破譯張衡密碼——（一）錯從何來

百科探秘

世界上最早準確檢測出地震的科學儀器

千年后成為只能觀賞的藝術品

它是史書記載的傳說

還是我們沒有參透它的奧秘

失傳千年的地動儀，隱藏著未解之謎

它是世界上最早準確檢測出地震的科學儀器。許多年來，它和它的發(fā)明者一直是中國古代科技文明的象征。在1800年前，它就可以成功檢測出遠隔幾百公里，人們根本沒有感覺的地震?？墒牵l都沒有想到，就是我們引以為豪的這個地動儀，卻從沒有像史書記載的那樣，在地震發(fā)生時，吐出銅丸，指示方向。它神奇的測震功能，為什么會消失了呢（圖1）？

（１）史書記載的神奇儀器，在今天竟然成為只能供人欣賞的展覽品

主持人:為大家介紹一下來到演播室的兩位嘉賓，中國地震臺網中心的馮銳教授；國家歷史博物館的李先登研究員，考古專家。

中國人的驕傲，中國歷史上的偉大發(fā)明，誰會懷疑它有問題呢？

李先登:1976年唐山大地震，那么強烈，離北京這么近，張衡這個地動儀，居然沒有反應。

1976年，河北唐山發(fā)生里氏7.8 級地震，距離唐山175公里的北京有強烈震感，很多建筑物出現(xiàn)裂縫，然而放在歷史博物館中的地動儀卻沒有任何反應。這讓當時在歷史博物館工作的李先登疑惑不解，還沒等他想明白其中原因，又發(fā)生了另一件讓人哭笑不得的事

李先登:1988年，中國歷史博物館應邀在日本奈良舉辦了一個中國古代科學技術展覽。開幕式那一天， 1988年4月1日，因為當時我們想不出辦法，怎么通過震動，讓地動儀龍口把銅丸吐出來，落在蟾蜍的口里。實在沒辦法，就用一個木桿，去捅這個龍口，讓銅丸落下來，掉到蛤蟆的嘴里頭。這就成了當時大家調侃的對象（圖2）。

（２）1988年在日本展覽開幕式時拍攝的照片

主持人:馮先生聽到這種質疑是什么時候？

馮銳:我聽到這種質疑，差不多在2002年吧。

主持人:以前你也沒懷疑過這東西？

馮銳:沒有。我也是，我從小就接觸這個，就受到了這個教育，所以我也從沒懷疑過。而且你看我還是搞地震的。我是純粹搞地震學的?，F(xiàn)在我都60多歲了，都退休了，等老了才發(fā)現(xiàn)，這個是不對的，也是很慚愧的事。

關于地動儀的記載，最為人熟知的，就是南北朝時范曄在《后漢書·張衡傳》里的描述，地動儀“形似酒尊，中有都柱”，曾經成功驗證了一場人沒有感覺，而地動儀有反應的隴西地震而聲名遠揚。不僅如此，現(xiàn)代地震學之父米爾恩，（圖3）在他的第一本地震學專著中，肯定了自己的地震儀設計思想是來自中國張衡地動儀的啟發(fā)。難道這些記錄和評價都錯了嗎（圖4）？

（３）現(xiàn)代地震學之父約翰·米爾恩

（４）1894年，近代世界第一臺地震儀問世

主持人:在我們很多反映中華古文明的影視作品當中，地動儀和司南、指南車，都是非常重要的一些鏡頭啊。

馮銳:對，實際上一直混著。很多人把它當作出土文物。就是它，沒有別的了。

主持人:我也一直以為它是出土人文物呢。

馮銳:張衡的地動儀，在歷史上是測過地震的。它的發(fā)明是在公元132年，記錄到了公元134年的隴西地震。但是后來，到東漢末年的時候，公元190年，董卓把洛陽燒了，兩百里沒有人煙，它就失傳了。所以現(xiàn)在我們看到的所有的地動儀，都是根據(jù)史料記載復原的模型。

張衡地動儀盡管在1800年前已毀于戰(zhàn)火，但史料中生動的描述卻讓后世的人們對它心馳神往。近代地震研究開始以來，許多國家的研究者都曾設計過地動儀的復原模型。但最為人熟知的，就是一個有點像啤酒桶形狀的地動儀。1952年它開始進入我們的視野（圖5），隨即被編入全國中小學教科書。這個我們最熟悉、甚至被誤認為當年張衡所做的地動儀究竟來自哪里呢？

