破譯張衡密碼

一段人人都了解的史料；一個天才科學家留下的密碼。

重新復原地動儀，能否勘破玄機?

我們從小在課本和各種展覽中見到的張衡地動儀，是中國歷史博物館王振鐸先生在1951年根據史料記載復原的模型(圖1)，這個“地動儀”不能檢測地震。模型內部結構原理性的錯誤，使張衡地動儀的科學性受到國內外尖銳的質疑。

2004年，河南博物院與中國地震臺網中心合作，對地動儀開展科學復原。

新復原的地動儀，不僅要符合史書記載，能夠檢測地震，還要符合東漢那個時代所能達到的技術水平。而當時他們手上僅有的，只是《后漢書-張衡傳》中的196個漢字。這段被很多史學家評論為孤證的地動儀記載，能夠讓他們找到復原的依據嗎?面對簡練深邃的史書記載，他們如何破譯張衡留下的密碼，復原出當年那個神奇的地動儀呢?

“發(fā)現”地動儀外形

主持人：古書里面怎么說地動儀的?

李先登(國家歷史博物館研究員，考古學家)：《后漢書·張衡傳》講得很清楚，張衡的地動儀形狀和酒尊差不多。解放以后，考古出土了很多漢代的酒尊，多數都是一個圓形，但是直壁，并不是中間鼓肚的，中間鼓肚的一件都沒有發(fā)現(圖2)。

考古學家對地動儀外形的質疑引起了地震學家馮銳的注意，他雖然花了兩年時間得出張衡地動儀內部的都柱應該是一個懸垂擺的結論，可是都柱懸垂擺動需要的空間，是舊模型無法提供的。既然儀器的外形是由原理決定的，隨著原理的徹底改變，必然迫使馮銳要思考：張衡地動儀的外形究竟是什么樣的?

馮銳(中國地震臺網中心教授，地震學家)：史料說“圓徑八尺”，好，那我們查查漢尺吧。平均數，一漢尺是23.48厘米，八漢尺就1.88米，直徑知道了。史料還說“形似酒尊，其蓋穹隆”。我們把漢代酒尊的照片都拿來，統(tǒng)計完了以后知道了，高度和它的直徑比，大體在1.4到1.6。這樣高度就知道了，高度就應該在2，6到2.9，接近5米這么高。

出土的漢代酒尊，直徑與高的比例，接近黃金分割，地動儀的外形尺寸因此可以確定。圓底直壁，正好提供了懸掛物擺動的空間，史料記載和科學原理相符!

還需要考慮蟾蜍的位置問題。

李先登：原來布展的時候，這八個蟾蜍的位置，沒有很嚴格的科學的規(guī)定，場地大的時候，我們可以把它稍微往外點；場地小的時候，沒有辦法。

2003年，我們和馮銳先生等一起去了洛陽漢代靈臺遺址，就是當時的天文臺，張衡具體放地動儀的遺址。我們去到實地做了考察。

馮銳：當時靈臺相當于現在的科學院，42個人，都是科學家。有觀星的，有做歷法的，都在那兒。

李先登：我們到那兒考察，張衡這個地動儀，當時只能放在臺上最大的一間，在臺體的第二層，西側靠北的屋子里。現在還可以看到，地上墁了兩層質量很好的方磚，能夠承受地動儀巨大的重量。別的屋子小，根本就不行，也沒有鋪這方磚。

洛陽靈臺，是張衡擔任太史令時工作的地方，地動儀就是在這里測出了遠在幾百公里之外的隴西地震。根據計算，如果蟾蜍散放四周，實際圓徑達到3.75米，超出了考古證明曾經擺放地動儀房間的2.2米的范圍，不可能擺下。而據范曄在《后漢書》中的記載，也無法確定蟾蜍究竟是依托尊體，還是散放四周(圖3)。

馮銳：在歷史學家，考古學家?guī)椭拢职l(fā)現了新的史料。記載張衡地動儀的，不光是《后漢書》了。范曄是公元445年寫的，比他更早的有《后漢記》，還有《續(xù)漢書》，司馬彪寫的。

