張衡地動儀文獻再研究

程 軍，李 海

(1.中國科學技術(shù)館資源管理處,北京 100101；2.山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同 037009）

張衡地動儀文獻再研究

程 軍，1李 海2

(1.中國科學技術(shù)館資源管理處,北京 100101；2.山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同 037009）

對《后漢書》中有關地動儀的原理部分的文字進行分析,認為“柱”是和尊底相連的固定的直立桿,“都”是會聚的意思,“旁行八道”意思是從“柱”向側(cè)旁有八條“道”可行,“八道”也是固定不動的,“八道”和“關”是相連的.并且應用地震學的原理進行分析,認為在當時的地震背景下利用地動儀測知地震方向很可能是可行的.最后對張衡地動儀重新作了初步設想.

張衡 地動儀 都柱

張衡地動儀是世界上最早的地震儀,被李約瑟譽為“地震儀的鼻祖”.[1]本文在前人工作的基礎上,從文獻角度對張衡地動儀再作研究.

1 前人對張衡地動儀的研究

130多年以來,中外學者給予張衡地動儀極大的關注,復原的模型不下10種.

1875年,日本曾留學國外的服部一三首先進行了張衡地動儀的外形復原,并在猜想圖的四周抄錄了《后漢書》有關地動儀的文字.[2]

1876年,英國工程師約翰·米爾恩到達日本,研究了張衡地動儀的原理,做了大量實驗,認為張衡是第一位利用懸垂擺慣性原理測震成功的人.米爾恩把《后漢書》中有關地動儀的文字翻譯成英文,第一個向西方介紹張衡地動儀.他對“中有都柱,旁行八道”是這樣翻譯的:“In the inner part of the instrument a column is so suspended that it can move in eight directions.”即“在地動儀的內(nèi)部有一個懸掛的柱子,它能向八個方向運動.”[3]

王振鐸于1936年根據(jù)米爾恩對懸垂擺工作原理的推斷,繪制了地動儀內(nèi)部構(gòu)造復原圖形(圖1).

1937年,日本地震學家萩原尊禮做了地動儀的模型,其中的“都柱”為倒擺(圖2).王振鐸于1951年做出了直立桿展覽模型,分別見圖3、圖4、圖5; 1962年又對他1951年設計的地動儀模型作了修改,有兩個設計復原圖,圖6是其中之一.[2-3]

圖1 王振鐸于1936設計的模型

圖2 萩原尊禮設計的模型

圖3 -1王振鐸于1951年設計模型的俯視圖

圖3 -2 王振鐸于1951年設計模型的都柱與八道的局部放大圖

圖3 -3王振鐸于1951年設計模型的側(cè)面圖

圖4 王振鐸于1962年設計的模型

王振鐸于1951年和1962年設計的模型都是在地動儀的正中豎立一根長長的細桿作為“都柱”,由細桿向八方的傾倒來測震.據(jù)馮銳等人研究,都柱的高徑比約在50以下才可能簡單地豎立起來,而要檢測到隴西地震在洛陽的地面震動,只有在高徑比達到1000以上時才能滿足靈敏度的最低要求[4].這是馮銳等人否定王振鐸的直立桿模型的主要理由.

1983年，荷蘭Sleeswyk AW和美國Sivin V提出了一種模型,他們把粗大的“都柱”固定在地面,把尊體設計成能自由晃動的殼體,支點位于都柱上方,地震時外殼會搖晃(圖7).[5]

圖5 Sleeswyk AW和Sivin V設計的模型

圖6 馮銳等人設計的模型

1995年李志超提出一種模型,把“都柱”設計成可活動的慣性體,柱下有八個伸出的底腳,下設八個青銅球,球下是尊的底.[6]

另外,還有李善邦、王湔、梁麥旺和梁紹軍[5]、王鵬飛等人對張衡地動儀提出或制作了自己的復原模型.

2006年，馮銳等人制成了張衡地動儀的復原模型,其中的“都柱”是一約100kg的懸垂擺.[4]見圖8.

前人設計的地動儀中,且不說“關”、“機”的設計有多種,即使是“都柱”的設計也有懸垂擺、倒擺、直立桿、完全固定于地面、可活動的慣性體等多種,對“都柱”的設計多數(shù)未能脫離米爾恩對“都柱”的理解,即認為“施關發(fā)機”由“都柱”來完成,是“都柱”向八個方向中的任一方向運動的結(jié)果.

