张衡地动仪文献再研究

程 军，李 海

(1.中国科学技术馆资源管理处,北京 100101；2.山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同 037009）

张衡地动仪文献再研究

程 军，1李 海2

(1.中国科学技术馆资源管理处,北京 100101；2.山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同 037009）

对《后汉书》中有关地动仪的原理部分的文字进行分析,认为“柱”是和尊底相连的固定的直立杆,“都”是会聚的意思,“旁行八道”意思是从“柱”向侧旁有八条“道”可行,“八道”也是固定不动的,“八道”和“关”是相连的.并且应用地震学的原理进行分析,认为在当时的地震背景下利用地动仪测知地震方向很可能是可行的.最后对张衡地动仪重新作了初步设想.

张衡 地动仪 都柱

张衡地动仪是世界上最早的地震仪,被李约瑟誉为“地震仪的鼻祖”.[1]本文在前人工作的基础上,从文献角度对张衡地动仪再作研究.

1 前人对张衡地动仪的研究

130多年以来,中外学者给予张衡地动仪极大的关注,复原的模型不下10种.

1875年,日本曾留学国外的服部一三首先进行了张衡地动仪的外形复原,并在猜想图的四周抄录了《后汉书》有关地动仪的文字.[2]

1876年,英国工程师约翰·米尔恩到达日本,研究了张衡地动仪的原理,做了大量实验,认为张衡是第一位利用悬垂摆惯性原理测震成功的人.米尔恩把《后汉书》中有关地动仪的文字翻译成英文,第一个向西方介绍张衡地动仪.他对“中有都柱,旁行八道”是这样翻译的:“In the inner part of the instrument a column is so suspended that it can move in eight directions.”即“在地动仪的内部有一个悬挂的柱子,它能向八个方向运动.”[3]

王振铎于1936年根据米尔恩对悬垂摆工作原理的推断,绘制了地动仪内部构造复原图形(图1).

1937年,日本地震学家萩原尊礼做了地动仪的模型,其中的“都柱”为倒摆(图2).王振铎于1951年做出了直立杆展览模型,分别见图3、图4、图5; 1962年又对他1951年设计的地动仪模型作了修改,有两个设计复原图,图6是其中之一.[2-3]

图1 王振铎于1936设计的模型

图2 萩原尊礼设计的模型

图3 -1王振铎于1951年设计模型的俯视图

图3 -2 王振铎于1951年设计模型的都柱与八道的局部放大图

图3 -3王振铎于1951年设计模型的侧面图

图4 王振铎于1962年设计的模型

王振铎于1951年和1962年设计的模型都是在地动仪的正中竖立一根长长的细杆作为“都柱”,由细杆向八方的倾倒来测震.据冯锐等人研究,都柱的高径比约在50以下才可能简单地竖立起来,而要检测到陇西地震在洛阳的地面震动,只有在高径比达到1000以上时才能满足灵敏度的最低要求[4].这是冯锐等人否定王振铎的直立杆模型的主要理由.

1983年，荷兰Sleeswyk AW和美国Sivin V提出了一种模型,他们把粗大的“都柱”固定在地面,把尊体设计成能自由晃动的壳体,支点位于都柱上方,地震时外壳会摇晃(图7).[5]

图5 Sleeswyk AW和Sivin V设计的模型

图6 冯锐等人设计的模型

1995年李志超提出一种模型,把“都柱”设计成可活动的惯性体,柱下有八个伸出的底脚,下设八个青铜球,球下是尊的底.[6]

另外,还有李善邦、王湔、梁麦旺和梁绍军[5]、王鹏飞等人对张衡地动仪提出或制作了自己的复原模型.

2006年，冯锐等人制成了张衡地动仪的复原模型,其中的“都柱”是一约100kg的悬垂摆.[4]见图8.

