| 词条 | 地动仪 |
| 释义 | § 基本简介 地动仪 地动仪是汉代科学家张衡的又一传世杰作。在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、江河泛滥、房屋倒塌，造成了伟大的损失。张衡对地震有不少亲自体验。为了把握全国地震动态，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。在通讯不发达的古代，地震后，为人们及时知道发生地震和肯定地震大体地位有一定的作用。 § 基本原理 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。 § 原理考证 地动仪原理图 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。地动仪的内部结构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。例如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。 § 观测实例 汉顺帝阳嘉三年十一月壬寅 公元134年12月13日，地动仪的一个龙机忽然发动，吐出了铜球，掉进了那个蟾蜍的嘴里。当时在京师（洛阳）的人们却涓滴没有感觉到地震的迹象，于是有人开始谈论纷纭，责备地动仪不灵验。没过几天，陇西（今甘肃省天水地域）有人快马来报，证明那里前几天确切发生了地震，于是人们开始对张衡的高明技术极为佩服。陇西距洛阳有一千多里，地动仪标示无误，解释它的测震敏锐度是比较高的。 § 历史真实性 史料记载不是孤证 范晔撰《后汉书》其中的《张衡传》196个字一直是介绍地动仪的经典依据。不过对于重大事件的认定，学界有“孤证不立”的约定俗成。新的研究中，在发掘和扩展历史典籍上取得了一些进展：从东汉末年至范书之前的320余年间，东汉史书共有13部，迄今有幸留下的完整或不完整的史书共9部，其中另外记有地动仪文字的是西晋司马彪公元306年的《续汉书》，东晋袁宏376年的《后汉纪》以及范晔《后汉书·顺帝纪》。与范书相比，《续汉书》的时间提早了140年，文字量增加到238个字。相比之下，技术内容更加准确和丰富的是《后汉纪》，还不是大家常引用的《后汉书·张衡传》。这些文字分布在国家图书馆的最早的7份善本里1。后来，又在南北朝（陈）虞荔（-561年）的《鼎录》中发现了有关地动仪的16个字。上述共254个汉字，是祖先留下的珍宝，也是新版地动仪复原研究的史料依据。 考古结果有旁证 1975年灵台考古发掘灵台遗迹的平面图 张衡地动仪置于京师洛阳城南2里的灵台进行观测。中国社会科学院考古所于1975年对灵台地基进行了考古发掘，又对测震的地质条件做了3次现场踏勘。地动仪置放在灵台西侧的第二层平台的两间观测室的北间，室内长10m 宽2.2m，高出地面2m，该房间的地面处理很特殊，是灵台唯一的铺设了两层2x2汉尺大方砖的地面，属稳定承载地动仪所需。高台状的地基对地震波有结构性放大作用，加速度可能接近1gal，对测震十分有利；房间宽度不到九汉尺，仅容“圆径八尺”的地动仪，故蟾蜍只能为器足；根据对台基土样的分析，可推算出地动仪的总重仅为几吨重。此外，史书还清楚地记载下来，灵台的编制共42人，实施6项观测：“十四人候星，二人候日，三人候风，十二人候气”。不知道“候风地动仪”的项目是否属于三位“候风”者之责，抑或兼顾的任务。 史载仪器“形似酒尊，其盖穹隆，饰以篆文、山龟鸟兽之形，下有蟾蜍承之。”中国自1962年后出土了几十件汉代酒尊，有的还镌刻着“酒尊”二字的铭文，故其基本形制在1991年以后已经定论。共分三种类型，其中的温酒樽11件恰恰都具有穹隆状顶盖、下有器足承托、表面有山龟鸟兽的纹饰，几乎活脱脱地展现出了史书对张衡地动仪的描述。从物理学上看，这种造型上小下大，无需任何改动就已经非常适合于悬垂摆工作了，稳定性也十分好。这说明，史料记载得到了考古发掘和出土文物的支持。《鼎录》中有一段信息令人关注：“张衡制地动图，记之于鼎，沉于西鄂水中。”汉代的西鄂就是张衡的故里（今河南省南阳市卧龙区石桥镇）。铜鼎是否还在，有待今后证实。 § 历史故事 地动仪历史故事 汉章帝在位的时期，东汉的政治比较稳定。到汉章帝一死，继承皇位的汉和帝才十岁，窦太后临朝执政，让他的哥哥窦宪掌握了朝政大权，东汉王朝就开始走下坡路了。在这个时期，出了一位著名的科学家张衡。张衡是南阳人。十七岁那年，他离开家乡，先后到了长安和洛阳，在太学里用功读书。当时洛阳和长安都是很繁华的城市，城里的王公贵族过的是骄奢淫逸的生活。张衡对这些都看不惯。他写了两篇文学作品《西京赋》和《东京赋》（西京就是长安，东京就是洛阳），讽刺这种现象。据说他为了写这两篇作品，经过深思熟虑，反复修改，前后一共花了十年工夫，可见他研究学问的精神是很认真严肃的。但是张衡的特长还不是文学，他特别爱好数学和天文研究。朝廷听说张衡是个有学问的人，召他到京里做官，先是在宫里做郎中，后来，担任了太史令，叫他负责观察天文。这个工作正好符合他研究的兴趣。 经过他的观察研究，他断定地球是圆的，月亮是借太阳的照射才反射出光来。他还认为天好像鸡蛋壳，包在地的外面；地好像鸡蛋黄，在天的中间。这种学说虽然不完全精确，但在一千八百多年以前，能说出这种科学的见解来，不能不使后来的天文学家钦佩。不光是这样，张衡还用铜制造了一种测量天文的仪器，叫做“浑天仪”。上面刻着日月星辰等天文的现象。