漫谈张衡地动仪

广东省佛山市南海区石门中学 余建刚 广东省东莞市东莞第一中学 肖城辉 选自《中学物理教学参考》2009年第6期

“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，寻其方向，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。”

《后汉书•张衡传》描述了东汉张衡制造的候风地动仪，构造精妙绝伦，并能在京都洛阳“地不觉动”情况下成功检测到发生在数百里之外的陇西地震。如此神奇玄秘、精妙绝伦的地动仪，不仅令我们叹服于张衡的天才构思和古之能工巧匠，更令我们对我国古老而又璀璨的科技文明顿生一种由衷的自豪。然而，这台玄秘神奇的地动仪，却引发了不少争议和质疑。

奥地利学者Leopold Lee在《Zhangheng，Science and Religion》（即《张衡，科学与宗教》）一书中对地动仪的科学性和张衡对地震学的贡献进行了全盘否定。书中谈到，中国人把张衡看成国粹，完完全全是一种民族向往，不是一种完美的现实。一石激起千层浪，一时人们纷纷对张衡地动仪的科学性和真实性进行探讨，张衡地动仪究竟是否如此神奇呢？

不仅如此，由于缺乏有效详细的历史资料，国内专家对地动仪在外形复原、原理复原和科学评价等方面存在巨大分歧，其中考古学家王振铎先生于1951年设计一个简单直立杆的“倒立摆”模型，以及能与立杆倾倒相配套的“啤酒桶”式外形（如图1，现存于中国历史博物馆），被视为“钦定”模型，并且写入中小学课本。但也有部分学者持不同学术观点，比如中国地震学先驱李善邦在《中国地震》（1981）一书中首先肯定悬垂摆原理，但也不排除都柱“削尖倒置”的可能性。2004年由河南博物院和中国地震台网中心组成课题组联合研究张衡地动仪的新复原模型，则采用“悬垂摆”原理，研制成果并得到考古界和科技界的普通认可。

为解开地动仪的神秘面纱，笔者查阅了数种相关资料，整理出以下结论。

一、地动仪既不是预测仪，也不是报警器，而是验震器

1876年，现代地震学的奠基人（英）庄•米尔恩（John Milne）被邀请赴日本研究地震。在日本他接受了东方文化，阅读过《后汉书》，并第一个把《后汉书》翻译成英文，向全世界推荐和介绍张衡及地动仪。1880年在日本成立全世界第一个地震学学会时，他在会上发言，指出全世界第一台有记载的测报地震的仪器是中国人张衡发明的，他认为如果把张衡发明的地动仪进行归类，说成报警器是不恰当的，为此他专门提出一个新的英文单词Seismoscope（验震器）。

有人误以为张衡在公元132年制造的候风地动仪能够准确记录地震，甚至可以“预测地震”。其实，地动仪绝不可能是预测仪，它只有在地震发生之后才起作用，只不过能比驿卒更早地通知京城的人士罢了。此外，候风地动仪也不是现代意义上的地震仪。现代地震学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，无法记录发震时刻，更无法记录震级。

那为什么又说它是验震器，而不是报警器呢？因为报警器和验震器有着本质区别：报警器凡有地动，不管是地震还是非地震引起的，都有反应，因此不能区别是地震还是非地震所引起的地动。如把啤酒瓶倒立在比较平的桌面上或窗台上，它便有报警器的作用，稍微有点动静，瓶子就倒了。而张衡地动仪则是“地不觉动”，而有“一龙机发”，即在京都洛阳人们还有没震感的情况下，地动仪已经做出反应，再根据铜丸坠落方向，“寻其方向，乃知震之所在”。这说明张衡地动仪能区分地震与非地震引起的地动，并能反映和纪录震中方向。因此，将张衡的地动仪称之为验震器再恰当不过。

