用于驗(yàn)震的候風(fēng)地動儀

張衡11歲時(shí)，漢章帝去世，年僅10歲的和帝即位，從此東漢王朝進(jìn)入了后宮及外戚把持朝政、宦官弄權(quán)的混亂時(shí)代。僅永元元年（89年）到陽嘉元年（132年）這短短43年間，就先后有4位幼帝登基。

除了皇帝更換頻繁之外，張衡所生活的年代還有一個“頻繁”，那就是地震頻繁。僅和帝永元四年（92年）到安帝延光四年（125年）這30多年間，就發(fā)生了26次有史可查的大地震。這些大地震使得地裂山崩、房舍倒塌、人畜傷亡，不僅造成了巨大的財(cái)產(chǎn)損失，還引起了朝野上下的一片恐慌。

由于缺乏科學(xué)的地震知識，當(dāng)時(shí)的人們無法正確解釋地震的原因，就將這歸結(jié)于上天震怒。每逢發(fā)生大地震，皇帝就會罷免一些官員，以表達(dá)對上天示警的重視以及積極改進(jìn)的態(tài)度。為了幫助皇帝及時(shí)得到地震的訊息，張衡發(fā)明了候風(fēng)地動儀。據(jù)《后漢書·張衡傳》記載，地動儀以精銅鑄成，圓徑八尺（1.8米～1.9米），盒蓋隆起，形似酒樽。其中心有柱，通過周邊的孔道連接機(jī)關(guān)。外壁在八個主要方位上各設(shè)一個含銅球的龍頭，龍頭正下方各有一仰頭張口的銅蟾蜍。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，對應(yīng)方位的龍頭吐出銅球，落入蟾蜍口中，而其他七條龍不為所動，觀測者由此可獲知地震發(fā)生的方位。陽嘉元年（132年），張衡將候風(fēng)地動儀進(jìn)獻(xiàn)給漢順帝。漢順帝下令將其放置在靈臺。

漢嘉三年，候風(fēng)地動儀正對西方的龍嘴突然張開，吐出了銅球，這意味著京師以西之處發(fā)生了地震。然而不僅京師“地不覺動”，京師附近也沒發(fā)生地震。這次“誤報(bào)”使得張衡成了眾矢之的。幾天后，來自隴西的使者快馬進(jìn)京。原來距離洛陽一千多里的金城、隴西一帶發(fā)生了大地震，連山都崩塌了。在封建時(shí)代，山陵崩塌意為江山社稷不穩(wěn)。為了平息上天的震怒，漢順帝下旨將司徒劉崎、司空孔扶這兩位高官免職。

候風(fēng)地動儀誤報(bào)的“冤情”被洗刷了，但是張衡成為眾矢之的的局面并沒有改善。在眾人看來，他就是恃候風(fēng)地動儀之能逞兇的危險(xiǎn)分子。于是各方勢力都向漢順帝進(jìn)言，詆毀張衡。張衡為求自保，主動辭去了侍中之職。然而，地震風(fēng)波并沒有就此平息。兩年后，京師再次地震。

地震學(xué)家約翰·米爾恩構(gòu)想的候風(fēng)地動儀外形

在后世看來，從陽嘉元年（132年）到永和五年（140年）期間，正好是發(fā)生地震的高潮期。可在當(dāng)時(shí)，即使聰明如張衡也無法解釋，為什么皇帝已經(jīng)改變了執(zhí)政策略，卻仍然頻頻受到上天的懲罰。漢順帝大怒，將張衡貶至河間為官。

漢嘉八年（139年），62歲的張衡郁郁而終，候風(fēng)地動儀也不再被人提起。后人推測，可能是因?yàn)楹蝻L(fēng)地動儀遭到人為破壞，其驗(yàn)震功能再也無法使用，繼而徹底失傳。

在張衡去世的 1700多年后，英國地理學(xué)家約翰·米爾恩受邀去日本研究地震。他從英國出發(fā)，橫穿西伯利亞取道中國。在此期間，他接觸到《后漢書·張衡傳》中有關(guān)候風(fēng)地動儀的記載。米爾恩對此很感興趣。他反復(fù)研究后，認(rèn)為張衡設(shè)計(jì)時(shí)采用的應(yīng)為懸垂擺原理，“中有都柱”的這根柱子是懸掛的。他還根據(jù)自己的理解，做了候風(fēng)地動儀的復(fù)原模型。

1880年，米爾恩發(fā)明了世界上第一臺精準(zhǔn)的地震儀，所采用的就是懸垂擺原理。他也因此被后人稱為“地震儀之父”。同年，日本成立了全世界第一個地震學(xué)會。米爾恩作為地震學(xué)權(quán)威，在會上做了重要講話。他在發(fā)言中明確提出，人類歷史上第一個地震儀是張衡發(fā)明的。

張衡與東漢靈臺

東漢靈臺位于京師平門外御道西側(cè)，今洛陽偃師佃莊鎮(zhèn)。它始建于光武帝建武中元元年 （56年），毀于西晉末年的戰(zhàn)亂，使用時(shí)間長達(dá)250年之久。東漢靈臺作為國家天文觀測臺，是太史令的下屬機(jī)構(gòu)。據(jù)史書記載，其工作人員多達(dá)43人，包括：1名靈臺丞主持全臺工作，14人候星，人候日，3人候風(fēng)，12人候氣，3人候晷景，7人候鐘律，另有1人為舍人。由此可見，當(dāng)時(shí)靈臺的觀測工作已經(jīng)是全天候全方位了。