（５）在中國廣為人知的地動儀形象

李先登:這個復原的漢代張衡地動儀，是歷史博物館的老先生，王振鐸先生，1951年復原的。我們過去用的，宣傳的，都是這個模型（圖6）。

（６）歷史博物館的王振鐸先生1951年設計、復原的張衡地動儀

馮銳:因為復原人的不同的理解，不同的設計，它的形狀和原理與原物就會有很大的不同。你知道全世界現(xiàn)在有多少嗎？全世界一共有13種地動儀，美國有美國的張衡地動儀模型，日本有日本的張衡地動儀模型，英國有英國的張衡地動儀模型，荷蘭有荷蘭的，中國有中國的。這個模型是王振鐸先生1951年設計的。王先生1936年還設計過一個。這兩個模型原理、外形全都不一樣。所以就是同一個人，在不同時候理解也會不一樣。但是它不是一般的工藝品，可以自己設計。它是個儀器，不僅要符合史料，而且還要有一定的功能。

2002年，地震學家馮銳因為地震科普的需要，第一次接觸到了地動儀的內部結構，他吃驚地發(fā)現(xiàn)，這個大家都引以為豪的地動儀，竟然存在著原理性錯誤。

主持人:在我小時候的印象當中，說是里面有一個柱子叫都柱，這個都柱感覺到地震波以后，一倒，觸動機關，然后龍就吐珠了？

李先登:是這樣，中間一個都柱，就是一根桿，有地震波過來的時候一倒，然后龍頭就張口了，把銜著的銅丸掉在蟾蜍嘴里。

主持人:這個真的做得到嗎？如果咱們不考慮地震，如果我來碰這個都柱的話，這個龍能吐珠嗎？

李先登:是的。但是這個柱子，如果有人在它旁邊走動，或者有點什么震動，它也會倒，它的問題在這兒。就是說，不是非得有地震波來了它才倒，旁邊有一點震動它就倒。

地動儀模型的都柱是一個直立的棍，了解現(xiàn)代地震學知識的人，都知道這種結構根本無法準確區(qū)分出地震和其他震動。馮銳無法理解，曾經成功檢測出隴西地震的張衡地動儀怎么可能是這樣的？

馮銳:地震波不是這種爆炸沖擊，是很不一樣的。地震波是兩個巖石的錯動沖傳出來的，這種波的特點是，它到了地表以后，上下的顛動非常輕微，甚至你察覺不到。如果是爆炸、人走、房倒，地面是上下顛動的，甚至旁邊有個汽車一過，馬車一過，大家也可以感到。這是爆炸波，它沖擊過來了。

地震是另外一種情況，它是剪切的。所以它這個波動過來以后，水平晃動是主要的。

地震是地殼內部的巖層交錯剪切斷裂而形成，傳到地面的地震波和其他震動波最大的不同，就是地面除了上下顛簸，還有很強烈的水平晃動。地動儀要能檢測出地震，必須只對地震波帶來的水平晃動產生反應，而不怕地面的上下顛動。但一個直立的細桿，是沒有辦法做到這一點的，為什么一個錯誤的地動儀會存在這么久而無人過問呢？

馮銳:其實學術研究上，從1969年開始，學術界就有文章，國內和國外，一篇一篇：反對，否定。一再提出批評，批評得很厲害，但我們不知道。地震學界，自然科學和社會科學脫離。

李先登:我曾在日本待了3個月，很多日本朋友對我提出善意的質疑。我回來以后，把這些情況向王振鐸先生做過匯報，王先生也認為應該改進，因為這些問題沒有辦法解決。

馮銳:這樣就發(fā)現(xiàn)國際上負面的影響非常強烈。由于大家都誤解這個就是張衡地動儀，是出土的東西，可它又不工作，它原理又錯了。這個設計原理，地震學家一看，肯定是錯的。有些文章就指出，說中國把張衡地動儀奉為國粹，實際上它是不可靠的，是不科學的東西，是他們那個民族希望的，想象的東西。所以張衡地動儀失傳了，沒有張衡地動儀，對世界科學史沒什么影響。

1951年復原模型的錯誤，讓張衡和他的地動儀受到國內外普遍質疑，這種質疑甚至激烈到對中國古代科技思想的整體否定。奧地利學者雷利柏尖銳地提出，張衡地動儀不是一個科學的儀器，中國的張衡和他的地動儀根本沒有對地震學的發(fā)展起過任何作用。這對從事地震研究40多年的馮銳來說，無論如何也接受不了。但如果是復原模型錯了，那么真正的張衡地動儀會是什么樣的呢？在各個國家設計的地動儀模型中，一種與直立棍不同的思路引起了馮銳的注意。

馮銳:這個設計師是米爾恩，是地震學鼻祖，他是最早設計的，他推測張衡地動儀，是懸掛的（圖7）。他把漢文翻成英文的時候，就把 “中有都柱”，直接翻譯成 “中間有一根柱子，這個柱子是懸掛起來的”。

