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地动仪的历史真实和科学价值

一、地动仪的历史真实性

(1)史料记载不是孤证

范晔公元432年开始撰《后汉书》,历时13年完成,其中的《张衡传》196个字一直是介绍地动仪的经典依据。

从东汉末年至范书之前的320余年间,东汉史书共有13部,迄今有幸留下的完整或不完整的史书共9部,其中另外记有地动仪文字的是西晋司马彪公元306年的《续汉书》,东晋袁宏376年的《后汉纪》以及范晔《后汉书•顺帝纪》。《续汉书》的时间提早了140年,文字量增加到238个字。相比之下,技术内容更加准确和丰富的是《后汉纪》。后来,又在南北朝(陈)虞荔(-561年)的《鼎录》中发现了有关地动仪的16个字。上述共254个汉字。

(2)考古结果有旁证

张衡地动仪置于京师洛阳城南2里的灵台进行观测。中国社会科学院考古所于1975年对灵台地基进行了考古发掘。地动仪置放在灵台西侧的第二层平台的两间观测室的北间,室内长10m宽2.2m,高出地面2m,该房间的地面处理很特殊,是灵台唯一的铺设了两层2x 2汉尺大方砖的地面,属稳定承载地动仪所需。房间宽度不到九汉尺,仅容“圆径八尺”的地动仪,故蟾蜍只能为器足。此外,史书还清楚地记载下来,灵台的编制共42人,实施6项观测:“十四人候星,二人候日,三人候风,十二人候气......”。不知道“候风地动仪”的项目是否属于三位“候风”者之责,抑或兼顾的任务。

史载仪器“形似酒尊,其盖穹隆,饰以篆文、山龟鸟兽之形...... ,下有蟾蜍承之。”我国自1962年后出土了几十件汉代酒尊,有的还镌刻着“酒尊”二字的铭文,故其基本形制在1991年以后已经定论。共分三种类型,其中的温酒樽11件恰恰都具有穹隆状顶盖、下有器足承托、表面有山龟鸟兽的纹饰,几乎活脱脱地展现出了史书对张衡地动仪的描述。从物理学上看,这种造型上小下大,无需任何改动就已经非常适合于悬垂摆工作了,稳定性也十分好。


二、地动仪的复原工作

地震与非地震运动的关键性差异:非地震运动以微弱的垂直向“颤抖、颠动为主”,地震波却以强烈的水平向“摇动、晃荡为主”。迄今,人类只发现了两种天然结构可用于验震:悬挂物和液体表面。“不是地震它不动,只有地震它才晃”,灵敏度远远高于人。

张衡地动仪正是采取了悬挂“都柱”的办法,利用物体惯性去测震。我们从史料对地震的描述“地摇京师”、地动仪的“柱关道机丸”结构、以及“地动摇尊,尊则振,龙机发,吐丸”的反应次序等等,可以判定地动仪确实是为检测地震而设计的仪器,结构简单合理。一旦发生地震,会像所有的悬挂物一样自然地摇晃,只是更加灵敏和稳定。

地动仪验震思想的出现并非空穴来风,是对客观现象的质朴模仿。东汉时代,人们日常生活中存在大量的悬挂物,如吊锤、编磬、编钟、吊篮和悬挂的字画等;那时的社会还有好居高楼的遗风余韵,三、四层楼房很普遍。于是地震时高层建筑的结构放大响应会使所有悬挂物的摇晃、摆动、震荡更加明显和持久,从而被人们注意到它们与地震之间的稳定对应关系,成为诞生科学思想的物质基础。

(1)早期复原工作

首先肯定地动仪价值的源自海外,1875年首届日本地震学会会长服部一三绘制地动仪复原模型,其中蟾蜍被设计成四面散开状,为后人长期效仿。1883年,现代地震学之父——英国人约翰•米尔恩第一个向世界介绍了地动仪:“人类第一架地震仪器是中国人张衡发明的”,特别对陇西地震的成功测震予以翻译介绍。他深入研究了地动仪,并为这类特殊的仪器起了个英文名词:Seismoscope(验震器)。

(2)第一次复原工作

中国对地动仪的复原研究是王振铎于1936年开始的。1951年,王振铎按照悬垂摆原理绘制了他的地动仪复原模型。但该模型在国内外的学术界引发出一个争论:地动仪除需符合历史记载外,还应具备两个基本功能:(1)非地震干扰则不应,(2)地震则应。经国内外的学界论证:1951年版模型无“验震”这一实质性功能。国外学术界很早就发现了这个错误,特别是1969年后发表了一系列批评文章,考古学、历史学和地震学的严肃学术期刊也从不引用该模型。

(3)第二次复原工作

2003年在国家文物局及有关部门的支持下,一个由历史、考古、文物、地震、机械、美术、铸造等科研人员组成的工作团队开始了复原工作。地动仪是地震学的一个专业仪器,仅对史料作文字解读(即训诂)远远不够,必须完成地震学的专业解读才能理解深层的技术内涵。新的研究中有个自律原则:严谨地对比不同古籍文字,对技术部分(包括对陇西地震的反应)的每一个字和每个字的排列顺序都不能动。

