解密地動儀

韓吉辰

提起地震，人們便會想起張衡發(fā)明和制作的世界上第一架記錄地震的儀器——“地動儀”。然而，自東漢末年以后，就再也沒有誰能知道地動儀究竟是什么樣子。而今公眾看到的地動儀既非原物又非出土文物，而是后人根據(jù)史料記載所設(shè)計和制作的模型，最近的一個復(fù)原模型上個月在山西“出爐”，這也是國家“張衡地動儀科學復(fù)原”課題組最新的一次嘗試。人們之所以對復(fù)原地動儀如此感興趣，是因為它一度被譽為現(xiàn)代地震學的奠基石，但它究竟能不能“工作”又是如何“工作”的，在后人看來還是一個謎。

歷史記載中的“地動儀”

據(jù)《后漢書·張衡傳》記載，地動儀“以精銅鑄成，圓徑八尺”，“形似酒樽”，上有隆起的圓蓋，儀器的外表刻有篆文以及山、龜、鳥、獸等圖形，儀器的內(nèi)部中央有一根銅質(zhì)“都柱”，柱旁有八條通道，稱為“八道”，還有巧妙的機關(guān)。儀體外部周圍有八條龍，按東、南、西、北、東南、東北、西南、西北八個方向布列，龍頭和內(nèi)部通道中的發(fā)動機關(guān)相連，每個龍頭嘴里都銜有一個銅球。對著龍頭，八個蟾蜍蹲在地上，個個昂頭張嘴，準備承接銅球。

當某個地方發(fā)生了地震，地震波由震中傳來時，樽體隨之運動，觸動機關(guān)，使發(fā)生地震方向的龍頭張開嘴，吐出銅球，“當”的一聲，落到銅蟾蜍的嘴里，于是人們就知道了地震發(fā)生的方向。

漢順帝三年十一月壬寅(公元134年12月13日)，地動儀的一條龍的機關(guān)突然發(fā)動，吐出了銅球，“當”的一聲，掉進了下面蟾蜍的嘴里。當時在京城的人們絲毫沒有感覺到地震，于是有人責怪地動儀不靈驗，甚至說張衡有意造謠生事!沒過幾天，隴西有人飛馬來報，證實那里前幾天確實發(fā)生了地震，眾人“于是皆服其妙”，對張衡的高超技術(shù)表示了信服。你看，隴西距洛陽有1000多里呢，地動儀標示無誤，說明它的測震靈敏度是比較高的。

據(jù)學者們考證，張衡在當時利用了力學上的慣性原理，“都柱”的設(shè)立是關(guān)鍵，能夠感知地震波的到來，實際上起到慣性擺的作用。張衡對地震波的傳播和方向性也有所了解，這些科學成就是十分了不起的，在歐洲直到1856年，才由意大利人路吉。帕米里制成與此類似的儀器，比起張衡的發(fā)明足足晚了1700多年?？上У氖?，隨著漢朝的滅亡，張衡地動儀神秘消失，成為中華民族科技發(fā)明的又一個千古之謎。

復(fù)原“地動儀”的關(guān)鍵

有關(guān)張衡“地動儀”，在史書中留下過記載。見于《后漢書》的一段記載只有196字，其中描述地動儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)容更只有“中有都柱，傍行八道，施關(guān)發(fā)機”這12個意義隱晦、眾說紛紜的字。以后，北齊的信都芳和隋朝的臨孝恭也都制造過地動儀，還留下了相關(guān)著作，可惜他們的著作也都亡佚了。顯然，僅根據(jù)《后漢書》中的簡單記載，要復(fù)原張衡的地動儀十分困難。今天的復(fù)制品，其實是在史書那些“約束條件”之下所作的新創(chuàng)造。盡管如此，《后漢書》的記載，還是向我們提供了一些珍貴信息。

但是，一些西方學者卻持完全否定態(tài)度，認為張衡地動儀不屬于科學發(fā)明，之所以失傳，是因為它沒有達到科學的要求。為一探究竟，我國很多科學家不斷研究，制作出來地動儀復(fù)原模型。

關(guān)于地動儀的結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵是對“都柱”的理解。先后有兩個版本；一種模型即“都柱”是一個類似倒置酒瓶狀的直立桿，控制龍口的機關(guān)在“都柱”周圍，這一種模型最近已被基本否定。另一種模型即“都柱”是懸垂擺，擺下方有一個小球，球位于“米”字形滑道交匯處(即《后漢書·張衡傳》中所說的“關(guān)”)，地震波傳來時，“都柱”撥動小球，小球擊發(fā)控制龍口的機關(guān)，使龍口張開。這種模型經(jīng)模擬測試，結(jié)果與歷史記載基本吻合，于是“懸垂擺原理”取代了傳統(tǒng)的“直立桿原理”。這一科研成果得到了來自中國科學院、國家博物館、中國地震局等單位的地震學和考古學專家的肯定。

