從張衡“地動儀”談地震

2011年3月11日，日本發生里氏9級地震，震中位于宮城縣以東太平洋海域，震源深度20千米，東京有強烈震感，北京小部分區域有震感，此次地震引發海嘯，浪潮最高達到23米，影響了太平洋大部分地區，強烈的地震給人們帶來了巨大的損失，一時成為世界關注的中心，地震的測量非常重要，在我國古代，張衡就設計制造出了可以感知遠方地震的地動儀!

據《后漢書·張衡傳》記載，地動儀“以精銅鑄成，圓徑八尺”，“形似酒樽”，上有隆起的圓蓋，儀器的外表刻有篆文以及山、龜、鳥、獸等圖形，儀器的內部中央有一根銅質“都柱”，柱旁有八條通道，稱為“八道”。里面設有巧妙的機關，儀器外部周圍有八條龍，按東、南、西、北、東南、東北、西南、西北八個方向布列，龍頭和內部通道中的發動機關相連，每條龍的嘴里都銜有一個銅球，對著龍頭，八只蟾蜍蹲在地上，昂頭張嘴，準備承接銅球。

當某個地方發生了地震，由震中傳來地震波時，樽體隨之運動，觸動機關，使發生地震方向的龍頭張開嘴，吐出銅球，“當”的一聲，落到下面蟾蜍的嘴里，發出很大的聲晌，于是人們就可以知道地震發生的方向。

漢順帝陽嘉三年十一月壬寅(公元134年12月、13日)，地動儀的一個龍機突然發動，吐出了銅球，“當”的一聲，掉進了下面蟾蜍的嘴里，當時在京城的人們絲毫沒有感覺到地震，于是有些人紛紛議論，說地動儀不靈驗，甚至有人說張衡有意造謠生事!沒過幾天，隴西有人飛馬來報，證實那里前幾天確實發生了地震，眾人“于是皆服其妙”，對張衡的高超技術表示信服，你看，隴西距洛陽有一千多里(1里=0.5千米)呢，地動儀標示無誤，說明它的測震靈敏度是比較高的。

據學者們考證，張衡在當時利用了力學上的慣性原理，“都柱”實際上起到慣性擺的作用，張衡對地震波的傳播和方向性也有所了，解，這些科學成就是十分了不起的，在歐洲直到1856年，才由意大利人路吉刈I自米里制成與此類似的儀器，比起張衡的發明足足晚了一千七百多年，可惜的是，隨著漢朝的滅亡，張衡地動儀神秘消失，成為中華民族科技發明的又一個千古之謎，

不過，張衡地動儀在史書中被記載了下來，見于《后漢書》等，這一段記載只有196字，其中描述地動儀內部結構的內容更少，只有“中有都柱，傍行八道。施關發機”這12個意義隱晦的字，以后，北齊的信都芳和隋朝的臨孝恭，也都制造過地動儀，還留下了相關著作，可惜他們的著作也都亡佚了，顯然，儀根據《后漢書》中的簡單記載，要復原張衡的地動儀十分困難，今天的復制品，其實是在史書那些約束條件之下所作的新創造，盡管如此，《后漢書》的記載，還是給我們提供了一些珍貴的信息。

但是，一些西方學者卻持完全否定的態度，認為張衡地動儀不屬于科學發明，之所以失傳，是因為它沒有達到科學的要求，這種簡單否定的說法是不對的，我國很多科學家不斷探討、制作出地動儀，取得了很大成果。

關于地動儀的結構，關鍵是對“都柱”的理解，先后有兩個版本，一種模型即“都柱”是一個類似倒置酒瓶狀的直立桿，控制龍口的機關在“都柱”周同，這一種模型最近已被基本否定，另一種模型即“都柱”是懸垂擺，擺下方有一個小球，球位于“米”字形滑道交匯處(即《后漢書·張衡傳》中所說的“關”)，地震波傳米時，“都柱”撥動小球，小球擊發控制龍口的機關，使龍口張開，這種模型經模擬測試，結果與歷史記載基本吻合，“懸垂擺原理”取代了傳統的“直立桿原理”，這一科研成果得到了來自中國科學院、國家博物館、中國地震局等單位的地震學專家和考古學專家的肯定。

那么，張衡地動儀為什么可以感覺到遠方的地震呢?我們還必須從地震發生的原因談起。

我們知道：地球的結構就像雞蛋，可分為三層，中心層是“蛋黃”——地核；中問層是“蛋清”——地幔；外層是“蛋殼”——地殼，其實，地震就是地動，是地球表面的震動，就像風雨雷電一樣，是一種普通的自然現象，據地震科學家精確測定：全球每年發生地震500多萬次，你算一算，平均每天要發生1萬多次呢!你可能會奇怪地問：“那么多地震。我怎么感覺不到啊?”是的，這些地震絕大多數都是極其微小的，只有精密儀器才能夠探測到。

