是定向功能的关键。由“尊中有都柱,傍行八道”的特殊结构来完成。如图

当发机铜丸落下,接着顶柱脱离都柱下落,此后其余七关不受都柱影 响而“七首不动”。

大多数中国人耳熟能详的地动仪的故事诞生的时间并没有那么久远直至1950年代,这个故事中的地动仪才被“制造”出来,并进入教科书中。直到数十年后,它被重新发现与“制造”。

一代又一代的中国学生,从老师那里听到这个生动的故事:东汉时期的科学家张衡发明了地动仪,这个地动仪像一个酒樽,内部有一个细长竖直的杆直立在正中间,地震时,这根直杆会倒向地震的方位,击落那个方位的龙首,龙口就会张开,吐出一颗铜丸,正落在下面的铜青蛙的口中,于是观察者就会判断出哪个方位发生了地震。

这个地动仪的故事被当作中国伟大科技发明的典范。但大多数学生,甚至包括讲述这个故事的老师们并不知道,他们一代一代传承下来的这个故事诞生的时间并没有那么久远直至1950年代,这个故事中的地动仪才被“制造”出来,并进入教科书中,演变成几代人的集体记忆。

以上所谓两个关键技术也是错误的。

正确的三项。1都柱候风技术。2牙机技术,3巧制运用。

候风地动仪:衡名之。常简称为“地动仪”。候风二字具略。候风乃地动仪之原理冠名,以别同类非候风之物。此名直译白话为:“等候风来的地动仪”。隐能测风。风来作甚?此风非彼风。地动仪所候之风乃是地震带来的风。今日曰地震波是也。候来之后作甚?利用其告知者也。故候风乃是利用地震波报告地震的仪器。(古人认为气之动者为风,同时认为地下阳气破地面之阴气而出为震。可见候风之风的意思是十分明了的。)
  候,约期相待曰候。伺望曰候。迎送之官曰候人。候有等待之意。本义:守望;侦察
  风,气之动者为风。引申为像风一样不见不识且有感的飘移者。
  伺望,有守望,察看之意。
  伺 sì
  观察,侦候:窥伺。伺机。伺察。伺应(ying )(等候响应)。
  震:地下阳气破地面之阴气而出。其声霹雳足以振物。地动曰地震。;然气动为风。所以候风者也。

牙机巧制:
  牙机乃地动仪之敏器也。其能微致而发。又可返而复还,重达其敏。无需揭盖。外龙复衔之时,牙机即合。此甚妙也。地动仪能地不觉动而发。是由其结构而来。关连至牙机之一部,牙机联至龙首,使其口可开合。开则吐,合则衔。其机关一体,关匿于道,围于候风之轮,几乎相毗邻。巧制乃利用牙机吐丸之力为制。巧者技能精良。引吐丸之机制候风之回,使之不能反吐。以为一龙发机。此今之反馈也。旧曰“回授”。
  牙,牡齿为牙。象牙。这个牡字在此有“公”的意思。又长者为牙,短者为齿。可判断,牙机之名出于此处。必有一个较长的直形物,且极易被发动。
  机,触而即发为机。见上一条。
  牙,像牙者,牙机,像牙者触而即发的机关。
  齿,牙之短者曰齿。
  巧,技能精良曰巧。凡机之巧者莫如工。故谓之巧。引申凡不拙者皆曰巧。
  制,限定,约束,管束:『广韵』禁制也。又,太后临朝曰制。
  回,去而复返曰回。另居于惯性,回之后必反向而至。

此还得补充一点施关发机的解释。

施关发机怎么读
  关于张衡的候风地动仪的记载有“施关发机”。它应该怎么读呢?