眾多的復原模型,既讓人感受到百家爭鳴的學術(shù)氣氛,也使人產(chǎn)生這樣的疑問:是不是對原始文獻的理解產(chǎn)生了偏差?

2 有關張衡地動儀的文獻

張衡創(chuàng)制候風地動儀.有關文獻如下.

成書于唐代的類書《初學記》中著錄了西晉司馬彪《續(xù)漢書》中有關張衡地動儀的文字,“張衡作地動儀,精銅以鑄,其器圓徑八尺,形似酒樽,樽中有都柱,旁行八道,施關發(fā)機,外有八龍,首銜銅丸,蟾蜍承之,其機關巧制,皆在樽中.”[8]

宋代類書《太平御覽》中也著錄了《續(xù)漢書》中類似的文字,“司馬彪《續(xù)漢書》曰:張衡……復造候風地動儀,以精銅鐵(鑄)成,員徑八尺,合蓋隆起,形如酒杯.如有地動,樽則震,尋其方面,知震所在,驗之以事,合契若神.”[9]

東晉袁宏《后漢記》卷十九記載:“衡做地動儀,以銅為器,圓徑八尺,形似酒樽,合蓋充隆,飾以山龜鳥獸.樽中有都柱,旁行八道,施關發(fā)機,外有八方兆龍,首銜銅丸,蟾蜍承之,其牙機巧制,皆隱樽中.張訖,覆之以蓋,周密無際,若一體焉.地動搖樽,所從來龍機發(fā)則吐丸,蟾蜍張口受之,丸聲振揚,同(伺)者覺知,即省龍機,其余七首不發(fā),則知地震所起從來也,合契若神.自此之后,地動,史官注記,記所從方起,來觀之者莫不服其奇.”

南北朝進范曄《后漢書》卷五十九記載：“張衡字平子……陽嘉元年,復造候風地動儀,以精銅鑄成,圓徑八尺,合蓋隆起,形似酒尊,飾以篆文山龜鳥獸之形.中有都柱,傍行八道,施關發(fā)機.外有八龍,首銜銅丸,下有蟾蜍,張口承之,其牙機巧制,皆隱在尊中,覆蓋周密無際.如有地動,則振,龍機發(fā),吐丸而蟾蜍銜之,振聲激揚,伺者因此覺知.雖一龍發(fā)機而七首不動,尋其方向,乃知震之所在.驗之以事,合契若神.自書典所記未之有也.嘗一龍機發(fā)而地不覺動,京師學者咸怪其無征,后數(shù)日驛至,果地震隴西,于是皆服其妙,自此以后乃令史官記地動所從方起.”

前人對張衡地動儀的文字也曾有過不同的見解,例如李志超認為，漢代字書《釋名》中“柱,住也”,說明柱字原義是建筑中不動的支撐件,“傍行八道”,“行”字也不能講成傾倒.“都”是集總的意思,說明不是孤柱,還附帶著八套機關.[6]但李志超設計的都柱是可移動的慣性體.王鵬飛認為，“都”有總指揮之意..[7]

《續(xù)漢書》《后漢記》《后漢書》中有關地動儀的文字基本相同,而以《后漢書》的文字最為充實.下面在前人分析的基礎上,主要對《后漢書》中有關地動儀的原理部分的文字進行分析.

3 對張衡地動儀文獻再研究

地動儀的原理部分從“中有都柱”開始,先來分析“柱”.《釋名》解釋“柱”為:“柱,住也”.(劉熙,漢代)[10]《說文解字》解釋“柱”為:“柱,楹也.”[11]《釋名》解釋“楹”為:“楹,亭也,亭亭然孤立旁無所依也……孤立獨處能勝任上重也.”[10]可見“柱”的原義是屋中固定不動的、用來支撐上面重物的、孤立的直立構(gòu)件,即屋柱.柱本身是固定不動的,并且用來支撐上面的重物.雖然“柱”也有引伸義,指柱狀物,但固定、直立的特性仍保留.例如琴瑟上面系絃的木塊也稱為“柱”,《史記·廉頗藺相如列傳》:“若膠柱而鼓瑟耳”;有的甚至指支撐的特性都仍保留,例如《墨子·備城門》“藉車之柱,長丈七尺.”[12]古文中還未見到將懸掛的桿或搖擺的桿稱為柱的,將“柱”理解為固定的直立桿可能比較符合古文中“柱”的含義.下面從“柱”為固定的直立桿這個推斷出發(fā)研究后面的文字.

