東漢 · 震古爍今地動儀

[摘要] ?東漢是科技文化迅速發展的時期，以張衡地動儀的發明為杰出代表。簡介了地動儀的歷史真實性、誕生科學思想的物質基礎、張衡的科學貢獻。 地動儀對19世紀現代地震儀的誕生曾起過重要的思想啟迪作用。復原研究旨在搞清原理和結構、得到思想的啟迪，有助于普及地震科學知識。對新復原模型的考古依據和科學實驗做了簡介。

[關鍵詞] 張衡; 地動儀; 工作原理; 科學復原

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-124

0 ?引言

東漢是一個科技文化迅速發展的時期，典型的成就有文史哲的《論衡》《漢書》《說文解字》和《釋名》；醫學的麻沸散、《黃帝內經》《傷寒論》和《金匱要略》；科技的造紙術、九章算術和天文學成就等。其中杰出的代表是張衡132年發明的地動儀?人類第一臺測震儀器，成功測到134年的隴西地震（圖1），對19世紀現代地震儀的誕生起過重要的思想啟迪作用^[1-2]。

大約在1889年以后，國際上開始稱它為“中國驗震器” （Chinese Seismoscope），并把公元132年作為人類首臺地震儀器的誕生年份載入史冊。

地動儀是一份難得的地震學教材，單刀直入，好讀好懂。通過它能學到地震波和慣性，能知曉天然驗震器，還能了解古今中外的文化交流。

1 ?地動儀的誕生

1.1 ?歷史的真實性

東漢末年，在184年黃巾起義后的40年間，歷經京師搬遷、洛陽被焚、三國混戰，造成地動儀、渾天儀和指南車等科學儀器嚴重損毀。公元220年魏文帝返回洛陽登基，取消了“登靈臺，祭天地” 的禮儀，標志著靈臺神圣地位的最后喪失，被視為地動儀失傳的時間下限^[3]。

早期研究地動儀的傳統依據是（南北朝）范曄445年的《后漢書 · 張衡傳》的196個字。新的研究表明^[4]：尚存的地動儀史料不止這一份，還有（西晉）司馬彪306年的《續漢書》，（東晉）袁宏376年的《后漢紀》，以及（南北朝）虞荔（約561年）的《鼎錄》，分散于8種古刻版中。時間提早了140年，文字增加到254個漢字。“孤證不立”之虞已經完全排除。

地動儀史料的技術部分極可能就是張衡《地動儀圖注》的佚文^[2]。它對技術的描述明顯超出一般人的知識水平，既有內部結構，又有工作過程，文字風格和用詞習慣也同張衡的《漏水轉渾天儀注》極為一致。史書的其他部分，比如隴西地震的一段故事，應該是其他史家補寫的。

張衡（78—139）在125年劉珍死后一年，卸掉公車司馬令之職，重新擔任了太史令（簡稱史官），為執掌天文、歷法、撰史的最高長官，而地動儀正是在他任史官的11年內完成的杰作（圖2），落筆《地動儀圖注》非他莫屬。

136年張衡被貶謫后，撰寫當朝史實的官員是侍中伏無忌。他自然寫不出地動儀的技術內容，反倒是詳細記載了當時的官場矛盾、張衡被冷落、上書屢遭拒、逐出京師的全過程。伏無忌的寫史工作一直持續到漢質帝146年（《后漢書 · 伏湛傳》）。這些當朝史實大都集中在《東觀漢紀》里并被后人寫史所利用，可惜流傳于今的版本《東觀漢紀校注》已經散失了絕大部分內容，找不到有關信息。

1975年，對置放地動儀的靈臺進行考古發掘^[5-6]，地動儀觀測室是在第二層平臺西側的兩大房間的北室，唯一的地面做過特殊處理的房間，兩層2×2漢尺的大方磚的鋪設顯然是為承受巨大重量，并形成了一塊10漢尺見方的堅實地基，剛剛容下“圓徑八尺”的地動儀。

1.2 ?誕生科學思想的物質基礎

張衡自111年入京任職以后，地震多有發生，但也并非人們猜想的那么嚴重^[7-8]。

到118年為止，5級以下地震不過七八次，分散于各地；6級以上強震僅4次，發生在距洛陽300 km以外的南陽、魯西和隴西地區，震后有持續1～2年的余震活動，不過4～5級的水平（圖3）。京師在這幾次地震中的烈度僅有Ⅲ⁺～Ⅳ，基本為有震感或強有感的水平，并沒有遭受過破壞性或中等強度的震害。這意味著，不能簡單地套用“洛陽房倒屋塌”來推測科學思想的誕生基礎。