張衡曾兩度出任太史令：第一次是在漢安帝時(shí)期，制作了以水力推動的渾天儀，撰寫了《靈憲》和《算罔論》;第二次是在漢順帝時(shí)期，發(fā)明了能探測震源方向的候風(fēng)地動儀。這兩件儀器就安放在靈臺上。此外，張衡還親自參與和主持了靈臺的天象觀測和天文研究工作，發(fā)現(xiàn)了月蝕的成因，繪制并記錄了2500顆星體的星圖，解釋和確立了渾天說的宇宙論。

考古學(xué)家王振鐸復(fù)原并制造的“張衡地動儀”模型外形圖

真實(shí)再現(xiàn)張衡候風(fēng)地動儀

現(xiàn)存有關(guān)候風(fēng)地動儀的文字記載，僅是三本史書中的區(qū)區(qū)200多字。據(jù)說北齊信都芳的《器準(zhǔn)》和隋初臨孝恭的《地動銅儀經(jīng)》都曾記載了候風(fēng)地動儀的圖式和制作方法，不過這兩本書在唐代之后就失傳了。實(shí)物缺失再加上史書記載過于簡略，導(dǎo)致后人對候風(fēng)地動儀的想象各不相同，可謂“一千個人心中有一千個候風(fēng)地動儀”。

1951年，考古學(xué)家王振鐸完成了候風(fēng)地動儀的復(fù)原模型。該模型由精銅鑄造，外形華麗，獲得了很多好評。在該模型問世后的很長時(shí)間里，老百姓分不清它與張衡的候風(fēng)地動儀有什么不同，將兩者簡單地畫上了等號。

但隨著文物考古研究的深入，該模型外觀上的一些問題也逐漸暴露。比如該模型體積太大，無法放入靈臺上那個專門放置候風(fēng)地動儀的“密室”;兩頭略小的桶形不符合漢代酒樽的形狀;龍的造型屬于明清風(fēng)格，不符合漢代審美等。

漢代酒樽

為了真實(shí)再現(xiàn)張衡的候風(fēng)地動儀，在中國地震局和國家文物局的支持下，來自不同領(lǐng)域的多學(xué)科專家組成了“張衡地動儀科學(xué)復(fù)原”課題組。課題組強(qiáng)調(diào)“科學(xué)復(fù)原”，即盡可能還原張衡的設(shè)計(jì)思路，忠于當(dāng)時(shí)的鑄造技術(shù)，不人為拔高。經(jīng)過多方考證，課題組推翻了之前的直立杠桿設(shè)計(jì)，采用了懸垂擺的設(shè)計(jì)。

2002年，課題組完成了新的復(fù)原模型;2005年，該模型設(shè)計(jì)通過了專家鑒定和國家驗(yàn)收;2008年，課題組完成了該定型模型的小型鑄造。因?yàn)樵撜n題組由地震專家馮銳主持，所以該模型被稱為馮銳版復(fù)原模型。

馮銳版地動儀復(fù)原模型及其內(nèi)部構(gòu)造

值得記住的近代地震儀

候風(fēng)地動儀只能提供地震的大致方向，無法記錄地震波，所以并非真正意義上的地震儀，而是驗(yàn)震器。真正的地震儀是一種能夠記錄地震波的儀器。它所記錄下來的具有不同起伏幅度的曲線被稱為“地震譜”。

世界上第一臺真正的地震儀

發(fā)明者：意大利科學(xué)家盧伊吉·帕爾米里

發(fā)明時(shí)間：1855年

特征：具有復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，使用裝滿水銀的圓管，且裝有電磁裝置。當(dāng)震動使水銀發(fā)生晃動時(shí)，電磁裝置會觸發(fā)一個內(nèi)設(shè)的記錄地殼移動的設(shè)備，粗略地顯示出地震發(fā)生的時(shí)間和強(qiáng)度。

世界上第一臺精確的地震儀

發(fā)明者：英國地理學(xué)家約翰·米爾恩

發(fā)明時(shí)間：1880年

特征：利用地殼移動和擺錘擺動的關(guān)聯(lián)性，設(shè)備中的一根加重小棒會在受到震動作用時(shí)移動一個有光縫（即可通過光線的細(xì)長縫）的金屬板。光線二次穿過不同光縫后，落到一張高度感光的紙上，于是光線便將地震的移動“記錄”了下來。

世界上第一臺電磁地震儀

發(fā)明者：俄國王子鮑里斯·格里芩

發(fā)明時(shí)間：1906年

原理：利用了19世紀(jì)由英國物理學(xué)家邁克爾·法拉第提出的電磁感應(yīng)原理。最大的優(yōu)點(diǎn)是可以將記錄器和地震儀分別放置，前者可放置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，后者可放置在可能發(fā)生地震的地點(diǎn)。

許多人對地震儀有一種誤解，認(rèn)為它能預(yù)測地震。其實(shí)，地震儀只能用于測量地震的強(qiáng)度、方向，并不能用于預(yù)測地震。