我們常說“腳踏實地”，仿佛大地非常平靜，十分安全，其實不完全準確，原來，地殼并不是完整的一塊，它是由一塊一塊的“板塊”構成，板塊當中有的塊大，有的塊小，可以聯想一下，小時候我們都喜歡玩七巧板，用大小不等、形狀不同的兒個小圖形可以組合成一個大的圖形，地殼中大的板塊有六塊，如果一旦受到力的作用，地殼中的巖層便會變形、斷裂、錯動，于是便發生地震，世界上85％～90％的地震，都屬于構造地震，汶川地震就是來自于板塊的相對運動，中國的很多地震，大都起因于板塊碰撞。

引起地殼震動的原因很多，有人為的原因，比如核爆炸、開炮、機械振動等；也有自然界的原因，比如構造地震、火山地震等，地震也可能與天文因素有關，這主要指太陽、月亮對地球產生的引潮力，它可以引起地球表面流體的潮汐(如海潮、大氣潮等)，其實這種引潮力對于地殼巖石也有推拉的作用，雖然不能像海水一樣涌來涌去，但是長年累月的積累，其對于地殼的作用也不可小看，一旦在板塊之間造成了擠壓，釋放能量時也會引發強烈的地震!

一次地震的發生，只有在一定范圍內的人們才能感覺到，地球內發生地震的地方，叫震源，震源上方正對著的地面，稱為震中，震中及其附近的地方稱為震中區，也稱極震區，震中到地面上任一點的距離叫震中距離。

地震時，在地球內部出現的彈性波叫做地震波，這就像把石子投入水中，水波會向四周一圈一圈地擴散一樣，地震波的能量在震源處最大，在傳播過程中逐漸減弱，傳到一定的距離，就會弱到人們感覺不出來，當地震發生時，地震波在地球內部和地表傳播，地震波是從地震源向外傳播的，在遇到內部障礙物時發生改變，一般來說，地震波的傳播速度是每秒幾千米。

地震波主要包含縱波和橫波，振動方向與傳播方向一致的波為縱波，將引起地面上下顛簸，速度在每秒7千米左右，而這部分縱波攜帶的能量只占地震波全部能量的一小部分，振動方向與傳播方向垂直的波為橫波，能引起地面的水平晃動，是造成建筑物破壞的主要原因，速度在每秒4千米左右。

由于地震的縱波在地球內部的傳播速度大于橫波，所以發生地震時，縱波總是先到達地表，而橫波總落后一步，這樣，發生較大的地震時，一般人們先感到上下顛簸，過數秒到十幾秒后才感到有很強的水平晃動，這一點非常重要，因為地震縱波先給我們一個警告，告訴我們造成建筑物破壞的罪魁禍首橫波馬上要到了，快點作出防備。

張衡地動儀由于失傳已久，后人只能根據史料記載進行分析，因此看法有所不同，

有人認為：根據地震波的傳播機理，張衡地動儀是不太可能做到“驗之以事，合契若神”的，因為根據初波的振動方向，是可以知道震源方位，但初波非常微弱，而這部分初波攜帶的能量只占地震波全部能量的一小部分，如果張衡地動儀能敏感到對初波就作出響應，那么有許多別的和地震無關的震動。比如在它附近爆破，就能引起它的反應，從而讓人誤把許多不是地震的震動也當成是地震，但如果要讓張衡地動儀保持一定的遲鈍性，它又有可能無法感覺到地震的初波，直到之后的各種波陸續傳來時才被“驚醒”，可是這些遲來的波的振動方向已經不能代表震源的方向了。

還有一些人認為。如果地震稍強一些，地震波會引起地面上下左右搖晃，這時地動儀的八個球會一同落下，就是說，古代的地動儀可以感覺到地震的發生，但是無法準確報告地震的大小和方位。

還有人認為，記錄一次地震必須有三個要素：發震時刻，震中位置和震級(地震強度)，即使張衡地動儀能夠記錄震中的方向，使用幾臺地動儀“聯網”，也可測出震中位置，但地動儀卻無法記錄發震時刻，更無法記錄震級，因此，從現代地震學的角度來看，張衡地動儀并不能全面記錄地震，不屬于觀測地震的儀器，稱地動儀是“世界上第一臺地震儀”，是不準確的，

筆者認為，張衡地動儀是我國古代偉大的科技發明，遠在一千八百多年前，張衡利用當時的物理知識，對于地震的發生與方位有所掌握，從這一點來看，意義已經足夠大了，這足以讓我們每一位中國人引以為豪，中央·電視臺曾經詳細介紹了張衡地動儀的復原情況，對于這項古代發明給予充分肯定，是的，我們決不能用我們現代科技強求古人，更不能全盤否定，不承認這項偉大發明，

在實驗現代地動儀的現場會上，中科院地質與地球物理所的滕吉文院士說：“地動儀是中華文明留給人類的寶貴文化遺產，各國科學家都在嘗試復原，如果我們不把這件事做好，那就是罪過，從原理上和制作過程上講，這臺復原模型符合史料記載，符合張衡的基木思想……這臺地動儀復原模型代表了現代人的認識，它在現階段是最好的。”