地動儀之前世今生

編者按：本刊2010年11期《被制造的“地動儀”》刊出之后，引起了各方爭論。地動儀和司南是中國古代記載中重要的科技成就，但因年代久遠，對其的考證和復??，是科技史學界的重大難題。我們繼續刊登關于地動儀和司南的兩篇文章，以利于讀者更為全面地認知這一問題。

從南宋的周密開始，直到清代的阮元，張衡的祖國一直有人否認他曾經發明過地動儀，也不承認那些史書上的驗震記錄。阮元曾說“余終不信有其事”，甚至到光緒年間，還是有人不相信古籍上對張衡候風地動儀的記載。自1875年始，至2003年，經歷一代科學家的發現與質疑，張衡地動儀終于從史書中掙脫出來，成為一種可以驗證的科學模型了。

對于地動儀，這個失傳了1000多年的東西，一直以來人們能查到的最多的，不過是范曄的《后漢書#8226;張衡傳》中196個字的記錄。

1875年，有位叫服部一三的日本人從美國留學回國，那一年，他剛剛24歲。這個年輕人不但有剛剛學到的西方國家的科學理念，還有著傳統日本人對中國古老文明的熱愛。就是在這一年，服部一三憑著對現代地震學的理解和對中國古籍中記載的張衡地動儀的興趣，開始研究那個千年以來一直被中國人不求證便否定的張衡地動儀。

第二年，有位叫米爾恩的英國人，從倫敦起步，徒步穿越歐亞和今天的蒙古國，進入中國，又來到日本，在日本東京帝國大學擔任地質礦物學教授。日本是個地震頻發的國家，1880年“日本地震學會”成立。服部一三任會長，米爾恩成為了副會長。受到服部一三的影響，米爾恩也開始對地動儀產生了興趣。

正是他們兩人，開啟了重新發現張衡和地動儀的探索之旅。

■ 張衡的被發現和再遺忘

今天還能找到的資料中，顯示出服部一三為張衡地動儀設計的外觀圖，是個穹隆很高的器物。穹體外部，是密密麻麻的《后漢書?張衡傳》中的196個字。服部一三的復原工作只做到了設計外觀圖紙這一步。

1883年，副會長米爾恩根據張衡文獻的記載，開始設計他所理解的地動儀。米爾恩的設計，跟服部一三有很大不同，穹隆倒是低了很多，穹隆上面卻還有一個高高超出穹隆的豎直設計——這一奇特的外觀，反映了它的內部結構，有一根很長的“都柱”，關于這根都柱的“安置”，米爾恩選用了懸垂的辦法。

米爾恩的工作從圖紙上走下來，進入了實際操作階段。按照此原理，在模擬工作時期，他估算地動儀的高度可以達3.5米。由于“都柱”太高，為了便于觀察還把做試驗的二層樓房的天花板專門捅了個洞。

米爾恩1892年制成世界上第一部懸垂擺地震儀，高6米、重25公斤，外形結構酷似他的地動儀復原模型。通過持續的努力，他在1895年終于發明了可在臺站普遍架設的現代水平擺地震儀。

米爾恩在張衡的基礎上又向前邁了一步，文獻中的張衡地動儀只能驗震，而米爾恩地震儀可以記錄地震時間、方位、地震波形和強度等。米爾恩特地為張衡地動儀這類儀器起了個英文名詞——Seismoscope（驗震器）。

米爾恩在他那部被地震學界看作經典之作的《地震和地球的其它運動》一書中，這樣說明張衡“懸掛都柱”工作原理和他本人實驗之間的關系：1880年到1883年間，受懸掛都柱的啟發，做過大量模仿和試驗；發明地震儀是在此后的1892-1894年間。地質學專業出身的米爾恩，非常熟悉牛頓、惠更斯、皮納等人對慣性和懸垂擺的研究，他同時發現了張衡地動儀在1700多年前運用的正是慣性原理。

米爾恩認為，懸垂擺原理在科技發展史的鏈條中，是銜接現代地震理論和經典物理學的重要一環。1883他的現代地震學的開山之作《地震和地球的其它運動》首版中首先介紹了張衡地動儀，并認定張衡運用了懸垂擺原理。從能找到的版本來看，《地震和地球的其它運動》最少再版過9次。至少在前4版中，讀者能看到米爾恩將張衡地動儀原理的運用奉為人類邁出地震學研究的第一步。

1913年《地震和地球的其它運動》發行第9版時米爾恩已經去世了。后人在重新修訂這本書時，直接從現代地震學的創始人米爾恩和他的地震儀講起。米爾恩之前的內容刪去或省略，于是，張衡被重新發現30年后，再次被遺忘。