“都”的含義是什么呢?“都”的本義有國君所居、人所都會之地的意思.《釋名》將“都”解釋為:“國城曰都.都者,國君所居,人所都會也.”[13]

“都柱”指什么柱?現(xiàn)在學者多數(shù)將“都柱”理解為大柱,雖然“都”的引伸義有一個是大,在這里解釋為大似乎不妥.因為“柱”本身就是粗大、結(jié)實的東西,雖然大柱也說得通,似乎“都”的意義不大,如果理解成會聚、總領的意思,下面的文字容易說得通.“旁行八道”意思是從“柱”向側(cè)旁有八條“道”可行,“道”不僅指道路,還有方位的意思.“柱”是固定的,“八道”會聚于“柱”,將“柱”和“八道”設計為連成一體的較妥,這樣也可體現(xiàn)“柱”的支撐功能.聯(lián)系下文利用“八龍”來測知方向,推斷“八道”是在八個方向上均勻分布較妥,將“八道”設計為在同一水平面上較為方便.再看下文.“施”有施展的意思,例如《韓非子·外儲說左上》:“不得施其技巧,故屋壞弓折.”[14]《說文解字》解釋“關”為:“關,以木橫持門戶也.”[15]即“關”的本義是門閂.“關”的引申義中有要塞、控制、人體上的某些關鍵部位等,這里解釋為關鍵部位較妥.“機”指制動裝置,《說文解字》解釋“機”為:“凡主發(fā)者皆謂之機.”[11]即用“關”來觸發(fā)“機”.順著原文的思路看,既然“柱”是固定不動的,那么由誰來“施關”呢?“施關”前文字只有“八道”,因此是“八道”“施關”.而“八道”即八條路理解為固定不動的較妥,“八道”要促使“關”起作用,和“關”相連的可能性大.

4 地動儀測地震方向的可行性

地震波分為縱波、橫波和球面波.縱波的振動方向平行于波的傳播方向,波速較快、能量較小;橫波的振動方向垂直于波的傳播方向,波速比縱波慢,能量比縱波大;球面波波速最慢.縱波最先到達地動儀處,如果儀器不夠靈敏,縱波的能量不足以使銅球落下,那么隨后而來的橫波可能使銅球落下.

地震波的縱波傳出地面時的地動位移方向,有背震源的,也有向震源的,若以背震源的作為正向用“十”表示,向震源的作為負向用“一”表示,則縱波傳出地面時的地動位移方向顯示出一定的規(guī)律性.約有以下三種情況:(1)過震中作界線,“十”、“一”各占一邊;(2)以震中為中心,“十”、“一”交替,成環(huán)形分布;(3)“十”、“一”相間作象限分布,見圖7.第三種情況最普遍.[16]在震中E附近的“十”區(qū)域內(nèi),縱波傳出地面時的地動位移的水平分量背離震中E.如果使地動儀工作的是縱波,并且觀測點S都在震中E附近的“十”區(qū)域內(nèi),那么利用慣性來判斷震中在大多數(shù)情況下是可行的.

圖7 縱波初動符號的分布

從“合契若神”可知使地動儀產(chǎn)生作用的是縱波;從“嘗一龍機發(fā)而地不覺動,京師學者咸怪其無征,后數(shù)日驛至,果地震隴西”可知此地動儀很靈敏,有可能其中有使震動放大的部分,并且可以推知,在地動儀使用的那段時間里,地震大都是在京城可感知到的,這樣的地震傳到京城時,最先達到的縱波能量有可能“施關發(fā)機”.如京城在“十”區(qū)域內(nèi),利用地動儀來判斷震中在大多數(shù)情況下是可行的.

5 張衡地動儀的重新設想

“柱”設計為固定的柱子.

“八道”可以設計成從“柱”向側(cè)面八個方向均勻分布的八個相同的橫桿.橫桿“施關發(fā)機”,橫桿和“關”是相連的.

每個橫桿端部用繩懸掛一細銅棒,即“關”.

“機”的構(gòu)造,可以參照上面介紹的王振鐸1962年的設計(見圖3-2),只是“機”斜向上朝柱伸出的部分改為水平伸出.“機”上與銅棒最鄰近的部分Y型改為弧形,銅棒在弧的圓心,八個圓弧如果合在一起正好是一個圓.“機”的位于龍口的臂,應是長臂,轉(zhuǎn)軸下的臂為短臂,當短臂端點有一微小的位移,會使長臂的端點有較大位移,因為轉(zhuǎn)過的角度相同.

