張衡地動(dòng)儀的歷史原貌和現(xiàn)實(shí)之爭(zhēng)

在中國歷史博物館，擺放著一件古代的神秘儀器——地動(dòng)儀。傳說有一天，趴在儀器上的八條巨龍，突然受到大地的振動(dòng)，龍口內(nèi)所含銅丸，突然掉落。數(shù)日后快馬來報(bào)，龍頭所指方向，天崩地裂。然而，這個(gè)流傳了1800年的神奇?zhèn)髡f，卻遭到現(xiàn)代科技界的質(zhì)疑。奧地利學(xué)者Leopold Lee在《Zhangheng，Science and Religion》一書中對(duì)張衡地動(dòng)儀的科學(xué)性和張衡對(duì)地震學(xué)的貢獻(xiàn)進(jìn)行了全盤否定，書中談到，中國人把這個(gè)張衡看成國粹，完完全全是一種民族的想往，不是一種完美的現(xiàn)實(shí)。一石激起千層浪，一時(shí)間人們紛紛對(duì)張衡地動(dòng)儀的科學(xué)性和真實(shí)性進(jìn)行探討，那么張衡地動(dòng)儀究盡是真是假呢？

1 歷史上的張衡和現(xiàn)實(shí)中的地動(dòng)儀

張衡（公元78~139），東漢文學(xué)家、科學(xué)家，字平子，南陽西鄂，今河南南陽市臣龍區(qū)石橋鎮(zhèn)人。家為著名大姓，其祖父曾任蜀郡太守，張衡17歲時(shí)游學(xué)三輔，后來到京都洛陽，就教于太學(xué)，“通《五經(jīng)》，貴六藝”。張衡連續(xù)做了6年的太史令，一直到安帝建成興元年（公元121年）。除了天文學(xué)以外，他還在數(shù)學(xué)、物理和機(jī)械制造等方面下了很大的苦功，數(shù)學(xué)名著《算罔論》及他制造的計(jì)里鼓車，指南車等等，都是在張衡就任公車司馬令時(shí)苦心鉆研的結(jié)果。

據(jù)《后漢書#8226;張衡》記載，地動(dòng)儀是用青銅鑄成的，形狀很像一個(gè)大酒樽，圓徑有8尺。儀器的頂上有凸起的蓋子，儀器的表面刻有各種篆文、山、龜、鳥獸等花紋。儀器的周圍鑲著8條龍，龍頭是朝東、南、西、北、東北、東南、西北、西南8個(gè)方向排列的，每個(gè)龍嘴里都含有著一枚銅球。每個(gè)龍頭的正下方蹲著一只銅鑄的蟾蜍，蟾蜍對(duì)準(zhǔn)龍嘴張開嘴巴，像等候吞食食物一樣。無論哪個(gè)地方發(fā)生了地震，傳來地震的震波，哪個(gè)方向龍嘴里的銅球就會(huì)滾出來，落到下面的蟾蜍嘴里，發(fā)出激揚(yáng)的響聲。看守地動(dòng)儀的人聽到聲音來檢視地動(dòng)儀，看哪個(gè)方向龍嘴里的銅球落入蟾蜍嘴里了，就可以斷定地震發(fā)生的時(shí)間和方向。這樣一方面可以記錄下準(zhǔn)確的地震材料；同時(shí)也可以沿地震的方向，尋找受災(zāi)地區(qū)，做一些搶救工作，以減少損失。然而《后漢書#8226;張衡》對(duì)地動(dòng)儀的描述總共只用了196個(gè)漢字且都是外在的描述，張衡本人又沒留下任何技術(shù)資料或傳授他人，此后由于種種原因地動(dòng)儀失傳了，成了千古之迷。

在博物館和中學(xué)歷史教科書中所看到的地動(dòng)儀，是考古學(xué)家王振鐸根據(jù)《后漢書#8226;張衡》記載在1951年復(fù)原并制造的“張衡地動(dòng)儀”模型（圖1），由于民族自豪感的使然，在教育、科技、文化領(lǐng)域里，張衡的輝煌就等同于中國的輝煌，沖擊著每一個(gè)人，也震憾了世界。于是數(shù)以億計(jì)的中國人，便毫不猶豫的把這一模型認(rèn)定為1800年前張衡親手制造的。然而，據(jù)報(bào)道在1976年的唐山大地震中，近在咫尺的“張衡地動(dòng)儀”卻沒有任何反應(yīng)，相反有人用腳在“張衡地動(dòng)儀”旁用力剁動(dòng)，龍珠才會(huì)吐出，就是這個(gè)“張衡地動(dòng)儀”模型卻忽悠了我們半個(gè)多世紀(jì)。

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2 震動(dòng)原理與“張衡地動(dòng)儀的”模型

