張衡地動儀的真與假

提起中國古代的科技成就，很多人都會聯想到東漢張衡發明的地動儀。大多數人是通過中小學的教科書了解到張衡及其地動儀的，但是由于沒有實物流傳于世，從古至今一直有人對地動儀是否真的存在表示懷疑。

史書中的張衡與地動儀

對于張衡及其地動儀的記載，世人引用較多的是范曄所著《后漢書》，也就是前面提到的曾經入選高中語文教科書的《張衡傳》一文。這篇文章提到，張衡發明地動儀的時間是陽嘉元年，也就是132年，當時在位的皇帝是漢順帝劉保。關于地動儀的形制，文章多有描述，如用精銅制成，直徑八尺（大約1.9米），分為上下兩部分，上面的蓋子中央有凸起，形似酒尊，有篆文山龜鳥獸紋飾。儀器里面在中央有一根大柱子，與八方相連，內設機關;儀器外面有八條龍，龍嘴里含著銅丸，每條龍下面蹲著一只蟾蜍，張著嘴等著接掉下來的銅丸。如果有地動，儀器振動引發機關，龍嘴吐出銅丸被蟾蜍接住，聲音非常響亮。地動儀的妙處在于，如果一條龍機關發動，另外的七條并不會受影響，由此可以判斷地震發生的方向。文章還記載了一次隴西地震與地動儀發作的關聯。此外，在《后漢書·順帝紀》篇章中也有“史官始作候風地動銅儀”的記載。

除了范曄的《后漢書》，還有其他史書也對張衡及地動儀作了記載。西晉司馬彪所著《續漢書》比《后漢書》成書要早，相關內容比《后漢書》多了“施關發機”等字，還有一些表述略有差異。不過《續漢書》已經遺失，只是散見于《太平御覽》等古書中。東晉袁宏的《后漢紀》成書也比《后漢書》早，但比《續漢書》晚。袁宏的記載有多處與范曄的不同，比如沒有“候風”兩個字，沒有說隴西地震的案例，還有多處表述差異。學界一般認為范曄關于張衡及其地動儀的記載受到了袁宏《后漢紀》的影響。

通過對上述史料的分析，我們可以看到，張衡發明制作了地動儀是比較可信的，地動儀的外觀也是比較清楚的—形似酒尊、上下兩部分、蓋子中央凸起、有八條龍、下面對應八只蟾蜍。但外觀和內部結構的細節卻是不清楚的。從外觀來說，漢代酒尊的形狀也并非完全統一，地動儀到底像哪種酒尊呢？是上下一樣粗，還是上粗下細呢？八條龍是整條的，還是只有龍頭露在外面？蟾蜍相對于尊體是朝外蹲著，還是朝內蹲著？龍嘴與蟾蜍的嘴相對位置到底是怎樣的？這些都是未知的。再說內部結構，現存的史料只說“中有都柱，傍行八道”，而且“其牙機巧制，皆隱在尊中”，但中間的柱子到底什么樣，多粗多細，是立柱還是懸柱？柱子跟八條龍是通過什么樣的機關聯系在一起的？由于沒有詳細描繪，更沒有插圖，這就給后人留下無限的遐想空間。由于不清楚內部機關，也就無法推知地動儀的工作原理。最大的遺憾是，迄今為止，考古發掘都沒有發現地動儀的實物，因此也引起一些人的質疑。

地動儀的復原

地動儀如此精妙，吸引了不少學者嘗試復原。比較早的復原有以下幾個案例，學者們都提出了設計圖，但沒有開展實物復原工作。

1875年，日本學者服部一三繪制了地動儀復原圖，但只有外形，沒有內部結構，更沒有復原實物。這張圖的影響很大，1931年，北平鷲峰地震研究室曾據其臨摹繪制，地質學家李善邦的文章中也記錄過該圖，后來這篇文章被英國科技史學家李約瑟發現，這張圖也進入了他那著名的《中國科學技術史》中。1936年倫敦科學博物館出版的《應用地球物理學專刊》也發表過一張與服部一三設計非常相似的地動儀復原圖。1883年，英國學者米爾恩也畫了地動儀復原圖，同樣沒有復原實物，米爾恩當時在日本東京帝國大學擔任地質礦物學教授，后來曾發明水平地震儀，是現代地震學的開創者之一。1917年，建筑師呂彥直在《科學》雜志發表了地動儀的復原圖，也只是一個外形設計圖，且與米爾恩的有些相似，細節有所不同。

