張衡在他的地動(dòng)儀中是如何成功地用立柱驗(yàn)震的

胡寧生

（中國(guó)科學(xué)院南京天文儀器有限公司，江蘇 南京 210008）

張衡生活的東漢正值中國(guó)地震多發(fā)時(shí)期。那時(shí)人們都以為：地震是上天對(duì)那些失職官員的懲罰，因此每次大地震后常有朝庭大官被當(dāng)作替罪羊而革職查辦，甚至有時(shí)還逼得皇帝下“罪已昭”。

在這樣的形勢(shì)下，張衡地動(dòng)儀就應(yīng)運(yùn)而生了。張衡地動(dòng)儀并不能預(yù)報(bào)地震，它的功能是使朝庭能（早于信使）及早得知國(guó)內(nèi)發(fā)生了地震。

顯然，古人應(yīng)不難想到怎樣能靈敏測(cè)震的方法。憑人看懸物擺動(dòng)是不足以發(fā)覺(jué)輕微地動(dòng)的，因?yàn)槟欠N擺動(dòng)的幅度并不顯著。作為對(duì)比，勉強(qiáng)能站住的立柱的傾倒卻能更靈敏地測(cè)到微小的地動(dòng)。張衡正是基于以上理念在他的地動(dòng)儀中采用了立柱驗(yàn)證并記載于正史《后漢書·張衡傳》中。

張衡之后過(guò)了一千多年，到了1882年，在日本工作的近代地震學(xué)之父英國(guó)人約翰·米爾恩也作了立柱驗(yàn)震的實(shí)驗(yàn)，但他卻不能實(shí)驗(yàn)成功，因此他提出——張衡地動(dòng)儀中只有采用懸擺來(lái)驗(yàn)震才可能成功。

繼米爾恩之后，多國(guó)的地震學(xué)者也作了立柱驗(yàn)震的實(shí)驗(yàn)，但他們也無(wú)一能夠成功。他們失敗之處是：一、對(duì)很靈敏的立柱，他們根本就無(wú)法使它站住，他們發(fā)現(xiàn)那會(huì)比要站雞蛋更難；二是，對(duì)不太靈敏而能勉強(qiáng)站住的立柱，在它的底板受輕震后，那立柱會(huì)各向亂倒而并不倒向應(yīng)有的來(lái)震方向。他們都不能解釋以上二個(gè)失敗現(xiàn)象的原因，只好對(duì)之束手無(wú)策。于是他們就異口同聲地說(shuō)，立柱驗(yàn)震是不可能的！

于是從1969年起，國(guó)外刊物上就陸續(xù)出現(xiàn)了一些對(duì)張衡地動(dòng)儀措辭嚴(yán)歷的責(zé)疑文章。在北京工作的奧地利學(xué)者雷立柏在他的中文書《張衡·科學(xué)與宗教》中寫道：“許多漢語(yǔ)書中都贊揚(yáng)了張衡地動(dòng)儀。它能成為華夏科學(xué)創(chuàng)造力的模范和象征的原因，主要是因?yàn)樗牡貏?dòng)儀被視為“國(guó)寶”和“國(guó)粹”。但張衡地動(dòng)儀沒(méi)有一個(gè)精確的理論伴隨著它，因此地動(dòng)儀更多地象征著中國(guó)人的想往而并不是代表一個(gè)完美的現(xiàn)象。它是華夏科學(xué)停滯特點(diǎn)的典型表現(xiàn)”。

之后國(guó)內(nèi)網(wǎng)站上也出現(xiàn)了大片對(duì)張衡地動(dòng)儀的質(zhì)疑聲，那些做不成立柱驗(yàn)震者只能造出不是張衡地動(dòng)儀的擺式地動(dòng)儀。

讀者會(huì)好奇地問(wèn)，那么張衡為什么卻能用立柱來(lái)成功驗(yàn)震呢？

作者以從事精密天文儀器研制數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)，在2013年只用了幾個(gè)月就成功地實(shí)現(xiàn)了立柱驗(yàn)震。作者通過(guò)實(shí)踐，今日才能明白張衡能成功地用立柱來(lái)驗(yàn)震的主要原因。下文就介紹這些原因。

1、古代學(xué)者早就知道，在一個(gè)物體重心的正下方處去支撐那個(gè)物體，就能使那物體平衡不倒。這就意味著，對(duì)一根靈敏的立柱，它的重心如能調(diào)整到立柱著地面的正上方，那么那根立柱就應(yīng)能站住。

2、張衡憑他對(duì)精密機(jī)構(gòu)的深刻認(rèn)識(shí)，他應(yīng)會(huì)想到，那個(gè)立柱的著地面應(yīng)該是一個(gè)很小的精密面，而且為保證它不易損壞，這個(gè)著地面還必須由堅(jiān)韌的材料（如蘭寶石）制成。

3、立柱著地面下的支撐面也應(yīng)該是一個(gè)精密加工過(guò)的硬平面。

4、以張衡他那洞察事物間相互作用關(guān)系的深邃眼光，他能知道會(huì)有二種方法來(lái)達(dá)到“立柱重心恰好位于其著地面正上方的這個(gè)要求”。

一是：由于一根立柱的本身和其著地面都不能做到對(duì)立柱中心線的絕對(duì)對(duì)稱和同心。這就需要在立柱的外側(cè)附加一些平衡重去對(duì)立柱作“平衡調(diào)整”。