专业解读的结果是,其中的5条内容具有明确的地震学意义,并可以推算出3个限制性参数。这些内容涉及到地动仪的几何尺寸、内部结构的(柱、关、道、机、丸)五部分、对地震波的水平响应和机械牵动次序、与地震的关系、实际测震的反应效果。所推算出的3个限制性参数分别是:仪器外径和通高分别为2-3米;地面位移量2-4毫米;陇西地震6.5-7.0级,震中距500—700km,洛阳的烈度为Ⅲ+—Ⅳ,加速度约1gal。这些内容已经涉及到了测震学上的特殊细节,多项参数彼此吻合,能够与现代地震学的理论与观测事实符合。这说明,史料文字客观地、准确地记载了仪器的内部结构,如实地写清了所发生的现象。

最后确定了符合史料记载、满足汉代制造工艺、测震灵敏度极高的简单结构。地动仪的测震过程:置于底部锥形台尖上的小关铜球极其不稳定,但又完全被十分稳定的悬挂都柱控制住。当地面静止或垂直运动时,小关铜球不会脱出。但在地震波水平运动的作用下,都柱与尊体间会出现微小相对位移,于是小关铜球迅即脱落,撞击龙机,出现“一龙发机,而七首不动”的现象。

当然,地动仪仅是验震器,对地震测定是有局限的。最常见的误解有:“哪地震往哪掉球”,“能测震中”。正确的解读应该是:小球掉落在地震的方位上(即,在震中距很大的前提下,可以指向地震,但也有背向的情况),史料文字正是“寻其方面”并没有说“寻其方向”。细读史料后有理由相信,张衡本人同样也是只知道地震而不知道震中的,也是在被“京师学者咸怪其无征”的“数日”责问后才从驿报中得知发生于陇西的。

(4)地动仪失传的原因

汉代,地震被认为是苍天对皇帝失当的惩诫和警示。因此地震的发生紧紧地把百姓的安危和政权的稳定连在一起。社会需要一种仪器,能对天地合一的灾异实现神圣的知晓、明示和解脱,为国事占卜凶吉。

古代的“天诫观”成就了地动仪,也毁了地动仪。公元132年地动仪问世后,张衡四次上书,三次都借“上天惩诫”之凶兆议论朝纲,迫使顺帝在公元133年京师地震后的次日首次下罪已诏,并且连续两年以地震免掉了四位高官。张衡和地动仪被迁怒,成众臣共讨伐和谴责的对象。东汉末年,中国社会极不稳定,从190年董卓大火焚烧洛阳、破坏灵台、毁铜铸钱开始,京师国都屡遭搬迁,贵重器物大量丢失损坏,黄河流域成为一片无人的荒原,地动仪大体失传于此时。


三、地动仪的科学价值和历史作用

张衡地动仪的伟大在于:

(1)在人类面对地震灾害只能被动挨打之时,他第一个站出来采取科学仪器的办法实施观测和研究,从此人类手中才第一次有了工具,能够站立在灾害面前,第一次认识到脚下的地动和地震的源发地是有一定距离、并与晃动方向有某种关系的。隐喻了“震中、震中距、波动偏振面”的原始概念。

(2)最重要的是,他开创了一个“如何在运动系统当中测量自身运动”的科学途径——利用惯性,以及实现这种测量所需的触发机构——“施关发机”。虽然他同所有的伟大创新者一样,并不会在一开始就完全理解其中的机理,但是他实践了,成功了。他的科学实践,实际上是在对波动过程进行着动力学的观测,因此其科学水平就远远超过了同时代的所有的以静态测量为基准的仪器(比如表、浑天仪、漏壶等),以至于到了18世纪、19世纪上半叶,在全世界还找不到任何一台测震仪器(包括水银验震器)能够与之相比。

受到历史和科学发展的局限,中国的先人们一直到了19世纪末仍然没有意识到张衡发明的深刻意义。从南宋的周密、清朝的何琇到1833年的阮元,“余终不信有其事”的痼疾就像吸了鸦片一般摆脱不掉。读一读史,便会看到有多少个“NO”传染到今天。

就在国人愚钝的同时,处于工业化革命的海外学者却在努力地研究着张衡:1875年日本人服部一三按照《后汉书》196个汉字首先绘制了复原图;同在日本的英国人米尔恩又把这些汉字逐一地翻译成英文去理解;米尔恩在1880-1883年间对地动仪的潜心研究,使他确信张衡利用了悬垂摆原理,指出:“张衡地动仪的价值决不仅仅在于它是一个古老的发明,更重要的在于,它竟以极其相近的思路留给了现今时代的科学仪器以许多有意义的启迪。”在历经52种模拟试验后,米尔恩将张衡的惯性测量思想从悬垂摆结构逐渐演绎、转化、发展成水平摆,终于1894年发明了现代地震仪,随后便布设全球地震台网,实现了现代地震学的飞跃。他于1897年在台湾台北架设了日本本土外的第一台仪器,至今还珍贵保存于台湾国立自然博物馆。全球现代地震学的历史也就从1900年算起。看看今天所有的天然测震、工业测振、月球和海底测震,甚至于老人身上携带的“计步器”,无一例外的全部是张衡科学发明的后续衍生而已。

国人的历史课终于在1917年补上,中山陵的设计者吕彦直绘制了张衡地动仪外观图。1931年9月为纪念我国自行建设的第一个地震台——北京鹫峰地震台的建立,地质调查所所长翁文灏先生题诗“地动陇西起,长安觉已先。微波千里发,消息一机传。”李善邦有“东汉张衡作地震仪,开科学之先河,绘其图,呈请翁文灏先生题句,置之鹫峰,以誌景仰”悬挂在地震台内。11年后,李善邦研制出了中国第一台地震仪。中国的地震科研工作在急步地追赶国际先进水平。

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