二、地震波与非地震波的区别

为什么张衡地动仪只对地震源产生的地动有反应，而对非地震源产生的地动“毫不理睬”呢？要回答这个问题，必须知道地震波与非地震波有何本质区别。

地震发生时，从震源会发出三种波：一种叫P波，是纵波，它使地面发生上下振动，破坏性较弱；另一种叫S波，是横波，它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强；还有一种L波，叫面波，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波，其波长大、振幅强，只能沿地表传播，是造成建筑物破坏的主要原因。地震波的主要能量分布在能引起地面水平运动和摇晃的横波与面波上，横波反映的是地球介质的剪应变，这种以水平运动为主的波动现象是地震波所独有的特征。相比之下，大量的人为干扰源（如爆破施工、打桩夯土、重物落地、大型载重机械的运行等）和自然现象（如跨岩塌方、矿山塌陷等），都属于挤压式的振动源。它们虽然也能激发起地面的振动，但其主要能量分布在纵波上，而纵波只能引起地面的上下颠簸，不能引起地面的水平晃动。因此，有无强烈的水平振动便成为地震波与所有干扰波动的关键区别所在。

三、1951年复原的地动仪存在科学性错误

我们在教科书和各种展览馆看到的地动仪，是中国博物馆考古学家王振铎先生于1951年根据史料复原的模型。这个复原地动仪的内部是一根直立的细杆孤立置于基座地板上（如图2）。在地震学理论上这种“倒立摆”模型是无法检验出地震的。因此，这个复原地动仪一直遭受到国内外尖锐的质疑。为什么“倒立摆”模型原理会出现科学性错误，其不合理的因素在哪里呢？

不合理因素一：直立细杆的“倒立摆”模型属于不稳定平衡，其倾倒具有随机性

简单直立于地板的细杆或直柱，不管是否有地震波传来，任何微扰都会导致它作方向随机性的倾倒。显然，这种倾倒方向的随机性与“寻其方向，乃知震之所在”不符。

不合理因素二：“细杆”不符合汉代古文“都柱”二字的内涵

《后汉书》中提到的地动仪构造时用了四个字“中有都柱”。都柱，粗大的柱子，惯性体，是原理复原的最关键一词。但王振铎先生于1951年设计的倒立摆模型则据汉代古墓多为一个柱子支撑的情况，将“都柱”转译成“独柱”，改换了概念。在既无实验依据，又未做理论计算的情况下推断它高8汉尺（按1汉尺＝0.2368米换算为1.8944米），直径2寸（4.736厘米），故长度与直径之比约为40：1。然而，1972年，日本地震学家关野雄做了理论计算：立杆倾倒的临界加速度是0.8 gal（注：1gal＝1cm/s²），杆的长度与直径之比应为1225：1。若按“都柱”高8尺推算，杆直径应为1.5毫米，此时“都柱”必须变成细铜丝才能满足倾倒的要求。因此，把“都柱”复原成“细杆”既不符合古文内涵，也不能满足科学要求。

不合理因素三：对地震的反应顺序不合记载

《后汉书》中记载有地动来临时，地动仪的反应顺序是：“如有地动，尊则振龙，机发吐丸，而蟾蜍衔之”。即地震波传来时，先尊体发生微小摇晃后，带动“都柱”触发龙头机关，进行龙头吐丸等一系列反应。倘若是立杆式，则地刚动，孤立置于基座底板上的细杆立即倾倒，而尊体晃动是由较晚的地震横波引起的。因此，会出现先杆倾倒触发龙头机关，后才尊晃动。这顺序明显与文中描述的顺序不符。

四、“悬垂摆”模型复原地动仪的科学性和合理性

有地震谚语日：“地震没地震，抬头看吊灯”。经历过地震的人都有这样的体验：当地震来临时，假如在房间里，抬头可以看到家里悬吊的灯、风铃等会不停地来回晃动，甚至当地震比较小，人还没有感觉，但发现家里的吊灯无缘无故来回晃动，就说明有地震发生了。家里的吊灯就是一种天然验震器。古代仪器的发明基本是对观察现象的模仿和改造。激发张衡设计出地动仪的两个可能诱因是宫灯和吊钟。宫灯或灯笼是室内常见之物，还有悬挂的大钟也是庙宇醒目之物，这两者平时稳定不动，只有在地震时才会左右摇晃。吊钟和钟锤都是典型的悬垂摆，它们高高地置于钟楼之上（注：楼越高，地面微小的晃动，都可能被放大成明显的晃动，实际上建筑师设计摩天高楼时，也会考虑到高楼的这种晃动），对地震面波的晃动特别敏感，很容易引起起古人的观察和模仿。