關于張衡地動儀的實物復原工作，是從20世紀50年代才開始的。參與復原的既有國家文物、考古、博物館和中國科學院等單位，也有民間的企業和個人。其中影響較大的是王振鐸和馮銳等人分別完成的兩個復原模型。

王振鐸是國內知名博物館學家和科技史專家，曾經就讀于燕京大學研究院歷史系，后來長期從事文物和博物館工作，復原了大量古代科技發明。1936年，王振鐸嘗試對地動儀的發明進行探討，并發表了《漢張衡候風地動儀制法的推測》一文。1951年，他設計出了1：10的復原模型。8年后，中國歷史博物館建成時，根據王振鐸1951年的模型精工制作了1：2的木質模型并陳列展覽。后來很長一段時間出現在我國教科書和郵票上的地動儀模型，都是以此為樣本的。不過，王振鐸在1963年曾經對地動儀的設計圖做過修改，但沒有進一步去復原實物。

再來說說中國地震臺網中心馮銳等人的復原工作。2002年，在地震科學聯合基金會的資助下，馮銳主持的“張衡地動儀的工作原理研究”項目開始起步。2004年，中國地震臺網中心與河南博物院共同開展了地動儀的科學復原工作，組織了由8個單位的地震學家、歷史學家、考古學家、自動化學家和美術家等參加的研究組，馮銳任課題負責人。課題組調研了大量的文獻，考察了安放地動儀的靈臺，做了大量準備工作。新的復原模型于2005年4月先后通過了專家委員會、國家文物局和河南省政府組織的驗收。該模型后來一直在河南省博物院展出。此后，公眾視野中就出現了馮銳等人設計的地動儀復原模型。2015年，香港特別行政區發行了一套“中國古代科學家”郵票，其中張衡那張郵票上采用的就是這個新的模型。

通過比較可以看出，王振鐸和馮銳等人設計復原的地動儀模型存在多處差異。從外觀來看，王振鐸的模型參照的是盆形尊，器如半球體，盆狀下收，圈足，八條龍都有完整的身體，蟾蜍與尊體分離;馮銳等人的模型參照的是穹隆狀尊，隆蓋、直壁圓桶、平底、器足，八條龍只有龍首露在外面，以蟾蜍作為尊體基座。此外，二者在尊體的紋飾等方面也有很多差異。從內部結構看，二者都利用了杠桿原理，但王振鐸采用的“都柱”方案是直立柱，而馮銳等人采用的是懸垂柱。目前，在中國科學技術館新館中，兩個模型同時展示給了觀眾。

除了上面提到的復原研究工作，中國科學院退休研究員胡寧生提出了新的直立柱模型和驗震實驗;中國臺灣成功大學教授顏鴻森等人主要針對地動儀的內部結構，提出了多種不同的設計方案;中國科學技術大學科技史專家李志超對地動儀復原的設計也提出了自己的方案。

模擬實驗與復原研究是科技史研究的重要手段。對于科技史上重大發明創造的復原，需要結合歷史文獻記載、出土文物資料，充分考慮科學原理、質地材料、當時的社會文化背景等因素，是一項難度非常大的工作。這也是張衡地動儀的復原模型一直存在爭議的主要原因。

總的來說，根據史料的有限記載，想要復原出跟張衡的地動儀一模一樣的模型是不可能的。同時，張衡的地動儀對于地震發生的時刻、震級、震中具體方位都無法給出準確信息。該地動儀只能在地震發生后做出反應，并沒有預報地震的功能。

盡管如此，現有的史料并非孤證，還是可以讓我們相信地動儀是確實存在過的，不能因為記載不夠詳細、沒有實物留存于世就全盤否定地動儀。在歷史的長河中，古人曾經有過不計其數的發明創造，但由于制作材料、戰爭、災害等各種原因，很多都沒有實物保留下來，后人只能通過歷史文獻對其有一個大致了解。至于那些既沒有實物留存，也沒有載于史冊的發明創造，連想象的空間都沒有留給后人。