尋找蟾蜍的位置，竟意外發(fā)現了更多的史料記載，對比這些比范曄早約150年的記載，問題豁然開朗。范曄的“下有蟾蜍張口承之”一句，在西晉司馬彪的《續(xù)漢書》中是兩句：“下有蟾蜍承之”和“蟾蜍張口受丸”。這樣很明確地表達出：蟾蜍既是尊體的器足，又能張口受丸。

根據新發(fā)現的史料，地動儀的外形基本可以確定下來。最艱難的內部結構設計隨即開始。地動儀要工作，科學參數必不可少。如果說外形，還有文字描述，內部結構的科學數據，又該到哪里去尋找呢?“尋找”地動儀參數

馮銳：科學復原的一個要害是什么呢?是必須定量。我們必須從史料當中去讀出定量的信息來。如果都柱懸掛，這樣的高度，它的周期是多少呢?應該是在1.4秒到2.7秒之間。我們再看地震波，隴西發(fā)生地震到了洛陽臺，這個波動的周期，是在1秒到10秒這個范圍里頭。好，說明這個儀器它的固有周期跟地震波是吻合的。

科學復原地動儀，必須以地動儀測出的隴西地震為標準，推算出設計儀器需要的定量參數。以往地動儀復原的最大困難，是考古學者不了解地震儀器參數，地震學者不熟悉史料記載。這一次，馮銳必須站在兩個學科的交叉點，一點點打通古文記載和科學參數之間的關聯。

馮銳：史料說，“地動搖尊”。好，那顯然觀察到、看到它搖晃了啊，如果它沒搖晃，你怎么寫“地動搖尊”呢?

主持人：那么大的東西它要動起來?

馮銳：要動起來，起碼得有2到4毫米，你才能看得見。好，這個地面的運動幅度我大體知道了吧?

主持人：那房子不塌呀?

馮銳：不會的。因為它周期很低，低周期，房子并不會倒，而且人可能清宮沒有感覺，地震波就是這個樣子。

參數還不夠，“果地震隴西”，它記錄了隴西地震，這是一個非常重要的實證材料。必須把震中位置，大體的位置要搞清楚。

“后數日驛至”，數日，過了幾天，騎馬的來了，這還沒準確。數日是幾天啊?三五天的時間，“驛至”，驛馬的速度多少?“日行三百”。除了打仗以外，皇帝的詔書也得“日行三百”，等于一百五十公里。大體距離就是六百公里。這個距離呢，恰恰就是天水附近。

在這段隴西地震的記載中，地震學家推算出了復原地動儀所必須的定量參數。然而有了這些定量數據，才只是從理論上證明張衡地動儀有可能被科學復原。真正的結構設計中，難題很快出現：

地動儀最重要的內部結構就是都柱。史書記載，都柱感受到地震波，發(fā)生共振，引發(fā)地震方向的龍頭吐丸，其余七個龍頭并不動。可是遠隔幾百公里，人都沒有感覺的微弱地震波，它是怎樣感受到的?在東漢那個時代，又是如何做到這樣穩(wěn)定而準確地觸發(fā)呢?

施關發(fā)機

馮銳：剛開始我們就認為，簡單地掛起來，撞就可以了。但是做試驗發(fā)現這是不行的。地震波這個量非常小，晃動的動量非常小，讓它推動是不可能的，做不了的。

這樣重新讀古書。讀著，讀著，慢慢發(fā)現，這里頭的文字還是沒有理解，張衡的思想跟我還有很大的距離。我要理解張先生他的設計思想怎么回事。

史料中關于地動儀如何工作的描述，只有四個字，“施關發(fā)機”。根據這句話，馮銳在都柱上設計了八個方向的凸起，直接觸發(fā)龍頭吐丸?？墒沁h隔幾百里傳來的微弱地震波，動量太小，無法讓都柱擺動。就算都柱能動，八個觸點相隔45度，都柱運動的慣性也無法做到“一龍機發(fā)，七首不動”(圖4)。

“施關發(fā)機”不能解決，地動儀動不起來，意味著復

原失敗。

馮銳：這時候忽然感到，懷疑一個問題還沒有理解，“施關發(fā)機，機關巧制，皆隱在尊中”，史料是這樣寫的。機關就是機關，機關就是結構，原來就這么理解。實際不是這個意思。后來我們一分析，“施關發(fā)機”，機、關，是兩個東西。然后“機關巧制，皆……”，“皆”是復數。所以“機關巧制”不是一個東西，是兩個東西，是復數。