前人设计的地动仪中,且不说“关”、“机”的设计有多种,即使是“都柱”的设计也有悬垂摆、倒摆、直立杆、完全固定于地面、可活动的惯性体等多种,对“都柱”的设计多数未能脱离米尔恩对“都柱”的理解,即认为“施关发机”由“都柱”来完成,是“都柱”向八个方向中的任一方向运动的结果.

众多的复原模型,既让人感受到百家争鸣的学术气氛,也使人产生这样的疑问:是不是对原始文献的理解产生了偏差?

2 有关张衡地动仪的文献

张衡创制候风地动仪.有关文献如下.

成书于唐代的类书《初学记》中著录了西晋司马彪《续汉书》中有关张衡地动仪的文字,“张衡作地动仪,精铜以铸,其器圆径八尺,形似酒樽,樽中有都柱,旁行八道,施关发机,外有八龙,首衔铜丸,蟾蜍承之,其机关巧制,皆在樽中.”[8]

宋代类书《太平御览》中也著录了《续汉书》中类似的文字,“司马彪《续汉书》曰:张衡……复造候风地动仪,以精铜铁(铸)成,员径八尺,合盖隆起,形如酒杯.如有地动,樽则震,寻其方面,知震所在,验之以事,合契若神.”[9]

东晋袁宏《后汉记》卷十九记载:“衡做地动仪,以铜为器,圆径八尺,形似酒樽,合盖充隆,饰以山龟鸟兽.樽中有都柱,旁行八道,施关发机,外有八方兆龙,首衔铜丸,蟾蜍承之,其牙机巧制,皆隐樽中.张讫,覆之以盖,周密无际,若一体焉.地动摇樽,所从来龙机发则吐丸,蟾蜍张口受之,丸声振扬,同(伺)者觉知,即省龙机,其余七首不发,则知地震所起从来也,合契若神.自此之后,地动,史官注记,记所从方起,来观之者莫不服其奇.”

南北朝进范晔《后汉书》卷五十九记载：“张衡字平子……阳嘉元年,复造候风地动仪,以精铜铸成,圆径八尺,合盖隆起,形似酒尊,饰以篆文山龟鸟兽之形.中有都柱,傍行八道,施关发机.外有八龙,首衔铜丸,下有蟾蜍,张口承之,其牙机巧制,皆隐在尊中,覆盖周密无际.如有地动,则振,龙机发,吐丸而蟾蜍衔之,振声激扬,伺者因此觉知.虽一龙发机而七首不动,寻其方向,乃知震之所在.验之以事,合契若神.自书典所记未之有也.尝一龙机发而地不觉动,京师学者咸怪其无征,后数日驿至,果地震陇西,于是皆服其妙,自此以后乃令史官记地动所从方起.”

前人对张衡地动仪的文字也曾有过不同的见解,例如李志超认为，汉代字书《释名》中“柱,住也”,说明柱字原义是建筑中不动的支撑件,“傍行八道”,“行”字也不能讲成倾倒.“都”是集总的意思,说明不是孤柱,还附带着八套机关.[6]但李志超设计的都柱是可移动的惯性体.王鹏飞认为，“都”有总指挥之意..[7]

《续汉书》《后汉记》《后汉书》中有关地动仪的文字基本相同,而以《后汉书》的文字最为充实.下面在前人分析的基础上,主要对《后汉书》中有关地动仪的原理部分的文字进行分析.

3 对张衡地动仪文献再研究

地动仪的原理部分从“中有都柱”开始,先来分析“柱”.《释名》解释“柱”为:“柱,住也”.(刘熙,汉代)[10]《说文解字》解释“柱”为:“柱,楹也.”[11]《释名》解释“楹”为:“楹,亭也,亭亭然孤立旁无所依也……孤立独处能胜任上重也.”[10]可见“柱”的原义是屋中固定不动的、用来支撑上面重物的、孤立的直立构件,即屋柱.柱本身是固定不动的,并且用来支撑上面的重物.虽然“柱”也有引伸义,指柱状物,但固定、直立的特性仍保留.例如琴瑟上面系絃的木块也称为“柱”,《史记·廉颇蔺相如列传》:“若胶柱而鼓瑟耳”;有的甚至指支撑的特性都仍保留,例如《墨子·备城门》“藉车之柱,长丈七尺.”[12]古文中还未见到将悬挂的杆或摇摆的杆称为柱的,将“柱”理解为固定的直立杆可能比较符合古文中“柱”的含义.下面从“柱”为固定的直立杆这个推断出发研究后面的文字.