張衡對地震的關注有可能始于119年。那年，張衡的老家南陽發生約6.5級地震，破壞嚴重，有感郡國的數量接近全國一半，強烈程度遠不是以前的中小震能相比的。121年，他又遇到魯西約6.5級強震^[8]，并在124年隨安帝巡訪泰山時，曾途經魯西地震的災區，親歷過當地的余震。還在125年負責處理這次地震的瘟疫。由于魯西地震的余震活動持續時間長，至少延續到128年，使他有機會看到那些重復出現的、十分敏感的現象，比如地震時分的地面搖晃、懸掛物擺動。看樣子，在他重任太史令之前的6年間，已經對地震積累了一定的感性認識。

真正改變張衡人生軌跡的，是 128 年 2 月 22 日涼州漢陽（即天水地區）6.5 級地震，京師有較強震感（圖4）。受天譴觀的影響，順帝急尋良策，欲轉禍為福，也就促成了地動儀的研制工作^[9]。

根據張衡130年《上陳事疏》的文字，他是懷著“陰陽未和，災眚屢見。天道雖遠，兇吉可見”的信心接受的任務，而且他的兩個古樸概念也有著堅實的基礎：

● 地震的位置可按方位判斷

● 地震和地裂必須加以區分

先看第一點：

古代判斷災異位置的方法是天文分野?方位占卜^[10]。“天則有列宿，地則有州域”（《史記 · 天宮書》）。天之中在璇璣，星空二十八宿劃分為八個區位，將天上九個列宿分別對應地下的九州?豫州位居中央，荊、幽、雍、冀、兗、青、徐、揚州共 8個州域圍繞中央， 一旦天象在某區出現變異，便用來預卜所相配的州郡列國的兇吉禍福（圖5）。

按《禹貢》所述，九州是大禹治水后劃分的。 “九州”就是指中國，“八方”即指所有的方向（如“八方來客、八方支援、耳聽八方”等用語）。于是在地動儀的設計上，便把地平方位也劃分成 8個等分，以龍頭指向8個分區。銅球掉下即表明這個州域有地震。同樣地，渾天儀的地平環上也要作8 區位劃分，二者的刻度劃分有著一致性。至于禍福出現在這個州的哪個具體的縣城村鎮，是不再深究的。逼急了，就瞎說一氣糊弄皇帝唄。

再看第二點：

地震和地裂需要區分開。張衡是同時代中唯一認識到這點的人，并且在文章中獨特地使用了“震裂” 一詞：

● 京師地震、土裂。裂者，威分; 震者，民憂也。 《上陳事疏》

● 自改試以來，累有妖星、震裂之。 《舉孝廉疏》

● 妖星見于上，震裂著于下。 《陽嘉二年京師地震對策》

古書中的“土裂”是與“山崩、地坼、地陷、地裂” 名詞同等使用的，性質上不同于“地震”。人員的感覺上，二者也截然不同?土裂以上下顛動為主，地震以水平搖晃為主。張衡的注意力勢必要放到懸掛物上。

人類自從有了繩子，就有了懸掛物。漢代的懸掛物非常豐富、遍及生活各角落^[11]：吊桶、吊籃、吊燈、吊繩、秋千、編鐘、編磬、懸垂、流蘇、紡線錘、吊錘、方勝，庖廚的吊肉，室內四壁懸掛的字畫，案頭筆架懸掛的毛筆，青銅的人形吊燈、提鏈吊壺，青絲穿吊的銅錢等等，還有懸鐘、懸鼓、懸磬、懸鐸等（圖6）。所有的這些常見物品有個共同點?只對水平搖晃有反應，不怕上下顛動。這個差異，正對應著地震與地裂的不同運動。

人類對自然現象的受眾度和認知性，古今中外并沒有區別^[1，4，11]。由于懸掛物對地震的敏感程度比人高，人能感覺到的最小烈度在Ⅳ度以上，而懸掛物卻能夠在烈度低至Ⅲ度、甚至Ⅱ度時就會出現搖晃反應。懸掛物一旦搖晃起來還會震蕩不停，遠遠超過地震的瞬間。加之懸掛物一般會在高于人的位置上搖晃從而造成深刻的心理恐懼，二者間反復出現的、大量的、穩定的對應關系，就會被千百萬群眾察覺：