主持人：對，“皆”是“都”的意思。

馮銳：“都”要“巧制”。這樣，“關”就是另外一個東西。是什么東西?“關”就是門閂，“關”這個小東西它控制門的開和關。

古人為解決物體運動的動量不足，常常采用小的觸發(fā)機構來放大動量，這個觸發(fā)機構就叫作關；同時，從古漢語專家那里，馮銳又得知，關還有大路交匯處的意思。關口和門閂，這和地動儀有什么關系呢?

馮銳：它是一個非常小的東西，但它控制了兩扇大門的運動，它是個觸發(fā)機構，應該是這樣一個東西。這個理解對我們非常要緊。這使我們感覺到，張衡在發(fā)明地動儀的時候，他做了一個很重要的科學貢獻，就是他用了觸發(fā)機構。地震波非常弱，它先觸發(fā)一個小東西，然后再讓它工作。

原來，地動儀能準確驗震的最大秘密就在于這個靈敏的觸發(fā)機構——關，它是一個小的銅球，夾在都柱與下方一個極小的錐形臺之間。地震方向微弱的地震波傳來，都柱和尊體發(fā)生相對位移，小球便會脫離都柱，滾落滑道，滑道盡頭則是連接龍頭的杠桿結構——機，小球觸碰到機，機發(fā)則龍口吐丸(圖5)。這樣的設計思想，精密、科學，簡單有效，完全可以在東漢那個時代實現。甚至在今天，它依然被我們廣泛應用著。

馮銳：這段文字很可能是張衡寫的。它太專業(yè)了，太準確了。一定是設計、干過這個工作，測量過地震的人，才能這么準確，這么簡練，這么精辟地寫出來。

主持人：聽說外界還有質疑，而質疑的關鍵點就在于史書上說的隴西地震。

馮銳：對，幾乎從清朝開始，就說張衡地動儀反應的是公元138年2月28日那次隴西地震。隨著研究工作深入，很多人把史料拿出一看，不對：138年這次地震，在京師洛陽是有感覺的，而且有破壞現象出現?？墒鞘窌涊d地動儀反應隴西地震的時候，京師人是沒有感覺的。這不就矛盾了嗎?

《后漢書》記載的隴西地震，在京師洛陽，人沒有感覺。而長期以來，大家認為張衡地動儀測出的138年隴西地震，在史書記載中卻是京都有感。被張衡地動儀測出的“地不覺動”的隴西地震在哪里呢(圖6)?

馮銳：我們根據三本史料定的東漢地震：司馬彪的《五行志》、袁宏的《后漢志》、范曄的《后漢書》。通過對比發(fā)現，前兩個人的著作當中，在他們寫張衡地動儀的時候都沒有講隴西地震。恰恰是范曄在《后漢書》中增加了4次地震，比前兩個人多4次，其中一次，公元134年12月13日，這次地震以后引起官員的撤職，接著后來張衡走下坡路了。這樣我們發(fā)現，是這次地震。

在張衡那個年代，地震被認為是上天懲戒皇帝用人不當。發(fā)生地震后，就會有高官被撤職。在范嘩的《后漢書》中，詳細記錄了134年地震后，朝廷高官被罷免的事件；這與記載中地動儀測出“地不覺動”的隴西地震時間最為接近。馮銳由此推斷，134年地震就是那場令地動儀名聲大振的地震。

馮銳：明確是134年的地震，地點天水附近，震中距是600公里，洛陽烈度5到4度，加速度控制在2個Gal(伽)，位移量控制在4個毫米，這樣才是地動儀反應地震的正確標準，這些必須搞準確。我們再用這樣的標準量來進行地震模擬，用計算機控制振動臺，我們拿這個檢驗，完全正確，在地震波的方向吐丸正確(圖7)。

主持人：當時一定很高興。

馮銳：很高興，但是還不夠，還要拿真實地震驗證。我們選了很多，比如唐山的強余震，越南的地震，也讓它動，都能正確反應。

還要抗干擾檢驗。沒有地震，在實驗室觀察了兩個月時間，人走，汽車走，汽油桶跌落，人都感覺很明顯了，兩個月沒有一次觸發(fā)，那是抗干擾。是地震一定有反應，不是地震不動。它要動一定是地震引起的，不是地震不動，這就是驗震器，張衡的偉大在這個地方。

