三議候風地動儀

當前由于形勢大好，領導關懷，復原張衡地動儀的事又熱了。交流討論使大家的認識都有進步。本文要商榷不同見解。筆者曾在2004年5月的《北京科技報》上經(jīng)記者陳毅然之筆提出復原古器物三條標準：一、不脫離當時知識和工藝背景；二、性能滿足史料記錄的水平；三、對史料每個字都有交代。以此標準不難評斷各家復原張衡地動儀的工作。經(jīng)由馮銳的分析（參見馮銳、武玉霞《中國地震》19卷4期，2003年12月），確認筆者十幾年前發(fā)表的復原設計（參見李志超《候風地動儀新說》，原載《尋根》1994年第1期，以及《天人古義》，河南教育出版社1995年版，大象出版社1998年再版，下面簡稱“再議”）屬于檢測地震加速度的類型；而1936年王振鐸的懸擺方案（圖1）則屬于檢測地震位移的類型。

地震學專家傾向采用懸擺方案來復原。其理由是：地震波的動態(tài)過程決定，只有懸擺可以正確反映震源的方位。遠方地震，如從洛陽看的隴西地震，傳來的震波分三大階段：第一波叫“P-波”，是垂直于地面的震動，幅度很??；第二波叫“S-波”，是在水平面內(nèi)的震動，方向很不確定，大體平均是垂直于來源的方向，幅度最大，持續(xù)時間較短而頻率較高（約在10赫茲以上）；最后是“R-波”，主要是在水平面內(nèi)的震動，方向與來源一致，持續(xù)時間達10～20秒，頻率約1赫茲。只有周期振動的擺，其固有頻率接近R-波，能對P-波和S-波不作反應，只與R-波作共振型的響應，從而能在幾個周期以內(nèi)把振幅加大到較大的幅度，能撥動一個銅球滾向擺振的方向，也就是震源的方向。

持此說者強調(diào)原文中的“振”字，說那是指周期振動。同時還強調(diào)張衡之儀是能反應震源方向的。有了這兩條就決定了只有懸擺適合。而且他們還用實例說明：用長電線吊在天花板上的燈，在地震時會擺動，振幅比地動大。

筆者則認為：原文的“振”不必是周期振動，如“振臂一呼”不是頻頻搖手，“新浴者必振衣”只是抖一抖而已。“振動”一詞只在近代力學中定義為周期性往復運動。在地動儀史料里，“震”字恰為突發(fā)性短促的非周期動蕩，而“振”字則是“啟動”“發(fā)動”的意思。況且張衡以及史書作者也不可能知道地震有三波，以及方向、振幅和頻率等等精細特性。再說，即便是現(xiàn)代人處心積慮設計的懸擺，仍然不能區(qū)分正反兩個方向，西來的地震波也可能使東邊落球。還有，如果懸擺搖晃到可以看得見的程度，那就不能說“地動而人不覺”。自身雖未感覺而看見物件晃動，也不能算是“人不覺”。以那些依據(jù)說張衡地動儀的都柱是懸擺，立論站不住腳。從訓詁學看，古文沒有把懸擺型物件稱作“柱”的，更不提還有個形容詞“都”。有叫“縣”的，如《考工記》：“匠人建國，水地以縣，置以縣?！薄赌?jīng)》：“發(fā)均縣輕而發(fā)絕?！?/p>

張衡設置八道機關，目的不可能是測定震源方向，只是個“圍堵戰(zhàn)術”——不知道大地會向哪邊動，八面包圍，總有一面會發(fā)機。從現(xiàn)代科學分析也看不出當時有檢測地震方位的可能性。原文只說：“嘗一龍發(fā)機”，沒有說是哪一個機。如果方向符合實際，就是正西，那應該說“西龍”，而非含糊的“一龍”。至于史官們記成“乃知震之所在”、“自此以后乃令史官記地動所從方起”云云，不過是誤解而已。所以，要想使張衡地動儀能檢測震源方位，是違背當時的知識背景的，既不可能也不合理。原文的“知震之所在”應予否定。張衡的設計思路不會考慮是測加速度還是測位移，他只可能是簡單地想要檢測微弱的大地震動。那么實際就是振幅最大的S-波使儀器動作了。