施关发机的解释不一。但是,没有一种解释得天衣无缝。施关发机的施关究竟是什么意思,这决定了它的读音。一般施字解释为展开时,虽然也能够说得通,还是显得牵强。毕竟施关说是展开关,不大合适。因为,毕竟关是个精铜的横杆没有必要再行展开什么。于是乎只好把关和候风部件之间的缝隙定义为关间隙。这下子就说得通了。这时,施关就是展开这个关间隙。说得通不见得行得通。人家是施关发机。你是先施关,然后在发机。
  那么,究竟这个施字怎么讲才合理(合乎张衡地动仪的理)。其实,施字还有一个讲法。当其读音为yi(易)时,作为“延而及之”讲。按照这个意思就可以说得通,且十分顺当。请注意,记载是“中有都柱,傍行八道,施关发机。”现在从头讲一遍,是“中有都柱,(内悬候风,)傍行八道,(通关巧,)施关发机。((候风)延而及(之)关,(则)发机。”它的白话是:“地动仪的中央有一个都柱(专有名词),柱里边有一个候风摆,都柱的周围有八条通道,里边通过有关和巧制部件之一部。当候风摆摆及关端时,即行发机。可见摆之微,发之速。不然怎么能赶在第一波时发机?(波前之后即行发机。)难怪合契若神。
  因此,施关发机应该读作“yi(四声)关发机”。
  附:
  波前是一个专有名词。解释为:波在介质中传播时,某时刻刚刚开始位移的质点构成的面,称为波前。它代表某时刻波能量到达的空间位置,它是运动着的。波前与射线成正交。因此,使用射线或波前来研究波是等效的。根据波前的形状一般可以把波分为球面波、平面波,柱面波等。
  地震波的波前可以理解为,下一个时刻地震波就到来了。地动仪接受纵波的水平分量的能量。第一波可以使地动仪正确反应地震源的方位。

中有都柱傍行八道施关发机的记载是说 什么的?
  中有都柱是有都柱且都柱不会动。疑问来了,那它是怎么会候风呢?候风部件在何处?接下来是傍行八道。这告诉你,都柱旁开辟了八道,此乃为接口。再下来是施关发机。告诉你侯风部件在此靠近关 并且是运动到关处,推动关去发机。
  这十二个字就是说地动仪是如何发机吐丸的。并且还告诉了你是在什么地方什么结构里进行的。现在应该说中有都柱不动,内有候风下探,开辟八道容关,相互接近,震时“风”动及关发机。明白这个记载的含义了吧?

■ 王氏“地动仪”

1934年,燕京大学研究生院历史专业的学生王振铎诞生了复原史书中记载的张衡地动仪的念头,他认真地研究了史书的记载,在1936年,画出了第一套自己复原的地动仪模型图稿。这套图纸中,他按照《后汉书张衡传》中所说“形似酒樽”记载设计了它的外形,但对于内部结构,由于史料中只有区区196字,语意模糊,他遵从了英国地震学家米尔恩1883年《地震和地球的其他运动》一书中阐述的“悬垂摆”的结构原理。也就是从地动仪的上部垂下来一根摆,用以并判明地震方向,并控制相应机关。

1936年,王振铎在第20期《燕京学报》上发表了名为《汉张衡候风地动仪造法之推测》的文章,并手绘了一套内外结构图样做论文的配图。

毕业后的王振铎担任了国立中央博物院筹备处专门设计委员,对于中国古代科技史中张衡地动仪的复原思考,不仅是他个人的爱好,同时也开始了他成长为博物馆学家和古代科技史学家的起点。

王振铎发布论文和内部结构图一年之后,1937年日本地震学家原尊礼也发布了他复原的张衡地动仪论文。不同于王振铎,原尊礼提出了直立杆原理,也就是在地动仪中间,放置一个倒立的直杆,地震时,直杆倒下,从而触发相应的机关。

中日两国在复原地动仪上的文化争论还没开始,两国之间就爆发了战事,于是,孰是孰非,就没了下文。又过了两年,日本地震学家今村明恒设计的地动仪也问世了,他延用了原尊礼的直立杆原理,并在直杆的下面放了三个弹簧,因为了有弹簧的复位工作,其原理近似悬垂摆,但问题是,至今还没有发现东汉应用弹簧的记载。在今村明恒进行的实验中,由于直立杆的倾倒方向与地震射线方向垂直,有悖于史书对地动仪的记载,所以,他就没有做后续研究。

[1]


相关文章推荐:
张衡 | 候风地动仪 | 蟾蜍 | 汉顺帝 | 洛阳 | 张衡 | 张衡 | 东汉时代 | 后汉书 | 阳嘉 | 地震仪 | 候风地动仪 | 信都芳 | 临孝恭 | 蟾蜍 | 武备志 | 惯性 | 王振铎 | 冯锐 | 史记 | 信都芳 | 酒樽 | 铜球 | 惯性 | 地震学 | 汉代 | 洛阳地震台 | 方舟子 | 王振铎 | 候风地动仪 | 四大发明 | 张衡 | 方舟子 | 后汉书 | 泸西 | 孟艺 | 中国地震台网 | 冯锐 | 方舟子 | 陇西 | 圆周长 |
相关词汇词典