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地震發(fā)生時(shí)就會(huì)從振源傳出縱波與橫波，橫波振動(dòng)方向與波前進(jìn)方向垂直，而縱波振動(dòng)方向與傳播方向一致。在震中地區(qū)，地震波直接入射地面，橫波表現(xiàn)為左右搖晃，縱波表現(xiàn)為上下跳動(dòng)，縱波傳播速度比橫波快。橫波振幅比縱波大，破壞力大，橫波的水平晃動(dòng)力是造成建筑物破壞的主要原因，因此如果是在陸地上，會(huì)先上下?lián)u晃，因?yàn)樗荒軅鞑M波。

在王振鐸所復(fù)原的“張衡地動(dòng)儀”的橫型的內(nèi)部，是用一根直立的棍子作為地動(dòng)儀的“都柱”①。地震來時(shí)，靠棍子的隨機(jī)傾倒觸發(fā)機(jī)關(guān)吐丸，但是人和動(dòng)物的走動(dòng)、關(guān)門的動(dòng)作以及車的運(yùn)行所造成的振動(dòng)也都有可能造成棍子的隨機(jī)傾倒觸發(fā)機(jī)關(guān)吐丸，因而無法區(qū)別是否真的發(fā)生了地震。

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地震學(xué)家馮銳仔細(xì)論證了“直立的棍子”作為都柱的模型可行性，他的結(jié)論是：“這個(gè)棍子得很細(xì)，越細(xì)越好，越細(xì)越高，就越靈敏，其高度和直徑之比為1225：1才能達(dá)到人沒有感覺動(dòng)，儀器卻有反應(yīng)，什么意思呢？這就相當(dāng)于這個(gè)柱子兩米高，而直徑只有1.5毫米才行”。為什么說要達(dá)到這樣細(xì)呢？這是因?yàn)樵诤鬂h書中記錄了地震的強(qiáng)度是“一龍激發(fā)，而地不覺動(dòng)”，要做到這樣的靈敏程度，這根“直立的棍子”必需要達(dá)到這樣的高度和直徑之比。

然而這么細(xì)的“直立棍子”根本沒有足夠的能量，觸發(fā)巨龍吐丸，甚至可能連自己站穩(wěn)都無法做到。看來“張衡地動(dòng)儀”犯了致命的原理錯(cuò)誤，是張衡錯(cuò)了嗎？事實(shí)真是這樣的嗎？地震學(xué)家馮銳解釋說還有另外一種可能，即自己對(duì)張衡地動(dòng)儀的看法及外界的對(duì)它的否定，都是針對(duì)流傳最廣的王振鐸的“張衡地動(dòng)儀”模型。那么這種模型錯(cuò)在那里呢？原來，王振鐸的“直立的棍子”作為地動(dòng)儀的“都柱”理論出自日本人艸秋原那里，也就是說并非是張衡當(dāng)初的真實(shí)模型。

3 現(xiàn)代科技復(fù)原古代“神器”

由于王振鐸是考古學(xué)家，地震知識(shí)有限，因此錯(cuò)誤地選擇了“倒立棍”作為地動(dòng)儀的“都柱”。地震學(xué)家馮銳查閱了許多資料并仔細(xì)論證了張衡地動(dòng)儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖3）最終得出結(jié)論：《后漢書》中提到張衡地動(dòng)儀“內(nèi)有都柱”不應(yīng)該是“倒立柱”，而應(yīng)當(dāng)是“懸垂柱”。馮銳解釋說我們看那個(gè)《后漢書》有一段講到“如有地動(dòng)，尊則振，龍機(jī)發(fā)，吐丸”，這個(gè)過程是符合懸垂工作原理的，即地動(dòng)在先、然后樽振、續(xù)而機(jī)發(fā)、吐丸。 這是一套有著先后順序的機(jī)械連鎖動(dòng)作。四者有著一環(huán)緊扣一環(huán)的聯(lián)動(dòng)因果關(guān)系，這就證明“懸垂柱”是張衡地動(dòng)儀工作原理。

如果《后漢書》沒有寫錯(cuò)，那么張衡地動(dòng)儀原理就應(yīng)該像懸掛的吊燈般晃動(dòng)，這正是人們所熟知的有無地震看“吊燈”?！皯掖怪碚摗笔乾F(xiàn)代地震學(xué)之父英國人，米爾恩創(chuàng)立的，距今只有100多年，而1800年前，我國的張衡就理解并利用它來觀測(cè)地震了。

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參考文獻(xiàn)：

注：圖片來自網(wǎng)絡(luò)

［1］姚宇.中央電視臺(tái)CCTC-1《發(fā)現(xiàn)之旅》［EB/OL］.http://news.xinhuanet.com/st/2006-01/30/content_4102386.htm

［2］“都柱”一詞是范曄在后漢書中對(duì)張衡地動(dòng)儀內(nèi)部最重要結(jié)構(gòu)的描述，“中有都柱”意指內(nèi)部有一柱子

(欄目編輯鄧 磊)