根据以上分析，我们知道地动仪不可能是“倒立直杆”模型，而很可能通过对天然验震器——悬挂物结构的模仿和发展，在地动仪尊体内悬吊“都柱”，即在尊体内悬吊着粗大的柱子（如图3）。当地震波传来时，利用“都柱”的晃动，触发机关，从而检验地震的来临。

从物理学角度看，悬垂摆有如下特点：当在地面垂直颤动时，悬垂摆不会反应；当地出现水平晃动时，它才会振荡，而地面的水平晃动又恰恰是地震的剪切力源所产生的一种独特的运动，幅度最大。触发“都柱”晃动的，不是纵波初至，而是一种振动的幅度、周期都远比纵波还大的瑞利面波（即今天全球地震台网用来测定震级和震中的标准信号）。任何天然的干扰源都不能产生这种水平晃动，因此，悬垂摆的晃动便被视为唯一能与地震相对应的运动方式，从而实现验震器自动分辨出地震波与干扰波的基本功能。

原理知道了，新的问题又出现。由于相隔较远，地震波是非常微弱的，“都柱”晃动所能产生的力更是微乎其微，以致无法触动“机关”。1 800多年前的张衡是如何破解这一难题呢？

据考证，《后汉书》所记载的那场“地不觉动”的陇西地震，发生于东汉杨嘉三年十一月壬寅（即公元134年12月13日，地动仪造出后的第三年）。京师洛阳距震中500～700公里，洛阳地震烈度3～4度，地面的水平位移量3～4 mm。远在陇西的地震波传来，地面发生微小水平晃动，引起了洛阳城南灵台上一座巨大尊体的摇晃（注：灵台是古时帝王用来观天象，占幸运、卜吉凶的高台建筑。根据资料考证，当年“张衡地动仪”曾放置于此，并进行过地震观测），继而带动“都柱”的来回晃动、触发机关、吐丸等一系列反应。为什么如此轻微的地震，人都未能察觉，尊体会晃动？一方面，尊体本身较高（地动仪尊体高度在2.6～2.9 m之间），灵台又建在高高的土坡上，高度的放大作用使得摇晃相对明显，正如地震时，可以观察到摩天高楼摆动得很厉害。另一方面，灵台位于洛阳城南，在洛阳与灵台之间恰好有洛河通过。河床两边土层松软。这样能利用到地基松软的放大功能，增加地动仪的灵敏度。

张衡的高明远不止于此，更重要的是在技术上采用触发机构，解决了对地震波微弱信号进行检测的触发机构。通过“施关”、“发机”两步机械连带动作，实现了悬垂摆在微弱的地面运动和低频条件下的拾震问题。

《后汉书》及《续汉书》中对地动仪结构的描写几乎完全一样，都只有四个字——“施关发机”，究竟这四个字背后隐藏着什么玄机？复原专家一开始也以为“机关”就是一个结构，经过字斟句酌的推敲和苦苦的思索，发现“机”和“关”并不是同一结构。《后汉书》在“施关发机”后面写道：“其牙巧制，皆隐在尊中”，“皆”就是都的意思，即“机”和“关”都很巧妙的藏在尊里了，既然“都”，那一定是复数，也就是说“机”和“关”应该是两个完全不同的结构。这就意味着地动仪内部，从原来理解的“柱”、“道”、“关机”、“丸”四个装置，还应增加一个重要的装置“关”。在古汉语中“关”代表门栓的意思。“关”又指大路交汇的地方。“关”就是一个微小的触发机构，如门栓一样虽小，轻轻一碰却能控制大门的开关，即可以通过触发机构达到放大动量的目的。

地震波非常弱，它先触发一小东西“关”，通过“施关”，然后才联动其他装置工作。地动仪之所以能准确检验地震波的秘密就在于这个灵敏的触发机构。“关”被设计成是一个小球，该小球处于“都柱”下方的一个极小锥形小台上，八“道”的中央交汇处。地震方向微弱的地震波传来，“都柱”和尊体发生相对位移，小球便会脱离都柱，滚落“道”中，道的尽头正是连接龙头的杠杆——“机”，一个扣住铜丸的直臂。小球触发碰到“机”，龙口“吐丸”。这样的设计思想在东汉时代实现，精密科学，简单有效，体现了古人的超群智慧。