那么，張衡“地動儀”為什么可以感覺到遠方的地震呢?我們還必須從地震的發(fā)生原因談起。

地震發(fā)生的原因

其實，地震就是地動，是地球表面的振動。據(jù)地震科學家精確測定；全球每年發(fā)生地震500多萬次，不過，這些地震極大多數(shù)都是極其微小的，只有精密儀器才能夠覺察。其中強震在20次左右，多在人煙稀少的地區(qū)和海洋地區(qū)，產(chǎn)生地震的時間并不具有規(guī)律性。

地震一般發(fā)生在地殼之中。地殼并不是“鐵板一塊”的完整一片，它是由一塊一塊“板塊”構(gòu)成，板塊當中有的塊大，有的塊小，地殼中大的板塊有六個，如果一旦受到力的作用，使地殼中的巖層變形、斷裂、錯動，于是便發(fā)生地震。世界上85％～90％的地震，都屬于構(gòu)造地震，四川5.12“汶川”地震，就是來自于印度板塊推擠青藏高原的相對運動。

引起地殼振動的原因很多，有人為的原因，比如核爆炸、開炮、機械振動等；也可以是自然界的原因，比如構(gòu)造地震、火山地震等，地震可能與天文因素有關(guān)，主要指太陽、月亮對地球產(chǎn)生的引潮力，它可以引起地球表面流體的潮汐(如海潮、大氣潮等)，其實這種“引潮力”對于地殼巖石也有推拉的作用，雖然不能像海水一樣涌來涌去，但是長年累月的積累，這種“引潮力”對于地殼的作用也不可小看。

一次地震的發(fā)生，只有在一定范圍內(nèi)的人們才能感覺到。地球內(nèi)發(fā)生地震的地方，叫“震源”。震源上方正對著的地面稱為震中，地震時，在地球內(nèi)部出現(xiàn)的彈性波叫作地震波。這就像把石子投入水中，水波會向四周一圈一圈地擴散一樣。地震波的能量在“震源”處最大，在傳播過程中逐漸減弱，傳到一定的距離，就可以弱到人們感覺不出來。地震波主要包含縱波(P波)和橫波(S波)，振動方向與傳播方向一致的波為縱波(P波)，將引起地面上下顛簸，速度在每秒7千米左右，而這部分縱波攜帶的能量只占地震波全部能量的一小部分。振動方向與傳播方向垂直的波為橫波(S波)，能引起地面的水平晃動，速度在每秒4千米左右。由于縱波在地球內(nèi)部傳播速度大于橫波，所以地震時，縱波總是先到達地表，而橫波總落后一步。這樣，發(fā)生較大的地震時，一般人們先感到上下顛簸，過數(shù)秒到十幾秒后才感到有很強的水平晃動。

眾說不一“地動儀”

張衡地動儀由于失傳已久，后人只能根據(jù)史料記載進行分析，因之看法有所不同。有人認為，根據(jù)地震波的傳播機理，張衡“地動儀”是不太可能做到“驗之以事，合契若神”的。因為根據(jù)初波的震動方向，是可以知道震源方位。但初波非常微弱，而這部分初波攜帶的能量只占地震波全部能量的一小部分，如果張衡地動儀能敏感到對“第一哨”初波就做出響應(yīng)，那么足以有許多別的和地震無關(guān)的振動對它產(chǎn)生影響，從而讓人誤把許多不是地震的振動也當成是地震，但如果要讓張衡地動儀保持一定的“遲鈍”性，它又有可能無法“感覺”到地震的初波，直到之后的各種波陸續(xù)傳來時才被“驚醒”，可是這些遲來的波的振動方向已經(jīng)完全不能代表震源的方向了。

一種觀點認為，如果地震稍強一些，當?shù)卣鸩▊鱽恚瑢⒁鸬孛嫔舷伦笥翌嶔u晃，這時地動儀的八個球會一同落下。就是說，地動儀可以感覺記錄到地震的發(fā)生，但是無法準確報告地震的大小和方位。

還有人認為，記錄一次地震必須有三個要素：發(fā)震時刻，震中位置和震級(地震強度)。即使張衡地動儀能夠記錄震中的方向。使用幾臺地動儀“聯(lián)網(wǎng)”，也可測出震中位置。但地動儀卻無法記錄發(fā)震時刻，更無法記錄震級。因此，從現(xiàn)代地震學的角度來看，張衡地動儀并不能全面記錄地震，不屬于觀測地震的儀器，稱地動儀是“世界上第一臺地震儀”，是不準確的。

筆者認為，張衡地動儀是我國古代偉大的科技發(fā)明，遠在1800多年前，張衡的地動儀利用當時的物理知識，對于地震的發(fā)，生與方位有所掌握，從這一點來看，意義已經(jīng)足夠大了，這是我們中國人引以為豪的一項古代科學成就。我們決不能用我們現(xiàn)代科技強求古人，更不能全盤否定，不承認這項偉大發(fā)明。

(文章代碼：1807)

[責任編輯]龐云