“都”的含义是什么呢?“都”的本义有国君所居、人所都会之地的意思.《释名》将“都”解释为:“国城曰都.都者,国君所居,人所都会也.”[13]

“都柱”指什么柱?现在学者多数将“都柱”理解为大柱,虽然“都”的引伸义有一个是大,在这里解释为大似乎不妥.因为“柱”本身就是粗大、结实的东西,虽然大柱也说得通,似乎“都”的意义不大,如果理解成会聚、总领的意思,下面的文字容易说得通.“旁行八道”意思是从“柱”向侧旁有八条“道”可行,“道”不仅指道路,还有方位的意思.“柱”是固定的,“八道”会聚于“柱”,将“柱”和“八道”设计为连成一体的较妥,这样也可体现“柱”的支撑功能.联系下文利用“八龙”来测知方向,推断“八道”是在八个方向上均匀分布较妥,将“八道”设计为在同一水平面上较为方便.再看下文.“施”有施展的意思,例如《韩非子·外储说左上》:“不得施其技巧,故屋坏弓折.”[14]《说文解字》解释“关”为:“关,以木横持门户也.”[15]即“关”的本义是门闩.“关”的引申义中有要塞、控制、人体上的某些关键部位等,这里解释为关键部位较妥.“机”指制动装置,《说文解字》解释“机”为:“凡主发者皆谓之机.”[11]即用“关”来触发“机”.顺着原文的思路看,既然“柱”是固定不动的,那么由谁来“施关”呢?“施关”前文字只有“八道”,因此是“八道”“施关”.而“八道”即八条路理解为固定不动的较妥,“八道”要促使“关”起作用,和“关”相连的可能性大.

4 地动仪测地震方向的可行性

地震波分为纵波、横波和球面波.纵波的振动方向平行于波的传播方向,波速较快、能量较小;横波的振动方向垂直于波的传播方向,波速比纵波慢,能量比纵波大;球面波波速最慢.纵波最先到达地动仪处,如果仪器不够灵敏,纵波的能量不足以使铜球落下,那么随后而来的横波可能使铜球落下.

地震波的纵波传出地面时的地动位移方向,有背震源的,也有向震源的,若以背震源的作为正向用“十”表示,向震源的作为负向用“一”表示,则纵波传出地面时的地动位移方向显示出一定的规律性.约有以下三种情况:(1)过震中作界线,“十”、“一”各占一边;(2)以震中为中心,“十”、“一”交替,成环形分布;(3)“十”、“一”相间作象限分布,见图7.第三种情况最普遍.[16]在震中E附近的“十”区域内,纵波传出地面时的地动位移的水平分量背离震中E.如果使地动仪工作的是纵波,并且观测点S都在震中E附近的“十”区域内,那么利用惯性来判断震中在大多数情况下是可行的.

图7 纵波初动符号的分布

从“合契若神”可知使地动仪产生作用的是纵波;从“尝一龙机发而地不觉动,京师学者咸怪其无征,后数日驿至,果地震陇西”可知此地动仪很灵敏,有可能其中有使震动放大的部分,并且可以推知,在地动仪使用的那段时间里,地震大都是在京城可感知到的,这样的地震传到京城时,最先达到的纵波能量有可能“施关发机”.如京城在“十”区域内,利用地动仪来判断震中在大多数情况下是可行的.

5 张衡地动仪的重新设想

“柱”设计为固定的柱子.