地震發生?懸掛物搖晃

非地震活動?懸掛物不動

這點會合理地成為誕生地動儀科學思想的物質基礎。

懸掛物之所以被稱作“天然驗震器”，道理也在此。

1.3 ?地動儀的發明

“法象為器，制器尚象”一直是古代研制儀器的基本原則^[4]。

靈臺的儀器都有模仿自然現象的縮微特點。

比如測量日影的圭表、觀察水滴的漏壺、氣流擾動的風標、穹隆星空的渾象、日月運行的渾儀等，現象一旦重現，“以象驗天”的最高目的便實現了。地動儀的設計更是張衡的“有象可效，有形可度”（《靈憲》）思想的代表，它的外部造型也就帶有社會倫理的濃厚色彩，沉淀著那個時代的價值觀和審美意識。

國內外學者一直有個疑惑：懸掛物對地震的反應很微弱，雖然目視可及，但是要把它直接用到測震儀器上還是不行的。因為地震信號的頻率極低、加速度很小，導致過小的懸垂擺擺幅和動量是不足以直接推動一系列荷載的。這一點，不僅古代，即便在今天也是機械測震儀的一個技術難點。

想不到，張衡居然解決了：

中有都柱，傍行八道……，如有地動，地動搖樽，樽則振。施關發機，龍機發，即吐丸。

意即，儀器中間有個沉重的柱狀體，雖然有側向位移的自由度，但是在地震時卻沒有出現動作；唯一看到的只是樽體出現了搖晃和振蕩?地動搖樽，樽則振。

這種現象就是典型的慣性現象！物體越沉重，慣性越大、現象越明顯。

說明：地動儀的“都柱”和“樽體”之間在地震時出現了相對位移，在非慣性系統（即搖動的樽體） 中所顯現出來的都柱慣性力，就會首先施加在一個稱作“關”的輕小機構上，一但“關”被觸發撥開，就會引起“機”的動作，龍嘴便會吐“丸”。

二千年前觸發機制的辦法與今天的科學思路，完全一致。

1.4 ?地動儀的尾聲

地動儀問世后，張衡曾經多次想借助地震來改善朝綱^[1，4]。

133 年地震后他迅即上書：今既見矣，修政恐懼，則轉禍為福。134 年地動儀成功測到了隴西地震，被鑄鼎賀之，順帝召他“引在帷幄，諷議左右”。未料，受天譴觀的影響，4位高官竟“以地震策免”。

張衡頓成“木秀于林，風必摧之”的對象，眾官員認定他“終為其患，遂共讒之”，地動儀也被視為查撤高官的煞星。

136年2 月 18 日的京師地震發生在大年三十的良辰吉日，地動儀并沒有實現“轉禍為福”的預期，讓順帝不得不在大年初一發布“罪己詔”，違心地臭罵了自己一頓。隨即把張衡逐出京城，貶到貧瘠的河間為相。

137年京師洛陽又兩遇地震，138年2月22日隴西發生6?級地震，甚至在張衡去世后的143年隴西再遭7級地震，史料中再也沒有出現地動儀的任何記錄，冰冷無聲的偉大發明顯然已被官府堅決摒棄，打入冷宮。

張衡在隴西地震頻發之時，寫下了最后一篇流傳千古的文章《四愁詩》，序言的開頭如下：

時天下漸弊，郁郁不得志……我所思兮在漢陽，欲往從之隴坂長，側身西望涕沾裳。路遠莫致倚踟躕，何為懷憂心煩紆。

詩中的漢陽即今日天水地區，隴坂指隴山，表達了對隴西地震的惦念。隨后，他上書乞骸骨。139年降為尚書回京，幾個月后溘然長逝。

張衡的遺體和鑄有地動儀圖形的銅鼎被運回故里，銅鼎后來沉于白河。

漢末戰亂，地動儀失傳。

與伽利略、哥伯尼等世界巨人一樣，張衡也是在凄風苦雨中走完的人生。

2 ?科學史的地位

2.1 ?現代地震儀的發明

時間來到19世紀末年。

日本留美學者服部一三（I Hattori，1851—1929），在1875年回國之際研究了張衡地動儀，還在復原模型的四周抄錄了《后漢書》中的196個漢字，產生很大影響^?[12]。同年，英國礦物學家米爾恩（J Milne，1850—1913）應邀赴日（圖7），他借機徒步穿越了歐亞大陸，訪問了中國的京津滬和大運河，接觸到了底蘊悠久的中國文化^[13]。1876年到達日本的當夜便感到了地震，當他知道中國古代有過一個奇妙發明，曾經測到很遠處的地震，自1879年便轉到對張衡和地震學的研究上。

