張衡地動儀的復(fù)原之路

通過教科書的傳播，張衡地動儀一直被認為是中國燦爛古代科技文明的佐證。

但誰能想到，陳列在國家博物館的那件地動儀竟然不能運作，只是一個空架70國內(nèi)學(xué)者對此充滿質(zhì)疑，而國外的研究者則干脆認為張衡地動儀只是中國人的“精神圖騰”，“歷史上根本沒任何作用”。

難道張衡錯了?

2008年9月11日，北京史家小學(xué)的師生過完暑假返校，他們驚奇地發(fā)現(xiàn)：一個60公分高、銅制類似啤酒桶的球體出現(xiàn)在他們的校園里，球體的表面附有8條龍的雕塑，龍嘴的下方各對應(yīng)著一只蟾蜍。

這就是由中國地震臺網(wǎng)中心、清華大學(xué)美術(shù)學(xué)院、國家博物館、北京機械工業(yè)自動化所、河南博物館等多學(xué)科專家組成的國家“張衡地動儀科學(xué)復(fù)原”課題組，經(jīng)過5年的辛勞，制成的微縮版的張衡地動儀模型。

這將給學(xué)生帶來巨大震撼，因為展示的地動儀與教科書中的很不一樣。首先是外觀上，地上的八只蟾蜍嘴巴不沖里、而是沖外，而且背部與球體粘在一起，工作的機理差異更大。

難道教科書錯了?

質(zhì)疑“地動儀”

課題組組長，中國地震臺網(wǎng)中心研究員、地震學(xué)家馮銳從事地震研究已有40年，在他的書架上，有一本書《張衡科學(xué)與宗教》，是奧地利學(xué)者雷利伯所寫，馮銳說：“書中認為，張衡這個地動儀，中國人把它視為國寶、國粹，中國的歷史博物館還有這個東西，可它是不科學(xué)的。這個儀器不能科學(xué)地工作，所以張衡地動儀也沒給后人任何啟發(fā)、思想作用，后來意大利、法國發(fā)展的地動儀器跟張衡無關(guān)系，因此在歷史上有張衡沒張衡，歷史是一樣的。”馮銳被這句話嚇一跳，因為他的觀點太尖銳、太犀利了。

還有，對方的懷疑完全是有確鑿的事實依據(jù)。

1976年，唐山發(fā)生了里氏7.8級強烈地震。當(dāng)時距唐山175公里的北京也有強烈震感，然而，北京歷史博物館的地動儀卻沒有任何反應(yīng)，這讓專家們疑惑不解。

此后還發(fā)生過一件讓人哭笑不得的事：1988年，中國歷史博物館應(yīng)邀在日本舉辦中國古代科學(xué)技術(shù)展覽。開幕式上，工作人員實在想不出辦法通過震動讓地動儀龍口內(nèi)的銅丸掉落在蟾蜍的口里，就專門用木棍將龍口內(nèi)的銅丸撥出進行展示。一時間，質(zhì)疑聲四起，象征著中國古代先進科技的地動儀成為了調(diào)侃的對象。

而在今年5月，地動儀也沒能預(yù)報汶川地震的降臨，引起了許多科普愛好者的質(zhì)疑。因此，從現(xiàn)代地震學(xué)的角度來看，地動儀并不能記錄地震，不是地震儀。

誰錯了

馮銳從2002年開始研究地動儀，當(dāng)時，全世界共有13種“張衡地動儀”，分別來自不同的國家，且原理不同、造型各異。在中國，由王振鐸在1951年復(fù)原的地動儀模型深入人心，也就是1952年人選歷史教科書的經(jīng)典模型。

這個地動儀的工作原理很簡單：內(nèi)部是一根直立的棍子，地震來時，靠棍子的隨機傾倒觸發(fā)機關(guān)，外部龍嘴吐丸，剛好落到相應(yīng)的螗蜍嘴中。

但馮銳在試驗中發(fā)現(xiàn)一個矛盾，人的走動、關(guān)門、車馬的經(jīng)過……都能引起地面震動，怎么能判斷是地震引起的，還是非地震引起的呢?

馮銳考證了漢朝的柱子，都是矮胖矮胖的，那么粗壯的都柱帶來的直接結(jié)果，就是地動儀無法達到靈敏的要求。

如果弄細一點的柱子呢?

馮銳根據(jù)現(xiàn)代科學(xué)的計算，這根柱子只有高度和直徑之比達到1225:1，才能實現(xiàn)觸發(fā)機關(guān)。也就是說，如果這個柱子兩米高，柱子的直徑1.5毫米才行。這顯然不對，如果柱子那么細，根本站都站不穩(wěn)。

難道張衡錯了?