“八道”可以设计成从“柱”向侧面八个方向均匀分布的八个相同的横杆.横杆“施关发机”,横杆和“关”是相连的.

每个横杆端部用绳悬挂一细铜棒,即“关”.

“机”的构造,可以参照上面介绍的王振铎1962年的设计(见图3-2),只是“机”斜向上朝柱伸出的部分改为水平伸出.“机”上与铜棒最邻近的部分Y型改为弧形,铜棒在弧的圆心,八个圆弧如果合在一起正好是一个圆.“机”的位于龙口的臂,应是长臂,转轴下的臂为短臂,当短臂端点有一微小的位移,会使长臂的端点有较大位移,因为转过的角度相同.

当地震时,尊体感受到最先到达的纵波的震动,在水平方向会做和地面水平震动方向同向的运动,而悬挂的铜棒即“关”由于惯性,保持原来的静止状态,“关”沿着与地面水平震动相反的方向触动“机”,从而使铜丸落下.

李约瑟曾提出，为使后到的横波不对地动仪起作用,各个“机”之间应有关联,一旦一个“机”被触发,则同时别的“机”被锁住[1].李志超曾有过龙锁的设计[6],或许可以参考.

有的学者提出疑问,“如果地动仪在陇西地震前的四次地震中反应都正常,为什么当时的学者却要在此后的陇西地震发生时才‘皆服其妙呢’?”[17]这个疑问不难解释.“地觉动”时,地动仪感知到地震不算太神奇,而这一次“地不觉动”,地动仪却感知到了地震，因而“皆服其妙”.

本文仅从文献角度对张衡地动仪作一研究,其中原理部分具体的各个部件的设计只是笔者初步设想,还有待进一步研究.

[1](英)李约瑟.中国科学技术史第5卷地学第二分册[M].《中国科学技术史》翻译小组译.北京:科学出版社,1976:341.

[2]王振铎.张衡候风地动仪的复原研究[J].文物,1963(2):1-9.

[3]冯锐，朱涛,武玉霞,等.张衡地动仪的科学性及其贡献[J].自然科学史研究,2006,25(增刊):1-15.

[4]冯锐,田凯,朱涛,等.张衡地动仪的科学复原[J].自然科学史研究,2006,25(增刊):53-76.

[5]冯锐，武玉霞，朱涛,等.地动仪的史料和模型研究[J].自然科学史研究,2006,25(增刊):34-52.

[6]李志超.天人古义——中国科学史论纲“再议候风地动仪”[M].郑州:河南教育出版社,1995:297－308.

[7]王鹏飞.张衡候风地动仪功能测试和感震原理的探讨[J].自然科学史研究2005,24(4):291-318.

[8](唐)徐坚等辑.初学记卷五地部上[M].

[9](宋)李昉等撰.《太平御览》二三五卷·职官部三十二[M].

[10](汉)刘熙撰,(清)毕沅疏证.释名疏证第五卷释宫室第十七[M].

[11](汉)许慎撰,(宋)徐鉉校订.说文解字卷六上木部[M].北京:中华书局影印,1963:12.

[12]汉语大字典编辑委员会.汉语大字典[M].武汉:湖北辞书出版社；成都:四川辞书出版社,1990:1188.

[13](汉)刘熙撰,(清)毕沅疏证.释名疏证第二卷释州国第七[M].

[14]汉语大字典编辑委员会.汉语大字典[M].武汉:湖北辞书出版社；成都:四川辞书出版社,1990:2176.

[15](汉)许慎撰,(宋)徐鉉校订.说文解字卷十二上门部[M].

[16]李善邦.中国地震[M].北京:地震出版社,1981:398.

[17]赵冠峰.张衡地动仪文献蠡读——对地动仪功能的重新认识[J].自然科学史研究,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

〔编辑李 海〕

1674－0874（2010）01－0089－04

2009-10-10

程军(1965－),女,安徽蚌埠人,博士,副研究员,研究方向:博物馆史、科学技术史、博物馆研究.