1880年日本成立世界第一個地震學會，米爾恩在成立大會上談到了張衡^[13]：

如果制作一個凡有振動（不管是不是地震）都能有反應的報警器（Alarm），那將是非常簡單而容易實現的，比如放個圓球、豎個直立桿、置放傾倒物體等等，但是毫無測震價值。而張衡地動儀等一些特殊裝置則完全不同，是一種只對地震有反應、不怕其他類型振動的特殊裝置。

于是，他建議使用一個新名詞?驗震器（Seismoscope）以區別于報警器。下一步研究的方向應該是從驗震器走向地震儀（Seismograph），以便記錄下來地面運動的全過程。

1883年，米爾恩出版了世界最早的地震學專著^[14-15]，率先把《后漢書》中地動儀的196個漢字翻譯成英文介紹到西方，他甚至把“中有都柱”這4個中國古文直譯成：儀器中央有一個被懸掛著的柱體。還特別說明人類的第一架地震儀器是中國人張衡發明的。明確指出：

張衡地動儀的價值決不僅僅在于它是一個古老的發明，更重要的在于，它竟以極其相近的思路留給了現今時代的科學儀器許多有意義的啟迪。

1889年4月17日，德國青年帕什維茨（E.von Rebeur-Paschwitz）在波茨坦天文臺偶然記錄到了日本熊本的一次6.3級地震。受到鼓舞的米爾恩，立刻對德國的Z?llner 水平擺進行改造，設計了一種全新結構?把支點安置在水平方向上，采用硬擺桿、吊絲提拉重錘等措施，于1894年發明了世界上第一部現代地震儀。

米爾恩1895年回到英國后，組建了全球第一個地震臺網和地震數據中心^[15]， 成為舉世公認的現代地震學的奠基人。 他的好朋友俄國伽里津（B B Galitzin，1862—1916，圖8），在1906年研制出了電磁地震儀，現代地震學從此起步。

中山陵的設計者、留美學者呂彥直（1894—1929）于1917年把這一信息傳至國內，翁文灝先生（1889—1971）在1920年后對地動儀做了大力宣傳，國人得知，大喜過望。

只可惜，那時的中國連一架現代地震儀都沒有，更談不上對張衡地動儀的任何研究。

2.2 ?現代地震儀的作用

今天，地震儀已經愈發被社會所重視，原因在于地球的特殊性。

我們生活在地球上，但駕馭不了它！如果搞不清地球內部的結構、物性和動力學信息，人們就不清楚何處有礦產資源可資利用，也不知道火山、地震、海嘯等一系列災害的全過程，更確定不了地下工程、水文地質和地面沉降等的安全性，甚至連城鎮規劃都不知道應該向何處發展……一句話，人類在地球上的生活不能處于愚昧無知、聽天由命的狀態。

地球半徑為6380 km，最上層的巖石圈厚約100～300 km，而石油鉆井的最大深度是10 km，不過是表皮的一孔之見。地震波則不然，它是唯一的能夠穿透地球內核的探測手段。除卻地磁場、重力場的信息外，地球內部的各類參數和結構主要是從地震波的信息中提煉出來的，它是照亮地球內部的明燈、檢查身體內臟的探針。

3 ?地動儀的科學復原

3.1 ?科學復原的意義

如牛頓所說，自然界是不會把真相呈現出來的。因此世上所有的創新發明，都具有樸素、簡潔地揭示出自然規律的特點，這是大自然最底層的信息，也是最本質、最有價值的東西。

比如電磁感應、放射性、遺傳基因、萬有引力、元素周期……至于它們是被發現于古代還是現代，生物學的還是物理學的，并沒有什么區別，那不過是載體的不同而已。創新越原始，道理越簡單。上帝茅屋的這張窗戶紙一旦被捅破，普羅大眾就能掌握，就能一瀉千里的發展起無窮的新技術，造福人類。諾貝爾獎看重的，僅此。