當?shù)卣饡r,尊體感受到最先到達的縱波的震動,在水平方向會做和地面水平震動方向同向的運動,而懸掛的銅棒即“關”由于慣性,保持原來的靜止狀態(tài),“關”沿著與地面水平震動相反的方向觸動“機”,從而使銅丸落下.

李約瑟曾提出，為使后到的橫波不對地動儀起作用,各個“機”之間應有關聯(lián),一旦一個“機”被觸發(fā),則同時別的“機”被鎖住[1].李志超曾有過龍鎖的設計[6],或許可以參考.

有的學者提出疑問,“如果地動儀在隴西地震前的四次地震中反應都正常,為什么當時的學者卻要在此后的隴西地震發(fā)生時才‘皆服其妙呢’?”[17]這個疑問不難解釋.“地覺動”時,地動儀感知到地震不算太神奇,而這一次“地不覺動”,地動儀卻感知到了地震，因而“皆服其妙”.

本文僅從文獻角度對張衡地動儀作一研究,其中原理部分具體的各個部件的設計只是筆者初步設想,還有待進一步研究.

[1](英)李約瑟.中國科學技術(shù)史第5卷地學第二分冊[M].《中國科學技術(shù)史》翻譯小組譯.北京:科學出版社,1976:341.

[2]王振鐸.張衡候風地動儀的復原研究[J].文物,1963(2):1-9.

[3]馮銳，朱濤,武玉霞,等.張衡地動儀的科學性及其貢獻[J].自然科學史研究,2006,25(增刊):1-15.

[4]馮銳,田凱,朱濤,等.張衡地動儀的科學復原[J].自然科學史研究,2006,25(增刊):53-76.

[5]馮銳，武玉霞，朱濤,等.地動儀的史料和模型研究[J].自然科學史研究,2006,25(增刊):34-52.

[6]李志超.天人古義——中國科學史論綱“再議候風地動儀”[M].鄭州:河南教育出版社,1995:297－308.

[7]王鵬飛.張衡候風地動儀功能測試和感震原理的探討[J].自然科學史研究2005,24(4):291-318.

[8](唐)徐堅等輯.初學記卷五地部上[M].

[9](宋)李昉等撰.《太平御覽》二三五卷·職官部三十二[M].

[10](漢)劉熙撰,(清)畢沅疏證.釋名疏證第五卷釋宮室第十七[M].

[11](漢)許慎撰,(宋)徐鉉校訂.說文解字卷六上木部[M].北京:中華書局影印,1963:12.

[12]漢語大字典編輯委員會.漢語大字典[M].武漢:湖北辭書出版社；成都:四川辭書出版社,1990:1188.

[13](漢)劉熙撰,(清)畢沅疏證.釋名疏證第二卷釋州國第七[M].

[14]漢語大字典編輯委員會.漢語大字典[M].武漢:湖北辭書出版社；成都:四川辭書出版社,1990:2176.

[15](漢)許慎撰,(宋)徐鉉校訂.說文解字卷十二上門部[M].

[16]李善邦.中國地震[M].北京:地震出版社,1981:398.

[17]趙冠峰.張衡地動儀文獻蠡讀——對地動儀功能的重新認識[J].自然科學史研究,2004,23(4):334－344.

A Further Study on the M aterial about the Principle of Zhang Heng’s Earthquake Direction Detector

CHENG Jun1，LIHai2
(1.Resources Management Department,China Science and Technology Museum,Beijing，100029；2.School of physics and Electronic Science，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037009)

This article studies thematerial in Hou Han Shu (History of the Later Han Dynasty)about the principle of Zhang Heng’s earthquake direction detector,concludes that Du Zhu is a solid column fixed in the bottom of Zun (the shell of the detector), Du means assembly,Pang Xing Ba Daomeans there are eightways to go from the column,the eightways are fixed and linked with Guan (key),it is mostly possible to detect the earthquake direction in those times the detector worked,and designs the detector primarily.

Zhang Heng;the earthquake direction detector;Du Zhu

P315-092

A

〔編輯李 海〕

1674－0874（2010）01－0089－04

2009-10-10

程軍(1965－),女,安徽蚌埠人,博士,副研究員,研究方向:博物館史、科學技術(shù)史、博物館研究.