■ 中國記憶的暫停

在中國開放了對東洋和西洋的留學以及交往之后，東西風交互地吹拂下，有關張衡的記憶在他的祖國蘇醒。中國最早憶起張衡的，是中山陵的設計者呂彥直，1917年呂彥直設計的張衡地動儀外觀圖發表在《科學》雜志第三卷第九期上，對米爾恩模型的外觀做了中國風格的潤色，那時他24歲，正在美國留學。

中國地震學的奠基人李善邦在北平西郊鷲峰建立地震臺，于1931年按照服部一三的造型畫出張衡地動儀圖像。李約瑟在《中國科技史》中用了這張圖，誤認為是李善邦的設計。

在中國，第一個畫出張衡地動儀內部結構的，是1936年畢業的燕京大學考古系研究生王振鐸，那時他也24歲。王振鐸認為地動儀應用的是慣性原理，所以就延用了米爾恩的懸垂擺設計，只是把懸垂的都柱放在地動儀腔內。

王振鐸1936年發表于燕京學報20期的一篇論文中運用慣性原理分析張衡地動儀，假設都柱懸系于尊立中部，這篇論文《漢張衡候風地動儀造法之推測》，成為王振鐸本人學術生涯一個很高的起點，也是連接東漢發明和現代物理的重要一環。

王振鐸對張衡地動儀的第一次研究以論文和圖紙的形式保存下來，第二年爆發的抗日戰爭，使這一方案沒能制作成實物。中國近代對于張衡地動儀的研究，就此暫停。而70年后的中國地球物理學家馮銳成功復原張衡地動儀時的原理，與王振鐸所運用的牛頓第一定律慣性定律是相同的。

1937年，日本地震學家萩原尊禮發表的復原張衡地動儀論文，采取了直立桿原理，一根代表“都柱”的桿，從下往上立在地動儀中央。地震時，直桿傾倒會“施關發機”，使龍吐丸。此時抗日戰爭爆發，北平的研究機構和各大學開始南遷，王振鐸已無法對自己的方案進行制作和實驗。而日本方面，戰爭在發動，科研也在繼續，兩年后，地震學家今村明恒設計的地動儀問世了，他延用了萩原尊禮的直立桿原理，但又在直立桿的下面放了三個彈簧。彈簧起到復位的作用，原理近似倒立擺。可是至今的考古發現中，也沒有東漢使用彈簧的記載。但是今村明恒發現直立桿傾倒方向與地震射線方向不在同一平面后，也就沒有再進行后續研究。

■ 重拾張衡地動儀

抗戰勝利后，王振鐸于1947年下半年回到北平，兩年后新中國成立，這位??中央博物院設計委員的新職位，是新政府的“文化部文物局博物館處處長”。

為弘揚中國古代燦爛文化，樹立民族自豪感，王振鐸接到任務，復原張衡地動儀以供展出和傳播文明之用，這次的復原工作，需要制作實物而非停留在論文階段了。

接到任務后的王振鐸，并沒有采用最簡單直接的方法——重復自己1936年的方案，并把實物制作出來。本著一位考古和史學工作者的認真態度，他又重新審視自己13年前的論文及其原理基礎。這一次，他推翻了1936年的設計方案，接受了萩原尊禮1937年的直立桿原理，一年后，王振鐸設計并復原出1：10比例的木質“張衡地動儀”模型。

這尊木質地動儀是新中國唯一一件“張衡地動儀”宣傳模型，由于媒體的報道和郵票的發行，成功地喚起了民族記憶，并引起全國人民的空前關注。《人民畫報》1952年4月號上整版的圖文介紹，就是王振鐸親自寫的，署名是他的字“王天木”。他如實地寫道：“可惜張衡這一重要發明早就失傳了，隋朝時科學家臨孝恭尚寫有一部《地震銅儀經》，也未能流傳下來。”并進一步說明“這里介紹的這個模型，是我們在1951年設計完成，主要是根據《后漢書#8226;張衡傳》的記載，及考古材料而復制的。”

這尊地動儀復原作品，就是后來成為國人非常熟悉的一個模型，幾代人都在中學歷史課本中見到過它，并認為就是張衡年代的出土文物。

■ 半個世紀的國際質疑

北京大學湯一介教授的博士生，奧地利人雷立柏2000年出版了他的《張衡：科學與宗教》，在書中，對張衡地動儀的存在提出了質疑。這一質疑，正好被逛國圖書店的中國地震局地球物理所研究員馮銳看到。

2002年初夏天看到的這本書，以及隨之而來的各種質疑也是馮銳不曾想到的，他希望能和雷立柏當面交流這個問題。

雷立柏赴約那天，帶了一些國外的資料給馮銳和他的學術伙伴武玉霞看，自20世紀60年代以來，西方不少地震學家都提出過同樣的問題：中國歷史博物館里的張衡地動儀工作原理是否正確？最嚴厲的批評是質疑中國科學史的真實性，是否有過張衡地動儀？這是否是中國人在造神？雷立柏的觀點是：“張衡的地動儀是華夏科學停滯特點的典型表現”，“《后漢書》的記載不一定是可靠的”。