對地動儀做科學復原，就是去捅窗戶紙。

張衡的偉大在于，當人類在地震面前只能被動挨打之時，他第一個站了出來，找到了科學的武器。第二，也是最重要的，他開創了一個“在運動系統當中測量自身運動”的科學途徑?利用慣性，以及實現它的技術途徑?觸發機構。地動儀能夠對波動過程進行動力學觀測，其科學水平便遠遠超過了同時代的、所有的以靜態測量為基礎的儀器，比如渾天儀、漏壺、風標、表、日晷等，以至于到了19世紀末，人們欲繼續前進就必須也只能先向張衡學習。

前些年，美國小學的宣傳畫冊里介紹了世界上16 位最偉大的科學家，能與伽利略、牛頓、居里夫人和愛因斯坦等齊名的中國人，張衡是唯一的。

一百多年來，地動儀始終是國際上反復研究的課題之一，日、英、美、捷克和荷蘭都提出過他們各自的地動儀復原模型，國內的模型至少有12種，由于都沒經過（或通過）地震學的嚴格檢驗，還沒有達到被學術界普遍認可的地步。

對此，我國對地動儀的科學復原十分重視，中央在2003年10月有過明確指示^[4]：

地動儀是中國古代科技的典范。要組織專家作些研究，把工作的原理直觀展演出來，充分發揮文物啟迪智慧、普及歷史科學知識、開展愛國主義教育的重要作用。讓群眾通過“仿真”實物感受到祖國歷史上的科技成就，增強人們的民族自豪感。

隨后，中國地震局、國家文物局、國家自然科學基金會組織了《地動儀科學復原》課題，來自國內9個學術機構的歷史、考古、地震、機械、美術學的35位專家投入了研究。

對失傳的儀器進行復原，史料文獻是關鍵。新利用的史料已經擴展到8種古刻版，文字量從196個字增加到254個字，但史書畢竟不是科學論文，嚴謹性和排他性都有限。只能先提出概念模型，再經地震學專業實驗的反復檢驗和修改，才可能得到科學復原模型。它不是歷史原物，也不代表終極的結論，只是反映著現今時代對歷史的最佳逼近和認識，還會隨著資料的豐富不斷深化。

新模型于2008年定型，整個研究工作歷時10年。先后通過了河南省政府和國家文物局組織的多學科專家組的鑒定和驗收。評價為：

新的地動儀模型對實際地震事件具有良好反應，邁出了從概念模型到科學儀器復原的關鍵性一步。新的研究突破了古代科學儀器復原的傳統模式，是一次重大的跨越，反映了我國當代的優秀研究水平。

2019年，國家教材委員會專家委員會通過了對新模型的審核，正式納入小學教科書（圖11）。目前，美國、英國、日本、法國以及中國香港、澳門和臺灣地區不僅已采用，還做了多種形式的宣傳介紹，法國和中國香港地區還為新模型發行了紀念郵票。

3.2 ?考古依據和科學實驗

3.2.1 ?確定尺寸，量化模型

史書有：圓徑八尺，形似酒樽。

全國各地共有86支出土的東漢尺，其中鳥獸紋銅尺15支，幾何紋銅尺22支，骨牙和牙尺25支，以及民間的玉尺、竹尺和木尺。其中銅尺和骨尺的精度最高、變形最小（圖12），其23.34 cm的平均值可取作東漢1尺的標準，故而地動儀的“圓徑八尺”應為1.87 m。

漢代酒樽的形制是考古學界在2005年前后才有定論的。全國迄今出土了12件實物（圖13）。按照圓徑1.87 m基準值做統一歸算后，便能推算出地動儀的一些重要參數：

● 地動儀總高度：～2.6 m；

● 地動儀的總重量：<3 t，滿足了靈臺地基的承載力水平；

● 懸垂都柱的固有周期：2.4～3.0 s，落在隴西地震波的優勢頻段內，共振有利于檢測；

● 龍首高度：～1.8 m；

● 銅丸掉落歷時：～0.45 s。地震時，銅丸的下落軌跡應該是直落狀而非水平拋物。故而蟾蜍是尊體器足，與史料記載和出土文物一致。

3.2.2 ?確定工作原理和內部結構

史書還有：地震隴西，地不覺動；尋其方面，乃知震之所在。

隴西距洛陽的震中距約400 km，古文所述的地震波現象必為瑞利面波，絕無其他震相的可能。而能夠在水平面上持有8個方向自由度的慣性柱狀物體只有兩種可能：或簡單的直立狀，或懸掛狀^[17-18]。