要說張衡錯了，那么在《后漢書》里，描寫的地動儀發(fā)現(xiàn)隴西地震的實例，怎么解釋?質(zhì)疑被國人奉為神明的地震始祖張衡，更讓馮銳感到惶恐和不安。

早在1936年，王振鐸就曾經(jīng)復(fù)原過地動儀的模型，他的依據(jù)是《后漢書·張衡傳》中的196個字的記載。最初的模型只是一個球體，上面每個方向盤著一條龍，下面并沒有螗蜍，內(nèi)部也沒有結(jié)構(gòu)，只是一個空架子。

而日本學(xué)者在1939年提出不同意見，萩原尊禮認為張衡地動儀應(yīng)該是“倒立棍”理論，并且認為下面有蟾蜍在承接龍嘴中的丸子。但這場學(xué)術(shù)爭論并沒有展開，中日兩國就在真正的戰(zhàn)場上開始了搏殺，一直到1949年末，中國才恢復(fù)了和平。王振鐸再次開始了對張衡地動儀的復(fù)原。顯然，日本學(xué)者當(dāng)初的批評給他留下深刻的印象，王振鐸在195l復(fù)原地動儀的理論依據(jù)來自日本，但在實驗中，日本人無論如何也無法讓直徑只有1.5毫米的“都柱”站立起來。只得利用現(xiàn)代技術(shù)，設(shè)計了用拉簧固定的“都柱”，這個都柱被取名為“倒立棍”。他完全遵循日本學(xué)者的“倒立棍”原理，外面還添加了一圈蹲坐地上的蟾蜍——這就是在中國流傳最廣的地動儀。

然而在日本東京大學(xué)的實驗室里，人們經(jīng)過反復(fù)試驗，復(fù)制出的地動儀始終無法達到“地不覺動，而儀器有感”的狀態(tài)。“倒立棍”根本無法實現(xiàn)“尋其方面，乃知震之所在”。

馮銳突然意識到，外界所有的懷疑，都是針對流傳最廣的王振鐸模型。那么還有一種可能，不是張衡錯了，而是王振鐸錯了。

逼近真相

王振鐸是考古學(xué)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”。然而正確的“都柱”到底應(yīng)該是什么樣子?它是怎樣工作的?

《后漢書》中有一段講到：“如有地動，樽則振，龍機發(fā)，吐丸”。馮銳突然意識到，這個過程是符合懸垂的工作原理。

地動在先，然后樽振，續(xù)而機發(fā)，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(huán)緊扣一環(huán)的聯(lián)動因果關(guān)系。如果這一推測成立，那“振”字，就是證明“懸垂擺”是張衡地動儀工作原理的證據(jù)。如果《后漢書》沒有寫錯，那么張衡地動儀原理就應(yīng)該像懸掛的吊燈般晃動。

“懸垂擺理論”是現(xiàn)代地震學(xué)之父英國人米爾恩創(chuàng)立的。距今只有100多年。難道1800年前，張衡就不可思議地理解并利用了“懸垂擺原理”嗎?

在大量出土的漢代石刻和文物中，馮銳興奮地發(fā)現(xiàn)了很多懸掛物。張衡巧妙地用“樽則振，龍機發(fā)”這六個字，把地動儀機械聯(lián)動的先后順序?qū)懙们迩宄ｋm然懸垂擺原理得到了肯定的結(jié)論，但都柱是什么樣子?怎樣驗震?如何吐丸?這一系列神秘而誘惑的問題，吸引著馮銳欲罷不能。

2003年，張衡地動儀的復(fù)原之路開始了。在得到河南博物院和地震局的支持后，他開始了張衡地動儀的復(fù)原工作，課題組云集了地震、考古、文獻、工藝美術(shù)等各路專家。

據(jù)歷史記載，張衡的地動儀驗證了當(dāng)年的隴西地震。研究組在振動臺上再現(xiàn)了相當(dāng)于當(dāng)年隴西地震在洛陽的極其微弱的地面振動，然后把新復(fù)原模型放到振動臺上驗證。結(jié)果表明，新模型對地震的反應(yīng)良好，對非地震的人為干擾一直未出現(xiàn)誤觸發(fā)。此后數(shù)次試驗都圓滿成功。

馮銳說：“一直以來人們都有誤解，認為地動儀能夠預(yù)測地震，這其實是不正確的，地動儀只是‘驗震器’，對已經(jīng)發(fā)生的地震有反映，地震連現(xiàn)代科學(xué)都無法做到準確的預(yù)測，應(yīng)該讓大家都知道這個常識。”

到2009年，一個3米多高的地動儀會展現(xiàn)在人們面前，其運作原理則完全遵循“懸垂擺原理”。

張衡地動儀神秘消失

漢安帝永初五年(公元111年)，皇帝召張衡到洛陽當(dāng)了尚書臺郎中，三年后升為尚侍郎，次年改為太史令。太史令的職務(wù)是掌管天文、歷法、氣象、祀典等，這為張衡對天文歷算方面的深入研究和實踐創(chuàng)造了極為有利的條件。

漢安帝元初四年(公元117年)，張衡根據(jù)渾天學(xué)說，在前人研究的基礎(chǔ)上，研制出了世界上第一架利用水利自行轉(zhuǎn)動并能準確地觀察天象的大型天文儀器——渾天儀。張衡又著《渾天儀圖注》，解釋渾天儀的制造原理和使用方法。

