解密地动仪

韩吉辰

提起地震，人们便会想起张衡发明和制作的世界上第一架记录地震的仪器——“地动仪”。然而，自东汉末年以后，就再也没有谁能知道地动仪究竟是什么样子。而今公众看到的地动仪既非原物又非出土文物，而是后人根据史料记载所设计和制作的模型，最近的一个复原模型上个月在山西“出炉”，这也是国家“张衡地动仪科学复原”课题组最新的一次尝试。人们之所以对复原地动仪如此感兴趣，是因为它一度被誉为现代地震学的奠基石，但它究竟能不能“工作”又是如何“工作”的，在后人看来还是一个谜。

历史记载中的“地动仪”

据《后汉书·张衡传》记载，地动仪“以精铜铸成，圆径八尺”，“形似酒樽”，上有隆起的圆盖，仪器的外表刻有篆文以及山、龟、鸟、兽等图形，仪器的内部中央有一根铜质“都柱”，柱旁有八条通道，称为“八道”，还有巧妙的机关。仪体外部周围有八条龙，按东、南、西、北、东南、东北、西南、西北八个方向布列，龙头和内部通道中的发动机关相连，每个龙头嘴里都衔有一个铜球。对着龙头，八个蟾蜍蹲在地上，个个昂头张嘴，准备承接铜球。

当某个地方发生了地震，地震波由震中传来时，樽体随之运动，触动机关，使发生地震方向的龙头张开嘴，吐出铜球，“当”的一声，落到铜蟾蜍的嘴里，于是人们就知道了地震发生的方向。

汉顺帝三年十一月壬寅(公元134年12月13日)，地动仪的一条龙的机关突然发动，吐出了铜球，“当”的一声，掉进了下面蟾蜍的嘴里。当时在京城的人们丝毫没有感觉到地震，于是有人责怪地动仪不灵验，甚至说张衡有意造谣生事!没过几天，陇西有人飞马来报，证实那里前几天确实发生了地震，众人“于是皆服其妙”，对张衡的高超技术表示了信服。你看，陇西距洛阳有1000多里呢，地动仪标示无误，说明它的测震灵敏度是比较高的。

据学者们考证，张衡在当时利用了力学上的惯性原理，“都柱”的设立是关键，能够感知地震波的到来，实际上起到惯性摆的作用。张衡对地震波的传播和方向性也有所了解，这些科学成就是十分了不起的，在欧洲直到1856年，才由意大利人路吉。帕米里制成与此类似的仪器，比起张衡的发明足足晚了1700多年。可惜的是，随着汉朝的灭亡，张衡地动仪神秘消失，成为中华民族科技发明的又一个千古之谜。

复原“地动仪”的关键

有关张衡“地动仪”，在史书中留下过记载。见于《后汉书》的一段记载只有196字，其中描述地动仪内部结构的内容更只有“中有都柱，傍行八道，施关发机”这12个意义隐晦、众说纷纭的字。以后，北齐的信都芳和隋朝的临孝恭也都制造过地动仪，还留下了相关著作，可惜他们的著作也都亡佚了。显然，仅根据《后汉书》中的简单记载，要复原张衡的地动仪十分困难。今天的复制品，其实是在史书那些“约束条件”之下所作的新创造。尽管如此，《后汉书》的记载，还是向我们提供了一些珍贵信息。

但是，一些西方学者却持完全否定态度，认为张衡地动仪不属于科学发明，之所以失传，是因为它没有达到科学的要求。为一探究竟，我国很多科学家不断研究，制作出来地动仪复原模型。

关于地动仪的结构，关键是对“都柱”的理解。先后有两个版本；一种模型即“都柱”是一个类似倒置酒瓶状的直立杆，控制龙口的机关在“都柱”周围，这一种模型最近已被基本否定。另一种模型即“都柱”是悬垂摆，摆下方有一个小球，球位于“米”字形滑道交汇处(即《后汉书·张衡传》中所说的“关”)，地震波传来时，“都柱”拨动小球，小球击发控制龙口的机关，使龙口张开。这种模型经模拟测试，结果与历史记载基本吻合，于是“悬垂摆原理”取代了传统的“直立杆原理”。这一科研成果得到了来自中国科学院、国家博物馆、中国地震局等单位的地震学和考古学专家的肯定。