兩年多的復原過程，仿佛是馮銳和張衡相隔1800年時光的對話，從懸垂擺原理的確認，到最后驗震實驗的成功，馮銳向世人證明了這個世界上最早的驗震器絕非神話，它真實地存在過，工作過(圖8)。

可是這樣精密、科學的儀器，為什么、會像流星一樣，只留下了短暫的光輝后便悄無聲息了?

閃爍的星光

馮銳：132年發(fā)明地動儀，133年京師發(fā)生地震，這次應該是有感的。地震以后引起高官撤職，三公九卿中的兩公，司徒、司馬，龐參、王龔被撤職，地震以后馬上撤職，因地震撤職。地震以后皇上把張衡提升，不要當太史令了，當侍中，當我的參謀。官很高了，年俸從600石提高到2000石，工資也提高了。134年又發(fā)生隴西地震，皇帝就直接問張衡，你說誰是壞蛋，應該把他撤職，上天給我警示，說我用人不當，誰是壞蛋我要把他撤職。群臣怒目而視，都盯著張衡。撤誰呢?張衡只好不吭聲。接著眾宦官“恐終其為患”，張衡遲早是禍害，“共讒之”，整個朝廷都罵張衡。張衡很被動了，又有人被撤職以后，張衡馬上上書：我當不了侍中了，我還回去寫歷史吧。到136年被趕出京城，到河間，同時把因為地震撤職的龐參和王龔官復原職。

公元134年的隴西地震，是張衡生平的輝煌頂峰，也是他悲劇的開始。當自然現象和政治斗爭結合在一起，就算是天才的張衡也無法解釋，頻頻發(fā)生地震究竟是誰的錯。根據現有史料，公元132年，地動儀問世，在133年和134年成功測震之后，便退出了歷史舞臺，沒有人希望看到地動儀再測出地震，這個科學儀器已經成為那個時代的不祥之物。公元139年，張衡郁郁而終，地動儀也毀于戰(zhàn)火之中。

主持人：可惜張衡地動儀這套東西沒有流傳下來，沒有惠及子孫。

李先登：但《后漢書·張衡傳》等記載了地動儀的基本原理，這個原理毫不夸大地說是我們近現代地震儀器的鼻祖，后人在張衡思想，和他的地動儀的影響啟發(fā)之下，才研究出近現代的記錄地震的儀器。

馮銳：張衡地動儀狹義的作用是此較短暫的，在發(fā)明后起到作用，輝煌確實有限，以后失傳了。但是科學技術的發(fā)展和繼承，不是完全靠實體，而是靠理論、靠觀點、靠實踐。地震學鼻祖米爾恩看了《后漢書》，給他極大的啟發(fā)。他講，全世界第一個有記載的儀器是中國人張衡發(fā)明的。他和艾維設計了全世界第一臺地震儀，一個大架子，和張衡地動儀思路，科學結構是完全一樣的，都是懸掛起來，它用下面的沙子記錄(圖9)。他為現代地震學奠基。而在科學起步階段，他受到張衡地動儀的思想啟迪。

毫不夸張地說，張衡地動儀正是現代地震學得以發(fā)展的基礎。重新復原地動儀，不僅回答了國內外的質疑，也重現連接起這些失落的環(huán)節(jié)，讓張衡和他的地動儀獲得新的生命(圖10)。

李先登：我們館的王振鐸老先生，他當年復原這個，對于宣傳咱們中國古代科技成就，有積極的貢獻。歷史發(fā)展、學術進步，50年以后，我們根據新的研究、新的資料，對這個問題有了新的認識，提出新的復原方法。再過五十年，也許后人又會根據他們的研究成果，根據他們的資料積累，又會進行更新的復原，這樣我們一步一步更接近漢代張衡地動儀的歷史實際，這是學術發(fā)展的一個必然過程。

1800年前，龍珠的鏗然之聲，被湮滅在一場政治斗爭中；

目前，重新復原的地動儀正在進行外部造型的藝術處理。