公元134年12月13日，隴西大地。突然，天空電閃雷鳴，大地劇烈震顫，緊接著房倒屋塌傷者慘嚎，死者尸橫遍地，悲慟天地。

地動儀旁的監(jiān)測人員發(fā)現(xiàn)，儀中有異響，片刻一珠從龍嘴出，下墜入蛙口。蠟燭微跳，茶水不動，旁觀眾人互相對望。

在史書的記載中，這是張衡發(fā)明地動儀之后，唯一一次發(fā)生在隴西的地震，京城之內(nèi)沒有震感，但張衡的地動儀很靈驗的驗證到了外地的地震。這在古代是難以想象的事情，事實證明了張衡的偉大。

遺憾的是，此時的張衡等來的不是歡呼與掌聲，而是他凄涼晚年的開始。

早在公元133年6月18日，京師突然地震。當(dāng)時的太史令張衡和其他的官員一樣，也認為這是上天對人間的責(zé)罰，他上書漢順帝，提出必須改變執(zhí)政方略，上天才能降福于人間。漢順帝劉保無奈，被迫下罪己詔，向天下人承認自己的錯誤。大臣司空王龔被免職，而張衡卻得以升遷為侍中，在皇帝身邊，成為輔佐。

張衡因地震而晉級，一時轟動朝野。

即使張衡這樣的天才也無法理解，地震只是一種天地間的自然現(xiàn)象。而公元132～140年，恰恰是中國地震頻發(fā)的高潮期。張衡錯誤地把地震和政治聯(lián)系在了一起，而這也給大漢王朝開了個壞頭，在此之后，每次地震都被視為上天的震怒，都要罷免重臣以順天意，直至漢朝滅亡，一共有21位大臣由此丟官。這無疑觸犯了官場之大忌，張衡被朝中人視為妖魔，而地動儀也被認為是不祥之物。公元134年的地震之后，朝中關(guān)于張衡的非議逐漸開始，心知肚明的張衡只能請求辭去侍中一職，主動避禍。

兩年后，京師再次地震。面對上天的再次懲罰，張衡也無法解釋，皇帝下詔將張衡貶出京到河間為官。

地動儀作為科學(xué)儀器，卻被賦予了神話的功能，成為了檢驗皇權(quán)公正的神器。因此尋找震中，根本就不是發(fā)明地動儀的初衷。但張衡仍然不失為帝國時代科學(xué)發(fā)明的巨子。直到公元1880年，歐洲才制造出第一臺檢驗地震的儀器，這已晚于張衡地動儀1700余年了。

除此之外，張衡又是一位氣象學(xué)家，他發(fā)明了測定風(fēng)向的儀器，叫候風(fēng)儀，又名相風(fēng)銅鳥。銅鳥銜花，安放在五丈高的木桿頂端，風(fēng)來則轉(zhuǎn)向，便可知風(fēng)向，這-發(fā)明，比歐洲的候風(fēng)鳥早1000年；張衡在《靈憲》中詳細地解釋了月象變化和月食發(fā)生的自然現(xiàn)象。他還繪制了《靈憲圖》，這是中國最早的星相圖；張衡還發(fā)明了指南車，車上裝著一個木頭人，不管車子怎么轉(zhuǎn)動，但木頭人的手始終指向南方；他還發(fā)明了記里鼓車，車上放著一個鼓，鼓的兩端各坐一個手持棒槌的木人，車輪轉(zhuǎn)動149周，便為一里，木人出手擊鼓報告。在數(shù)學(xué)方面，張衡有專著《算罔論》，計算出圓周率在3.1415926與3.1415927之間，比歐洲早1300年；在地理學(xué)方面，他繪制有完備的地形圖……

令人遺憾的是，公元139年，這位奇才抑郁而終。此后，再沒人提起過地動儀了。地動儀就仿佛一陣煙塵，消失在歷史的深壑中。時光流轉(zhuǎn)，1800年轉(zhuǎn)瞬即逝。歷年來在河南地區(qū)的遺跡發(fā)掘中，也從未找到張衡地動儀的蛛絲馬跡，甚至連只言片語的信息也沒有。

在此后的1800多年的歲月中，地動儀在后人的作品中被不斷重新設(shè)計。

全世界的研究者都根據(jù)自己的理解去揣測張衡的地動儀，而因為長期無法給予地動儀一個科學(xué)的復(fù)原，張衡以及地動儀不斷引起西方的誤讀。《地震和地球的其他運動》是現(xiàn)代地震學(xué)最早的專業(yè)著作，堪稱開山之作，作者是英國人米爾恩。作者在1883年寫地震和地球的其他運動當(dāng)中，第一位就寫到張衡地動儀。米爾恩在張衡思想的影響下，漸漸完善了自己的設(shè)訊最終在1894年設(shè)計出世界上第一臺地震儀，架設(shè)于世界各地。

但到作者1913年去世的時候，《地震和地球的其他運動》出版第七版，關(guān)于張衡的講述被刪得干干凈凈。

但不論怎樣有一點是毋庸置疑的，中國漢朝的大科學(xué)家張衡在公元2世紀，創(chuàng)造的地震觀測理念，的的確確影響并啟發(fā)了相隔1700年后18世紀的英國人米爾恩，使他建立起現(xiàn)代地震學(xué)。