馮銳受到雷立柏提問以后，突然想起他自己1980年代初在美國伯克利大學進行學術研究時，導師博爾特院士也問過他類似的問題，為什么你們中國人的地動儀像個酒桶？它的工作原理是什么？還把這個問題，作為他教材中的一個思考題。

馮銳對地動儀的研究就從2002年的夏天開始了。

他也是從《后漢書#8226;張衡傳》中的196個字開始的，不同于王振鐸的是，馮銳是學自然科學出身的，建立數理模型和復雜運算是地球物理專業的基本功。

在《后漢書#8226;張衡傳》前后，還有七本古籍提到了張衡和他的地動儀，都一如范曄的言簡意賅。在各種記載里，《后漢書#8226;張衡傳》中有一個重要數據是“圓徑八尺，形似酒樽”中的“八尺”。按著一漢尺23.5厘米來計算，能夠算出地動儀的直徑約2米，形似“酒樽”的儀器高度約3米 。再通過梁思成的《中國古代建筑史》漢代柱子的比例和規格來推算，都柱的高度和直徑比例大約在6-8。

這樣高的敦實“都柱”能穩定地立在地動儀的中央，但是不會對地震出現敏感反應。反之，欲測出地動來，柱子必須遠比鉛筆桿、電線桿還要細，這不僅不符合史書“都柱”的記載、不可能豎立起來。汽車、放炮等較大的縱波震蕩，也會引起直立都柱的傾倒。米爾恩早在1883-1889年間的試驗中就做過堅決的否定，也是美日中地震學家一直否定的技術途徑。

如果把敦實的“都柱”懸于尊體之中，就沒有了上述問題。同時被解決的，還有由于汽車、跺腳、放炮、關門等縱波的震動帶來的直立桿傾斜問題。懸垂擺只對橫波帶來的震動有靈敏反應，而且對于地震橫波和瑞利面波帶來的反應具有唯一性。

這就可以從原理上推斷張衡地動儀遵循的是懸垂擺的原理，米爾恩的地震儀就是以此理論基礎制成的。在否定了直立桿原理后，張衡地動儀又回到了1936年王振鐸曾經認定的懸垂擺原理上去。

科學在反復和否定中，始終堅定它的唯一性。當初王振鐸無論肯定還是否定它，都是為了向科學再邁進一步。而這一步只有通過自然科學工作者接下去的數理模型和計算中才能驗證，它到底是真理還是謬誤。可惜的是，作為一位嚴謹的考古學家和古文物學專家，王振鐸當年是單槍匹馬，沒有具有地震專業以及數理運算能力人員協助他，無法對古文展開專業解讀。

2002年的夏秋這段時候，馮銳經常長時間地盯著辦公室的一堵墻看，他想象都柱如果掛在那里，會是怎樣的一根柱子。“地動搖尊”之時，就是這根柱子的作用，才使龍口吐出銅丸。

按照3米左右的地動儀高度來估算懸掛都柱的振動周期，應該在2.4 -3秒。

馮銳的專業優勢很快就顯示出來，他找來1985年、1987年河南省洛陽地震臺記錄的隴西地震波記錄圖，發現從隴西到洛陽的地震波果然以瑞利面波為主，周期以2-5秒為主。事實上某一固定地區的地震波形是穩定不變的，也就是說，張衡年代隴西至洛陽的地震波，也是瑞利面波為主、周期也以2-5秒為主。

這一結果說明，不僅此高度都柱固有周期與真實地震波優勢周期吻合，而且觸發儀器的波動震相也與瑞利面波吻合，這就從數理推演上證明了，張衡地動儀應該是運用懸垂擺原理制成的。張衡對懸垂擺的運用比米爾恩早了1700多年。

在完成了基本數據驗證后，馮銳的論文《地動儀的否定之否定》經過半年多的審查于2003年1月發表在《防災博覽》上，這篇論文第一次明確地指出了國內最流行的王振鐸復原模型（即“傳統模型”）的原理性錯誤。論文發表后，受到地震學界的重視和地震科學基金會的支持，在地震學專業委員會的兩次會議上專家們聽取了他的報告，明確支持徹底否定直立桿工作原理。

■ 21世紀的科學復原

質疑前人的工作并不難，難的在于自己完成合理的科學復原，再前進一步。從此，一個由地震學家、歷史學家、考古學家組成的張衡地動儀復原研究團隊組成，馮銳總負責 。很快，張衡地動儀的記載從一部《后漢書#8226;張衡傳》、196個字，增加到七部古籍、238個字，從這238個字中計算出來的量化參數，成為科學復原張衡地動儀的基本條件。