他设法利用水力来转动这种仪器。据说什么星从东方升起来，什么星向西方落下去，都能在浑天仪上看得清清楚楚。那个时期，经常发生地震。有时候一年一次，也有一年两次。发生了一次大地震，就影响到好几十个郡，城墙、房屋发生倒坍，还死伤了许多人畜。当时的封建帝王和一般人都把地震看作是不吉利的征兆，有的还趁机宣传迷信、欺骗人民。但是，张衡却不信神，不信邪，他对记录下来的地震现象经过细心的考察和试验，发明了一个测报地震的仪器，叫做“地动仪”。地动仪是用青铜制造的，形状有点像一个酒坛，四围刻铸着八条龙，龙头向八个方向伸着。每条龙的嘴里含了一颗小铜球：龙头下面，蹲了一个铜制的蛤蟆，对准龙嘴张着嘴。哪个方向发生了地震，朝着那个方向的龙嘴就会自动张开来，把铜球吐出。铜球掉在蛤蟆的嘴里，发出响亮的声音，就给人发出地震的警报。 § 历史价值 地动仪的发明旨在检测地震 汉代，地震被认为是苍天对皇帝失当的惩诫和警示。因此地震的发生紧紧地把百姓的安危和政权的稳定连在一起。社会需要一种仪器，能对天地合一的灾异实现神圣的知晓、明示和解脱，为国事占卜凶吉，即所谓“观祲象、察妖祥”——观测自然、辨明凶吉。地动仪的发明究竟是为检测地震还是作为祭神礼器之用，并不难判明。 地震与非地震运动的关键性差异：非地震运动以微弱的垂直向“颤抖、颠动为主”，地震波却以强烈的水平向“摇动、晃荡为主”。迄今，人类只发现了两种天然结构可用于验震——悬挂物和液体表面——“不是地震它不动，只有地震它才晃”，灵敏度远远高于人。研究表明，张衡地动仪正是采取了悬挂“都柱”的办法，利用物体惯性去测震。我们从史料对地震的描述“地摇京师”、地动仪的“柱关道机丸”结构、以及“地动摇尊，尊则振，龙机发，吐丸”的反应次序等等，可以判定地动仪确实是为检测地震而设计的仪器，结构简单合理。一旦发生地震，会像所有的悬挂物一样自然地摇晃，只是更加灵敏和稳定。从现代科学来看，它并不神秘和不可知，只是有个逐渐深化的研究过程，不要把前人复原模型的某些不足混同于历史原件。 地动仪验震思想的出现并非空穴来风，是对客观现象的质朴模仿。东汉时代，人们日常生活中存在大量的悬挂物，如吊锤、编磬、编钟、吊篮和悬挂的字画等，举不胜举；那时的社会还有好居高楼的遗风余韵，三、四层楼房很普遍。于是地震时高层建筑的结构放大响应会使所有悬挂物的摇晃、摆动、震荡更加明显和持久，从而被人们注意到它们与地震之间的稳定对应关系，成为诞生科学思想的物质基础。“地震没地震，抬头看吊灯。 陇西地震及其观测是确切的 早期误传的地动仪检测到138年陇西地震，已经被改正为134年12月13日的陇西地震。后一事件早于1983年便收入到中国地震学的权威目录《中国地震历史资料汇编》中，兰州地震研究所的历史地震专家又于1989年分析过它与地动仪的关系，新的研究进一步从更大的范围即不同史料的记载差异、对陇西地震的描写、历史背景、张衡的生平、张衡的诗文、汉代地名考、地震烈度衰减等等作了深入，支持前人的推断。为慎重起见，对地震事件还进行了严格的“实证后验”，即根据地震影响场可以重复的特点，对以后的类似事件进行了验证对比。 其一，对比了清朝的有过极其详细记载的5次陇西地震。结果表明：这些地震的震级在7.0 ～7.5，都在洛阳产生了相似的结果——人员无感或者刚刚有感觉。震级范围和烈度衰减都在合理区间。其二，复核了近年洛阳地震台对几次陇西地震的现代纪录图，证实了洛阳的震相确实为地震面波，以近东西方向的晃动为主，围绕在震中的方位上，符合史料叙述的特点。其三，又根据洛阳台对3次现代陇西地震的纪录数据，计算出了理论的“134年陇西地震的复原地震图”，其位移和最大加速度的数量级符合史料现象。其四，在实验室利用振动台控制技术“复现”了前述灵台地面运动和其他的地震记录，进而对新的1：1的地动仪复原模型作实际检测，均获良好成功。这就证实了一件事，如果按照史料的结构进行测震，陇西地震现象能够得到重现。 § 遗失复原之谜 复原后的地动仪人类第一台验震器——东汉张衡发明的地动仪当时放在洛阳，曾观测到陇西地震，时人“皆服其妙”。1700多年前，地动仪神秘消失，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。然后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：2005年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”。地震学家冯锐和公元1951年，考古学家王振铎复原并制造的“张衡地动仪”模型。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，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。” § 历史记录 英国学者米尔恩根据文献记录复原了“候风地动仪”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.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，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，当然也就更不可能是“世界上第一台地震仪”了。 |
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