地动仪

Di dong yi

地动仪是中国东汉科学家张衡创造的传世杰作。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。

地动仪有八个方位,他们分别是东,南,西,北,东南,西南,东北,西北,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。

地动仪的起源

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。

地动仪的历史记载

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。

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,圆径八尺,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。” 

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】李昉《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》。

地动仪的地震记录

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。

地动仪的原理考证

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。

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。

地动仪遭受质疑

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”。

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