五、如何辩证看待复原模型

重新复原的地动仪，从原理结构到尊体外观、大小、蟾蜍的摆放等，相对考古学家王振铎先生于1951年复原的模型，有了更大的进步和改进，使得复原的地动仪更加具有科学性，更符合张衡设计思想和地动仪的原貌。新复原地动仪还通过科学实验模拟当年那场陇西地震，结果完全吻合。并连续7天168小时的对地动仪强干扰试验，没有一次误触发。2005年，冯锐复原模型，得到了考古界、科技界的一致认可。新复原地动仪的成功，向世人证明张衡地动仪是真实的，是起过作用的，是科学的，给那些曾经质疑甚至否定地动仪的质疑者一个响亮的回答。

王振铎先生当年复原的模型虽有诸多不足之处，但其对宣传我国古代科技成就具有积极贡献，他的历史功绩应该得到充分肯定。只是历史发展、学术进步，50年后，我们根据新的材料，对问题有新的认识，又提出新的复原方案，使得新复原模型更接近真相。或许50年后，后人会根据他们新的研究成果和资料积累，进行更新的复原，这样我们会一步一步接近汉代张衡地动仪的历史实际。这是学术发展的必然。

六、张衡对科学的贡献及其影响

据史料，地动仪132年问世，在133年和134年成功测震后，便退出了历史舞台，毁于战火之中，未能流传下来。就其本身的贡献是短暂的，但科学技术的发展和传承，不是完全靠实体，而是靠理路、观点和实践，《后汉书》记载了地动仪的基本原理，成为近现代地震仪器的思想发源。被誉为现代地震学之父的庄•米尔恩（John Milne），在科学起步阶段，受到张衡地动仪思想的启迪，于1894年设计和制造出世界第一台地震仪器架设于世界各地，可进行台网观测的地震仪器，其科学架构原理和张衡地动仪完全相同。毫不夸张地说，张衡地动仪正是现代地震学得以发展的基础。张衡地动地动仪的科学意义，还包括：

（1）它是人类第一次利用悬挂物体的惯性，实现了人类对地震的检测，并通过“龙首吐丸”实现了记录功能，保留了地震的物质证据。从而将天然验震器发展成为一件科学仪器——悬垂摆式验震器。

（2）在技术上，解决了对地震波微弱信号进行检测的触发机构。通过“施关、发机”两步机械连带动作，实现了悬垂摆在微弱的地面运动和低频条件下的拾震问题。

七、结束语

张衡的地动仪的诞生并不是偶然，是人们在当时的社会背景下，对频繁发生的地震（注：东汉期间地震活动频繁，公元105年以后几乎每年发生地震1次。122年5～10月京师地震持续不断，导致汉朝廷最高长官——三公（司徒、司空、司马）中的司空陈褒“以地震侧免”《后汉书-陈忠传》。可见当时问题之严重）和天然验震器有一定认识下催生的，并且当时已经有了高水平的制作技术，当然，更离不开张衡非凡的才能和广博的学识。张衡发明的侯风地动仪是真实的、科学的，是世界第一台能检测并纪录地震的科学仪器，比欧洲人制造出“第一台”地动仪要早1 700多年。地动仪的失传，令人惋惜和痛惜，但有幸的是，文字的记载，使得张衡的科学思想得以传承，并对19世纪末现代地震学的起步发挥奠基石的作用。张衡不愧我国古代科学家的杰出代表，侯风地动仪值得我们每位华夏儿女自豪与骄傲！

参考文献

[1]冯锐。张衡地动仪的否定之否定。防灾博览，2003，（1）：5～9

[2]冯锐，武玉霞，朱涛等。对地动仪传统模型的置疑。自然科学史研究，2006，（B12）：16～33

[3]冯锐，田凯，朱涛等。张衡地动仪的科学复原。自然科学史研究，2006，（B12）：52～74

[4]武玉霞，朱涛。张衡地动仪的失传。中国地震，2007，（1）：93～103

发布时间：2009/12/22 下午2:04:55  阅读次数：13136