直立桿既要有很強的抗干擾能力（對非地震振動不出現反應），還要有極高的靈敏度。比如隴西地震在洛陽的地面位移量約為2～4 mm、加速度 <1 Gal，要測到如此微弱的信號，直立桿就必須極其不穩定，其高度/與直徑的理論比值至少要達到1225^[19]，這就違背了“都柱”的沉重、粗大的基本含義，也不符合歷史文物的特點。梁思成指出^[20]：

漢代柱子的特征是肥短而收殺急，高徑比僅為1.4～3.4，較為修長者，其高可及徑之五六倍（圖14）。

為了確認地動儀“都柱”的狀態，國內外做過大量實驗。最具代表性的是米爾恩140年前的結論：

● 1883年，我們對于不同尺寸的直立竿原理已做過大量實驗，但無論就其對震動強度還是傾倒方向的反應而言，直立竿基本上都給不出什么可信的東西^{?[14 ]}；

● 1898年，我們在日本對直立竿做過大量的對比實驗，柱狀體呈方截面、圓柱形、錐形和其他的一些形狀。但實驗結果證明，此類結構毫無意義。粗桿會倒向所有方向；細竿又極難或者無法豎立^{?[ 15 ]}。

最后結論是：

對測震來說，懸垂擺是最精確的結構。

為此，米爾恩還仿照張衡地動儀的懸垂擺原理，制作了一臺原始性的懸垂擺地震儀，懸線長達6.4 m，固有周期5 s，擺錘重25 kg，下部用杠桿放大，再用筆繪制痕跡。

關于地動儀的內部結構，則以《續漢書》中記載為準：都柱、關、八道、龍機、銅丸，共5部分。復原的任務是合理地把它們組合起來。感興趣的讀者建議閱讀此兩本專著^[4，21]。

3.2.3 ?科學實驗

自然規律具有可重復性和穩定性。以洛陽地震臺對3次現代隴西地震的記錄圖為例^[4]（圖15），時間相隔10年，震級和振幅都不同，釋放的能量相差千余倍，但其震相、走時、偏振、衰減、頻率等基本規律沒有改變。

據此，可以從地震學理論上算出134年隴西地震基本參數的數量級^[22]，繼而在實驗室的振動臺上進行復現，再補充利用汶川、唐山等地震的真實地震記錄圖做模擬檢驗。經2200多次地震學的嚴格測試，結果表明：新的地動儀復原模型在抗干擾性、測震靈敏度和反應方位上都具有良好的性能，符合史料記載的現象。

3.2.4 ?外形復原

早期的由歷史博物館設計的造型已經流行，是否還需要花大力氣重新復原呢？2008年，國家文物局的專家公布了他們的明確意見^[5]：

目前中國最流行的王振鐸1951年復原的地動儀模型，不僅工作原理和內部結構不對，其外形也是錯誤的。這個外形既不符合中國古代文獻記載，也不符合考古發現的漢代文物，更被靈臺遺址的考古發掘結果所否定。總之，這個模型的外形從根本上、從總體上來說都是不對的。重新復原已是不可阻檔的歷史潮流。今天如果我們堅持不改，拖延下去將會有損于中國古代文化乃至今天中國的形象。

通過藝術家和多學科同事們的努力和專業鑒定會，新復原模型的造型已經于2009年首展于中國科技館（圖16）。

3.3 ?地動儀的工作過程

地震時，沉重的都柱會因慣性繼續保持靜止，尊體與都柱間便出現了相對的側向位移。于是，唯一的小關球會被都柱扒拉掉，滾動的方向取決于地面震動的方向。繼而撞擊了龍機，出現“一龍發機，而七首不動”現象。杠桿的轉動導致銅丸吐出，發出響聲，人們得知（圖17）。

非地震時，地面以垂直方向的顫動為主，懸掛都柱與尊體間沒有相對位移，故而地動儀不會吐丸。

4 ?反思

有個問題常被人們提起：中國最早發明了地動儀、指南針和火藥，卻在現代地震學、地磁學、化學領域落了后，原因何在？

方成漫畫似可作答（圖18）：東西方科學研究的觀念不同，我們存在軟肋！

我們的歷史驕傲是什么？?張衡地動儀和四大發明?實用性科技成果，是東方幾千年實用性科研道路的代表。基于實用的經驗總結，著眼于功能的辨證解釋。在科學發展的早期會較快地取得成果，但缺乏理性認識的基礎，發展空間狹窄。