二是：立柱下的那個(gè)支撐平面必須要經(jīng)過(guò)精細(xì)調(diào)平（置平）。因?yàn)橥岬闹纹矫鏁?huì)把立柱也帶歪，如圖2左邊所示。

作者在做立柱驗(yàn)震實(shí)驗(yàn)時(shí)，與前人同樣遇到了“立柱會(huì)各向亂倒”的難題。但經(jīng)過(guò)分析后，作者（張衡也應(yīng)該）發(fā)現(xiàn)，原來(lái)是立柱重心（沿重力方向）的投影點(diǎn)沒(méi)有與立柱著地面的中心精確重合，而是偏到了某一位置（見(jiàn)圖3）。

這樣的立柱在受輕震后就極易倒向立柱的偏重方向A。這就解釋了立柱為什么會(huì)亂倒的現(xiàn)象。因?yàn)榍叭俗鰧?shí)驗(yàn)在每次重新站住立柱時(shí)，立柱的偏重方向就是各向隨機(jī)亂放的，以致那樣放的立柱以后就會(huì)各向亂倒。

以上情況意味著，我們必須將立柱重心投影點(diǎn)調(diào)整得與立柱著地面盡可能重合。這一高難度實(shí)驗(yàn)技巧并不是當(dāng)代一般學(xué)者所具備的，但這種技巧卻是張衡擁有的專長(zhǎng)之一。

很遺憾，以前做過(guò)立柱實(shí)驗(yàn)的各國(guó)學(xué)者，他們都把立柱錯(cuò)當(dāng)作一根普通柱子來(lái)對(duì)待，殊不知那驗(yàn)震立柱是一件需要高度認(rèn)真對(duì)待的精密另件。那些學(xué)者只用粗糙的立柱又未對(duì)立柱作任何平衡，還根本未作對(duì)立柱下底板的調(diào)平，這就難怪他們都不能用立柱來(lái)驗(yàn)震了。

在立柱驗(yàn)震上，還發(fā)生過(guò)不少趣事，現(xiàn)只舉如下一例。日本的關(guān)野雄在他1952年的一篇論文中說(shuō)，一根高立柱當(dāng)然越細(xì)越靈敏。這樣，一根高約2米的立柱，如想把它的驗(yàn)震靈敏度做到比人的感震靈敏度還要高，那么這2米高的立柱的通體直徑才區(qū)區(qū)2毫米。顯然，這根細(xì)如銅絲的高立柱是絕對(duì)站不住的，因此，有人說(shuō)他用力學(xué)原理證明了立柱驗(yàn)震是不可行的。

有趣的是，中國(guó)也有人說(shuō)，中國(guó)秦代、漢代建筑物上的立柱都很粗大，那樣粗的立柱怎么能驗(yàn)震呢？

至此，讀者可能也被他們的理論搞胡涂了。

其實(shí)關(guān)野雄等人都未能想到一點(diǎn)：即立柱本身可以做得很粗，他只要把立柱下的著地面做得很小，那么，那根粗立柱就也能是很靈敏的。

目前張衡地動(dòng)儀的景況是：

1、媒體已大量散布了張衡地動(dòng)儀是不可能的言論，這還殃及到人們對(duì)中國(guó)古代技術(shù)成就的可信度；

2、各地展出著不是張衡地動(dòng)儀的擺式地動(dòng)儀；

3、擺式地動(dòng)儀的流行導(dǎo)致聯(lián)合國(guó)某組織撤除了它展出的中國(guó)政府禮品——立柱式張衡地動(dòng)儀模型；

有人寫信給教育部長(zhǎng)，要求把教科書中的張衡地動(dòng)儀由立柱式改為擺式。這就導(dǎo)致在教科書中的張衡地動(dòng)儀被整節(jié)刪除。

從2013年起在中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所主持召開(kāi)的張衡地動(dòng)儀學(xué)術(shù)研討會(huì)上，與會(huì)專家都認(rèn)可了作者對(duì)立柱驗(yàn)震原理和實(shí)驗(yàn)的證明。2016年11月中國(guó)科技史學(xué)會(huì)還為立柱驗(yàn)震的正確性專門召開(kāi)了學(xué)術(shù)鑒定會(huì)，與會(huì)專家也都肯定了張衡地動(dòng)儀應(yīng)為立柱式并是可行的。

對(duì)為立柱式張衡地動(dòng)儀正名感興趣的讀者可參閱下列三本書，即《張衡地動(dòng)儀的奧秘》（2014，網(wǎng)上書店只有少量存書）、《趣味力學(xué)現(xiàn)象》（2016，109-115頁(yè)）以及《從留級(jí)生到科學(xué)家》（2018，65-69頁(yè)，89-102頁(yè)，后二本書可用短信13236555080買到）。

鑒于教科書中的張衡地動(dòng)儀因被說(shuō)成是不可能的而被刪，但現(xiàn)在張衡地動(dòng)儀已被證明是正確的，因而在教科書中的那節(jié)理當(dāng)重新寫過(guò)。但要怎樣才能盡快達(dá)到為張衡地動(dòng)儀正名的崇高目的，請(qǐng)廣大讀者發(fā)表已見(jiàn)以供政府有關(guān)部門參考。