那么，张衡“地动仪”为什么可以感觉到远方的地震呢?我们还必须从地震的发生原因谈起。

地震发生的原因

其实，地震就是地动，是地球表面的振动。据地震科学家精确测定；全球每年发生地震500多万次，不过，这些地震极大多数都是极其微小的，只有精密仪器才能够觉察。其中强震在20次左右，多在人烟稀少的地区和海洋地区，产生地震的时间并不具有规律性。

地震一般发生在地壳之中。地壳并不是“铁板一块”的完整一片，它是由一块一块“板块”构成，板块当中有的块大，有的块小，地壳中大的板块有六个，如果一旦受到力的作用，使地壳中的岩层变形、断裂、错动，于是便发生地震。世界上85％～90％的地震，都属于构造地震，四川5.12“汶川”地震，就是来自于印度板块推挤青藏高原的相对运动。

引起地壳振动的原因很多，有人为的原因，比如核爆炸、开炮、机械振动等；也可以是自然界的原因，比如构造地震、火山地震等，地震可能与天文因素有关，主要指太阳、月亮对地球产生的引潮力，它可以引起地球表面流体的潮汐(如海潮、大气潮等)，其实这种“引潮力”对于地壳岩石也有推拉的作用，虽然不能像海水一样涌来涌去，但是长年累月的积累，这种“引潮力”对于地壳的作用也不可小看。

一次地震的发生，只有在一定范围内的人们才能感觉到。地球内发生地震的地方，叫“震源”。震源上方正对着的地面称为震中，地震时，在地球内部出现的弹性波叫作地震波。这就像把石子投入水中，水波会向四周一圈一圈地扩散一样。地震波的能量在“震源”处最大，在传播过程中逐渐减弱，传到一定的距离，就可以弱到人们感觉不出来。地震波主要包含纵波(P波)和横波(S波)，振动方向与传播方向一致的波为纵波(P波)，将引起地面上下颠簸，速度在每秒7千米左右，而这部分纵波携带的能量只占地震波全部能量的一小部分。振动方向与传播方向垂直的波为横波(S波)，能引起地面的水平晃动，速度在每秒4千米左右。由于纵波在地球内部传播速度大于横波，所以地震时，纵波总是先到达地表，而横波总落后一步。这样，发生较大的地震时，一般人们先感到上下颠簸，过数秒到十几秒后才感到有很强的水平晃动。

众说不一“地动仪”

张衡地动仪由于失传已久，后人只能根据史料记载进行分析，因之看法有所不同。有人认为，根据地震波的传播机理，张衡“地动仪”是不太可能做到“验之以事，合契若神”的。因为根据初波的震动方向，是可以知道震源方位。但初波非常微弱，而这部分初波携带的能量只占地震波全部能量的一小部分，如果张衡地动仪能敏感到对“第一哨”初波就做出响应，那么足以有许多别的和地震无关的振动对它产生影响，从而让人误把许多不是地震的振动也当成是地震，但如果要让张衡地动仪保持一定的“迟钝”性，它又有可能无法“感觉”到地震的初波，直到之后的各种波陆续传来时才被“惊醒”，可是这些迟来的波的振动方向已经完全不能代表震源的方向了。

一种观点认为，如果地震稍强一些，当地震波传来，将引起地面上下左右颠簸摇晃，这时地动仪的八个球会一同落下。就是说，地动仪可以感觉记录到地震的发生，但是无法准确报告地震的大小和方位。

还有人认为，记录一次地震必须有三个要素：发震时刻，震中位置和震级(地震强度)。即使张衡地动仪能够记录震中的方向。使用几台地动仪“联网”，也可测出震中位置。但地动仪却无法记录发震时刻，更无法记录震级。因此，从现代地震学的角度来看，张衡地动仪并不能全面记录地震，不属于观测地震的仪器，称地动仪是“世界上第一台地震仪”，是不准确的。

笔者认为，张衡地动仪是我国古代伟大的科技发明，远在1800多年前，张衡的地动仪利用当时的物理知识，对于地震的发，生与方位有所掌握，从这一点来看，意义已经足够大了，这是我们中国人引以为豪的一项古代科学成就。我们决不能用我们现代科技强求古人，更不能全盘否定，不承认这项伟大发明。

(文章代码：1807)

[责任编辑]庞云