西方的歷史驕傲是什么？?阿基米德的浮力定律、歐幾里得的幾何原本、牛頓的理論力學?理性科研的成果。以追求自然規律和理論架構為目標的科研道路，基于邏輯推理和實驗檢驗，早期發展緩慢，但后勁大。

二者都是認識客觀世界的合理選擇，也都取得過杰出的成就，彼此都不能簡單地取代。

差距的加大是在中世紀，特別是工業化革命之后的明清時代。原因非常多，其中之一是實用性的研究難以滿足現代生產力的要求。這個問題，微積分奠基人之一的萊布尼茲（G W Leibniz）在1697年的《中國近事》中已經指出^[23]。愛因斯坦（A Einstein）在1953年給朋友斯威策（J S Switzer）的回信里亦持同樣觀點^?[24-25]：

西方科學的發展是以兩個偉大的成就為基礎，那就是：希臘哲學家發明的形式邏輯系統（在歐幾里得幾何學中），以及（文藝復興時期）發現的通過系統的實驗有可能找出因果關系。在我看來，中國的先賢沒有邁出這兩步。

他們的分析提醒了我們，對中國科學研究的弱點不可以用抽象的“博大精深”來掩蓋現實的差距。

同諸多經典自然學科相比，目前地震學科的歷史坐標尚定位在幼年或少年階段。還只能用這個歷史階段所允許的“語言和能力”來行動，甚至還不得不采取一些原始的、笨拙的辦法應對地震，這當然不是我們樂見的自由王國。地震科學的奮斗目標，是發展理性的、基于物理架構的途徑，遵循科學發展的自身邏輯和規律性而前進。