（７）米爾恩設計的張衡地動儀

張衡的偉大在于什么？在他注意了這么一種物體的運動，地震的時候它才動，不是地震它不動。

主持人:什么東西會有這個特性呢？

馮銳:這個特性人們注意了很多年了，只有兩種物體的運動是有這個特性的。一種是吊燈。房頂?shù)鯚?，或者懸掛物，你怎么顛它不動，它不會動的，可地震波一晃動，它就晃起來了，像秋千一樣。還有一種物體的運動，水面，液體的表面，有這樣的特點。你水平晃，它馬上晃起來。所以這兩種物體，對于測震學來說非常重要。

懸垂的吊燈，對地面的水平運動非常敏感，還會因為慣性不停搖擺。而這種地面水平運動正是地震波的特征性標志。19世紀，英國人米爾恩首先把懸掛物的這種屬性，運用在地震監(jiān)測研究中。懸垂擺原理成為現(xiàn)代地震學的基礎理論，米爾恩也因此成為現(xiàn)代地震學的鼻祖?？墒?，米爾恩是在19世紀近代科技發(fā)展的基礎上才確定了這樣的理論，在1800年前的東漢，張衡有可能會想到利用懸垂擺的原理來發(fā)明地動儀嗎？

主持人:這個原理張衡當年能知道嗎？

李先登:從考古發(fā)現(xiàn)的文物上來看，漢代就有吊在屋頂上的吊燈?？脊虐l(fā)現(xiàn)的漢代的吊在屋頂上的銅人，做得很有藝術性，是一個銅人，手捧著燈盤（圖８）。這些應該說，都可以給張衡地動儀的發(fā)明一種啟示。如果當時有地震，那么掛著的吊燈一定會晃動，它晃動，就表示有地震產生。另外更早，比如說從商周以來，咱們發(fā)明的演奏用的編鐘、磬，這些都是懸掛的。

（８）漢代人形吊燈

主持人:它不懸掛敲不出聲來？

李先登:對。

馮銳:懸掛物用于測震為什么很容易被人發(fā)現(xiàn)？因為它有三個突出的優(yōu)點，第一個優(yōu)點，只有地震我才動，不是地震我不動。第二個優(yōu)點，它比人靈敏。 第三個優(yōu)點，它一晃起來沒完沒了，就跟秋千一樣，很容易被人發(fā)現(xiàn)，引起科學思想誕生。另外，我們還要看史料，史料當中有沒有這樣的根據(jù)，它談不談這個問題，我們看史料。史料寫得很清楚，就像《后漢記》，袁宏寫的，寫得很清楚——“ 地動搖尊” 。叫作“搖”啊，不是顛，然后說：“尊則震，龍機發(fā)，吐丸，蟾蜍張口受之”。說明他觀測的是一個水平運動。

馮銳花了兩年多的時間，論證了張衡地動儀的工作原理應該是懸垂擺，而懸垂擺的地動儀完全有可能在京師洛陽測到幾百里外隴西發(fā)生的地震。可是由于長期的誤會，1951年的復原模型一直被當作真正的張衡地動儀，出現(xiàn)在學校教學和展館展覽中。

馮銳:所以必須重新復原，這是肯定的。如果不重新復原，問題無法解決。

主持人:對于前輩的失誤，我們不諱言，當年就是錯的。

馮銳:但是我們還要肯定他們的貢獻。以前做復原模型，大家都僅僅是畫個想象圖，英國那個是1883年畫的，畫個圖就算復原了。1951年模型的貢獻是有了一個實體的展覽模型，讓大家能直觀地理解它，這是個很重要的發(fā)展。正是由于這個模型，使我們很多人了解了地動儀，了解了地震，世界上更多的人知道了中國的偉大科學貢獻?，F(xiàn)在是21世紀了，我們這一代人的任務更加艱巨，光有形還不行。

主持人:要讓它真正能工作起來。

馮銳:對，這就是我們現(xiàn)在的任務。

就在馮銳論證地動儀內部結構的同時，在張衡的故鄉(xiāng)，剛剛建成的河南博物院又一次遇到地動儀不能動的尷尬，他們決定向全國招標，再造地動儀。2004年，河南博物院和中國地震臺網中心成立了重新復原張衡地動儀的課題組，打破了以前考古學家不懂地震，地震學家不熟史料的局限。

然而張衡地動儀早在1800年前已毀于戰(zhàn)亂，今天所有對地動儀的記載僅僅只是《后漢書》中的196個字，它們就像一段密碼，把張衡和他的地動儀鎖在塵封的歷史中（圖９），馮銳他們能破解古人留下的這段密碼，解開張衡地動儀的秘密嗎？

（９）《后漢書》中關于張衡地動儀的簡要記載