張衡地動儀的歷史原貌和現實之爭

在中國歷史博物館，擺放著一件古代的神秘儀器——地動儀。傳說有一天，趴在儀器上的八條巨龍，突然受到大地的振動，龍口內所含銅丸，突然掉落。數日后快馬來報，龍頭所指方向，天崩地裂。然而，這個流傳了1800年的神奇傳說，卻遭到現代科技界的質疑。奧地利學者Leopold Lee在《Zhangheng，Science and Religion》一書中對張衡地動儀的科學性和張衡對地震學的貢獻進行了全盤否定，書中談到，中國人把這個張衡看成國粹，完完全全是一種民族的想往，不是一種完美的現實。一石激起千層浪，一時間人們紛紛對張衡地動儀的科學性和真實性進行探討，那么張衡地動儀究盡是真是假呢？

1 歷史上的張衡和現實中的地動儀

張衡（公元78~139），東漢文學家、科學家，字平子，南陽西鄂，今河南南陽市臣龍區石橋鎮人。家為著名大姓，其祖父曾任蜀郡太守，張衡17歲時游學三輔，后來到京都洛陽，就教于太學，“通《五經》，貴六藝”。張衡連續做了6年的太史令，一直到安帝建成興元年（公元121年）。除了天文學以外，他還在數學、物理和機械制造等方面下了很大的苦功，數學名著《算罔論》及他制造的計里鼓車，指南車等等，都是在張衡就任公車司馬令時苦心鉆研的結果。

據《后漢書#8226;張衡》記載，地動儀是用青銅鑄成的，形狀很像一個大酒樽，圓徑有8尺。儀器的頂上有凸起的蓋子，儀器的表面刻有各種篆文、山、龜、鳥獸等花紋。儀器的周圍鑲著8條龍，龍頭是朝東、南、西、北、東北、東南、西北、西南8個方向排列的，每個龍嘴里都含有著一枚銅球。每個龍頭的正下方蹲著一只銅鑄的蟾蜍，蟾蜍對準龍嘴張開嘴巴，像等候吞食食物一樣。無論哪個地方發生了地震，傳來地震的震波，哪個方向龍嘴里的銅球就會滾出來，落到下面的蟾蜍嘴里，發出激揚的響聲。看守地動儀的人聽到聲音來檢視地動儀，看哪個方向龍嘴里的銅球落入蟾蜍嘴里了，就可以斷定地震發生的時間和方向。這樣一方面可以記錄下準確的地震材料；同時也可以沿地震的方向，尋找受災地區，做一些搶救工作，以減少損失。然而《后漢書#8226;張衡》對地動儀的描述總共只用了196個漢字且都是外在的描述，張衡本人又沒留下任何技術資料或傳授他人，此后由于種種原因地動儀失傳了，成了千古之迷。

在博物館和中學歷史教科書中所看到的地動儀，是考古學家王振鐸根據《后漢書#8226;張衡》記載在1951年復原并制造的“張衡地動儀”模型（圖1），由于民族自豪感的使然，在教育、科技、文化領域里，張衡的輝煌就等同于中國的輝煌，沖擊著每一個人，也震憾了世界。于是數以億計的中國人，便毫不猶豫的把這一模型認定為1800年前張衡親手制造的。然而，據報道在1976年的唐山大地震中，近在咫尺的“張衡地動儀”卻沒有任何反應，相反有人用腳在“張衡地動儀”旁用力剁動，龍珠才會吐出，就是這個“張衡地動儀”模型卻忽悠了我們半個多世紀。

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2 震動原理與“張衡地動儀的”模型

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地震發生時就會從振源傳出縱波與橫波，橫波振動方向與波前進方向垂直，而縱波振動方向與傳播方向一致。在震中地區，地震波直接入射地面，橫波表現為左右搖晃，縱波表現為上下跳動，縱波傳播速度比橫波快。橫波振幅比縱波大，破壞力大，橫波的水平晃動力是造成建筑物破壞的主要原因，因此如果是在陸地上，會先上下搖晃，因為水不能傳播橫波。

在王振鐸所復原的“張衡地動儀”的橫型的內部，是用一根直立的棍子作為地動儀的“都柱”①。地震來時，靠棍子的隨機傾倒觸發機關吐丸，但是人和動物的走動、關門的動作以及車的運行所造成的振動也都有可能造成棍子的隨機傾倒觸發機關吐丸，因而無法區別是否真的發生了地震。

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地震學家馮銳仔細論證了“直立的棍子”作為都柱的模型可行性，他的結論是：“這個棍子得很細，越細越好，越細越高，就越靈敏，其高度和直徑之比為1225：1才能達到人沒有感覺動，儀器卻有反應，什么意思呢？這就相當于這個柱子兩米高，而直徑只有1.5毫米才行”。為什么說要達到這樣細呢？這是因為在后漢書中記錄了地震的強度是“一龍激發，而地不覺動”，要做到這樣的靈敏程度，這根“直立的棍子”必需要達到這樣的高度和直徑之比。

然而這么細的“直立棍子”根本沒有足夠的能量，觸發巨龍吐丸，甚至可能連自己站穩都無法做到。看來“張衡地動儀”犯了致命的原理錯誤，是張衡錯了嗎？事實真是這樣的嗎？地震學家馮銳解釋說還有另外一種可能，即自己對張衡地動儀的看法及外界的對它的否定，都是針對流傳最廣的王振鐸的“張衡地動儀”模型。那么這種模型錯在那里呢？原來，王振鐸的“直立的棍子”作為地動儀的“都柱”理論出自日本人艸秋原那里，也就是說并非是張衡當初的真實模型。

3 現代科技復原古代“神器”

由于王振鐸是考古學家，地震知識有限，因此錯誤地選擇了“倒立棍”作為地動儀的“都柱”。地震學家馮銳查閱了許多資料并仔細論證了張衡地動儀的內部結構（圖3）最終得出結論：《后漢書》中提到張衡地動儀“內有都柱”不應該是“倒立柱”，而應當是“懸垂柱”。馮銳解釋說我們看那個《后漢書》有一段講到“如有地動，尊則振，龍機發，吐丸”，這個過程是符合懸垂工作原理的，即地動在先、然后樽振、續而機發、吐丸。 這是一套有著先后順序的機械連鎖動作。四者有著一環緊扣一環的聯動因果關系，這就證明“懸垂柱”是張衡地動儀工作原理。

如果《后漢書》沒有寫錯，那么張衡地動儀原理就應該像懸掛的吊燈般晃動，這正是人們所熟知的有無地震看“吊燈”。“懸垂柱理論”是現代地震學之父英國人，米爾恩創立的，距今只有100多年，而1800年前，我國的張衡就理解并利用它來觀測地震了。

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參考文獻：

注：圖片來自網絡

［1］姚宇.中央電視臺CCTC-1《發現之旅》［EB/OL］.http://news.xinhuanet.com/st/2006-01/30/content_4102386.htm

［2］“都柱”一詞是范曄在后漢書中對張衡地動儀內部最重要結構的描述，“中有都柱”意指內部有一柱子

(欄目編輯鄧 磊)