當下的某些科學問題政治化、學術問題行政化、追求顯示度的短視做法，完全不可取。

兩次“科學的春天”成績斐然，一次是“百家爭鳴，百花齊放”；一次是“走出去，請進來”。歷史從來不會走遠，春風化雨會有時。

張衡笑迎后生來，千言難盡多磨難。

九州平安迎春風，四愁消散放異彩。

參考文獻

• 馮銳，李先登，田凱，等. 張衡地動儀的發明、失傳與歷史繼承[J]. 中原文物，2010（1）：88-98 ???Feng R，Li X D，Tian K，et al. On invention，loss and historical inheritance of Zhang Hengs seismometer[J]. Cultural Relics of Central China，2010（1）：88-98
• 馮銳. 科學，激活了張衡地動儀[J]. 物理，2009，38（7）：476-488 ???Feng R. Science brings back Zhang Hengs seismometer to life[J]. Physics，2009，38（7）：476-488
• 武玉霞，朱濤. 張衡地動儀的失傳[J]. 中國地震，2007，23（1）：93-103 ???Wu Y X，Zhu T. Lost of Zhang Hengs seismoscope[J]. Earthquake Research in China，2007，23（1）：93-103
• 馮銳. 張衡地動儀[M]. 北京：地震出版社，2019 ???Feng R. Zhang Hengs seismoscope[M]. Beijing：Seismological Press，2019
• 李先登. 張衡地動儀的外形需要重新復原[J]. 地震地磁觀測與研究，2008，29（2）：50-54 ???Li X D. Reconstruction of the external form of Zhang Hengs seismoscope[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2008，29（2）：50-54
• 馮銳. 地動儀的歷史真實和科學價值[J]. 現代物理知識，2011，23（1）：59-63 ???Feng R. The historical truth and scientific significance of Zhang Hengs seismoscope[J]. Modern Physics，2011，23（1）：59-63
• 席境憶. 東漢時期的地震記錄及其時空分布[J]. 防災科技學院學報，2019，21（3）：90-95 ???Xi J Y. Records and temporal-spatial distribution of earthquakes in the Eastern Han Dynasty[J]. Journal of Institute of Disaster Prevention，2019，21（3）：90-95
• 馮銳，俞言祥. 東漢早期的地震活動[J]. 地震學報，2013，35（6）：923-934 ???Feng R，Yu Y X. Research on the earthquakes in early Eastern Han Dynasty[J]. Acta Seismologica Sinica，2013，35（6）：923-934
• 王惠苑. 對張衡地動儀功能的幾點思考[J]. 河南社會科學，2009，17（3）：128-130 ???Wang H Y. Several consideration for Zhang Hengs seismoscope[J]. Henan Social Sciences，2009，17（3）：128-130
• 馮時. 中國天文考古學[M]. 北京：社會科學文獻出版社，2001 ???Feng S. Archaeoastronomy in China[M]. Beijing：Social Sciences Academic Press，2001
• 馮銳，武玉霞. 張衡地動儀的誕生[J]. 中國地震，2013，29（2）：179-197 ???Feng R，Wu Y X. The birth of Zhang Hengs seismoscope[J]. Earthquake Research in China，2013，29（2）：179-197
• 萩原尊禮. 地震學百年[M]. 東京：東京大學出版會，1982 ???Hagiwara S. Seismology in a hundred years[M]. Tokyo：The University of Tokyo Press，1982
• Herbert-Gustar L K，Nott P A. John Milne：Father of modern seismology[M]. Tenterden：Paul Norbury Publications Ltd，1980：1-90 ???
• Milne J. Earthquakes and other earth movements[M]. London：Kegan Paul Trench，Trubner and Co Ltd，1883 ???
• Milne J. Seismology[M]. London：Kegan Paul Trench，Trubner and Co Ltd，1898 ???
• Professor John Milne was the ‘father of earthquake science[EB/OL]. [2023-12-01]. https//iwhiddenheroes.org.uk/professor-john-milne-1850-1913 ???
• 馮銳，武玉霞. 張衡候風地動儀的原理復原研究[J]. 中國地震，2003，19（4）：358-376 ???Feng R，Wu Y X. Reconstruction of mechanical principles of the Zhang Hengs seismoscope[J]. Earthquake Research in China，2003，19（4）：358-376
• 馮銳. 地動儀研究中的五個地震學基本概念[J]. 中國地震，2016，32（4）：571-583 ???Feng R. Five seismological basic concepts in research on the Zhang Hengs seismoscope[J]. Earthquake Research in China，2016，32（4）：571-583
• 關野雄. 張衡の候風地動儀における都柱の?原[C]//東方學會創立二十五周年記念東方學?集. 東京：東方學會，1972：433-449 ???Sekino T. The restoration of the capital pillar in Zhang Hengs seismoscope[C]//Commemorative proceedings of the 25th anniversary of the founding of the Oriental Society. Tokyo： Oriental Society，1972：433-449
• 梁思成. 中國建筑史[M]. 天津：百花文藝出版社，2005 ???Liang S C. History of Chinese architecture[M]. Tianjin：Baihua Literature and Art Publishing House，2005
• 孫機. 漢代物質文化資料圖說[M]. 北京：文物出版社，1991 ???Sun J. The material culture of the Han Dynasty by illustration[M]. Beijing：Cultural Relics Press，1991
• 馮銳，俞言祥. 張衡地動儀與公元134年隴西地震[J]. 地震學報，2006，28（6）：654-668 ???Feng R，Yu Y X. Zhang Hengs seismometer and Longxi earthquake of 134 AD[J]. Acta Seismologica Sinica，2006，28（6）：654-668
• 王小甫，范恩實，寧永娟. 古代中外文化交流史[M]. 北京：高等教育出版社，2006 ???Wang X F，Fan E S，Ning Y J. History of cultural exchange between China and foreign countries in ancient times[M]. Beijing：Higher Education Press，2006
• 阿爾伯特 · 愛因斯坦. 愛因斯坦文集（第一卷）[M]. 許良英，范岱年，譯. 北京：商務印書館，1976：574 ???Einstein A. Collected works of Albert Einstein （Vol. I）[M]. Xu L Y，Fan D N，trans. Beijing：The Commercial Press，1976：574
• 席澤宗. 歐幾里得《幾何原本》的中譯及其意義[J]. 科學文化評論，2008，5（2）：71-76 ???Xi Z Z. The Chinese translation of Euclids origin of geometry and its significance[J]. Science & Culture Review，2008，5（2）：71-76

Eastern Han： A great invention of Zhang Hengs seismoscope

Feng Rui^*

China Earthquake Networks Center， Beijing 100045， China

[Abstract] ?The Eastern Han Dynasty was a period of rapid development in science， technology and culture. The invention of Zhang Hengs seismoscope is the most outstanding. The historical authenticity of the seismoscope， the material basis for the birth of scientific ideas， and the scientific contributions of Zhang Heng are briefly introduced. The seismoscope was an important intellectual inspiration for the creation of modern seismographs in the 19th century. The purpose of restoration research is to clarify the principles and structures of the seismoscope， to stimulate ideas and to contribute to the popularization of earthquake science. A presentation was made on the archaeological basis and scientific experimentation of the scientific restoration model.

[Keywords] Zhang Heng; seismoscope; working principle; scientific restoration