在專業人員面前，一個圓徑八尺，就這樣透露出了地震波動和測震儀的特殊細節：根據中國地震烈度的衰減規律，可推算出洛陽的烈度為Ⅲ＋-Ⅳ，隴西地震的震級6.5-7.0級，震中距500-700千米。

馮銳的信心就來自這些數據，他對比了1654-1879年間清朝5次隴西地震的烈度場，調來1985-2004年間隴西所有地震的波形圖，分析計算的結果是，從隴西到洛陽地震波的周期、幅度、震相、加速度、持續時間等參量，既沒有超出理論預期的合理范圍，同時與類似的真實地震的波動記錄結果相吻合。更令人他驚嘆的是，史料中的文字描述和文字次序正是地動儀結構對這種波動的準確反應過程。這一結果說明張衡地動儀測到了隴西地震，被推斷為公元134年的事件。

張衡地動儀不是用來預測地震的，它是驗震器。既然是驗震器，就可以在數字控制的高精度振動臺上，用實際的地震波來檢驗它。

振動臺受控于電腦，電腦控制下的液壓機電系統能夠嚴格地再現1976年唐山地震、2000年瀘西地震、2001年孟藝地震在相關地震臺站的地表震動過程，也可以重現理論的古代地震記錄圖，包括模擬1800年前京師洛陽在隴西地震時的運動，課題組復原的模型不僅在振動臺上顯示出了驗震的功能——對于橫波的良好反應，以及對于縱波的不反應——張衡地動儀不再是概念模型，而成為科學模型了。

這尊通過了驗震器檢驗的科學模型，由于過于高大，并未能展示于公眾，從振動臺卸下后留作進一步工作之用。此后，北京史家胡同小學使用的是1：6模型，河南省博物院1：3模型，中國科技館1：2 模型，上海科技館和威海科技館1：3 模型等。它們都僅僅是用于演示地動儀工作原理的顯示結構，供觀眾作互動理解，已經不能作為真正的驗震器而測震了。原因如同火車和飛機被縮微之后只能用于演示結構和原理，但不能夠再載人是一樣的道理。

張衡地動儀是怎樣消失的？

《看歷史》主筆 楊東曉

自從雷立柏第一次介紹國外學界對張衡地動儀的質疑，至今已??8年過去了。今天，雷立柏在向《看歷史》雜志陳述西方學界對傳統模型疑問時，一臉無奈：“中國古代文獻的記載實在是太少了，很難拿出證據來證明有這個地動儀，而且現有的文字記載也太簡略”。他說，西方科學家注意繼承前人成就的同時提出自己觀點和反省，這種傳統使科學的體系更加完備，文化的傳承才有系統。

雷立柏說的是事實，然而還有一些事實，是這位奧地利學者所不了解的，那就是東漢末年的動亂，以及此后歷朝歷代都曾發生過的戰火和動蕩。

東漢未年是地震頻發時期，張衡盡管是一位自然科學家，但他的思想也無法脫離所處的歷史階段。對天地神靈的敬畏，使地動儀成為“觀祲象、察妖祥”的工具。公元133年地震后，張衡上疏：“妖星見于上，震裂著于下，天誡詳矣，可為寒心。今既見矣，修政恐懼，則轉禍為福。”順帝以后的皇帝因地震下過16次“罪己詔”。

自此，由地震引起的清君側就開了先河，一直“清”到官員們見張衡上朝，都對他側目而視，他的地動儀也成了不詳之物。134年安放于靈臺的地動儀成功測到隴西地震、且又有高官“以地震免”之后，侍中張衡立即被滿朝文武們視為“終為其患，遂共讒之”，兩年后被排擠到河北的河間，這里是幾百年后林沖發配之地，其悲涼可想而知。

過了幾年張衡被降職回京，不久就郁郁而終。這幾年間京師曾發生過多次地震，但至今沒發現該地動儀的記錄存世。地動儀的消失，考古學家王振鐸認為是在307年至312年西晉永嘉之亂，馮銳和其他歷史學家認為會更早，在東漢末年，或者不會晚于魏文帝曹丕登基的221年。

張衡地動儀只有過一次地震的記錄，它在一個天誡觀盛行的時代無意中成為中國科技史的榮光，猶如曇花一現，消失在東漢晚期的噩夢里。

現在的洛陽，只留下地動儀當年工作過的地點：當年京師南兩里的“靈臺”：一座地基高兩米的方臺，這樣突兀的高度，對地震波有結構性放大的作用，加速度可接近1gal（gal，地震加速度單位），利于測震。地動儀的腳下，則是鋪設了兩層的2x 2漢尺大方磚，這種鋪設方法，是絕無僅有的。