王振鐸對“外有八龍”詮釋之荒謬，已由李志超“再議”之文檢討過。那不但是尚無定論的試驗儀器所不允許的蛇足，也妨害頂蓋的開合操作。在晉人袁宏《后漢紀》此句為“外有八方兆龍，首銜銅丸”?！罢垺碑斒菣C件專名，即李志超“再議”文中的龍機（圖2中有）。漢隸“兆”字形如，恰如龍機之形。此外，袁宏書中值得注意的還有“牙機巧制皆隱在樽中，張訖，覆之以蓋。周密無際，若一體焉”。句中“張”字當以《尚書·太甲》“若虞機張”，即“張弓（或弩）待發(fā)”之義為解。是必有須張之機。八龍雖曰在“外”，但非在樽外，而只是在都柱的外圍。因為那八龍是機件，要“隱在樽中”。

倡議懸擺方案的都回避“圓徑八尺”，不作交代。懸擺不需要一個很大的銅樽，有二尺直徑足夠了，甚或根本不必使用封閉容器，只要置于密室即可。僅從這精銅大樽即可猜測那些“牙機巧制”必須要有一個如大樽樣的空間，并以此大樽為其不可分割的組件。大樽的功用首取沉重，可以避免非地震因素的干擾。為此，都柱也要有與此匹配的重量。在李志超的設計中，兩件都取約2噸（馮銳文中說的是幾十噸，太大）。作為機件，大樽是把大地的震動傳給都柱周圍八個機牙的主動者。機牙要發(fā)動，須受兩個大質(zhì)量物體的組合作用。一個是樽，代表大地；另一個是不與大地緊合的準自由慣性體，即都柱。兩者一擠，機牙才發(fā)動。此所以都柱重量需與大樽相近。有足夠的質(zhì)量才能充分分享利用地震的幾乎是無限大的能量，以使幅度很微小的震動能推得動杠桿放大機構。取軸對稱的圓形，且周密無際到“若一體”的程度，都不是隨便做成的，有其結構的和力學的理由。那是在一定材料和尺寸限制下的結構力學最堅強的構形。蓋子的形狀以半球形最合此要求。只有樽體足夠硬，不變形，才能從任何方向擠壓都柱系統(tǒng)時都最有效而不損失靈敏度。

但是，筆者所已提出的復原設計可以很簡單地修改成只檢測R-波位移量的裝置。那就是在都柱周圍加八個彈簧弓（見圖2）。或不用加弓，而把八個腳下銅球去掉，換成八條彈性支腿，像章魚。再把樽沿上的八個關弄松，使之與所要觸動的杠桿之間有個小縫隙?？p隙的大小決定靈敏度，很容易調(diào)節(jié)。這么一改就使都柱變成真正的“倒立擺”，而上述各項結構和運動的力學要求照樣有效。

馮銳之文正確地指出：王振鐸的立棒不能叫“倒立擺”。倒立擺與懸擺不同，要有彈性構件，因而也能作周期振動。懸擺的周期只決定于擺長，而與質(zhì)量無關；倒立擺則與質(zhì)量有關，質(zhì)量越大周期就越大?？梢詮奶\動員在踏板上的上下振動認識倒立擺，只是跳水踏板是橫放的，而倒立擺是直立的。由于都柱有約2噸重，要使都柱以約1～2秒的周期振動，彈簧性構件該是很硬的。

盡管可以容易地設計出既符合原文又能定方向的地動儀，筆者還是認為以檢測加速度而不管測定方向為更符合歷史實際。但是倒立擺方案可以與非擺方案并舉，一物兩用，為觀眾演示力學。

在李志超的“再議”文中曾總結候風地動儀的成就：作為自動測量儀器，具備了三大要素——敏感器（檢震器）、放大器、顯示器，與現(xiàn)代概念一致。加上上述運動和結構的力學處理的高度完美，我們可以說：張衡的科學實驗造詣之高，遠遠超越時代，是非常令人驚訝的！

附錄：

《后漢書·張衡傳》中關于“候風地動儀”的記載

陽嘉元年，復造候風地動儀，以精銅鑄成。員徑八尺，合蓋隆起，形似酒尊，飾以篆文山龜鳥獸之形。中有都柱，旁行八道，施關發(fā)機。外有八龍，首銜銅丸，下有蟾蜍，張口承之。其牙機巧制，皆隱在尊中，覆蓋周密無際。如有地動，尊則振，龍機發(fā)，吐丸而蟾蜍銜之，振聲激揚，伺者因此覺知。雖一龍發(fā)機，而七首不動，尋其方向，乃知震之所在。驗之以事，合契若神。自書典所記，未之有也。嘗一龍機發(fā)，而地不覺動，京師學者咸怪其無征，后數(shù)日驛至，果地震隴西，于是皆服其妙。自此以后，乃令史官記地動所從方起。