張衡在他的地動(dòng)儀中是如何成功地用立柱驗(yàn)震的

胡寧生

（中國科學(xué)院南京天文儀器有限公司，江蘇 南京 210008）

張衡生活的東漢正值中國地震多發(fā)時(shí)期。那時(shí)人們都以為：地震是上天對那些失職官員的懲罰，因此每次大地震后常有朝庭大官被當(dāng)作替罪羊而革職查辦，甚至有時(shí)還逼得皇帝下“罪已昭”。

在這樣的形勢下，張衡地動(dòng)儀就應(yīng)運(yùn)而生了。張衡地動(dòng)儀并不能預(yù)報(bào)地震，它的功能是使朝庭能（早于信使）及早得知國內(nèi)發(fā)生了地震。

顯然，古人應(yīng)不難想到怎樣能靈敏測震的方法。憑人看懸物擺動(dòng)是不足以發(fā)覺輕微地動(dòng)的，因?yàn)槟欠N擺動(dòng)的幅度并不顯著。作為對比，勉強(qiáng)能站住的立柱的傾倒卻能更靈敏地測到微小的地動(dòng)。張衡正是基于以上理念在他的地動(dòng)儀中采用了立柱驗(yàn)證并記載于正史《后漢書·張衡傳》中。

張衡之后過了一千多年，到了1882年，在日本工作的近代地震學(xué)之父英國人約翰·米爾恩也作了立柱驗(yàn)震的實(shí)驗(yàn)，但他卻不能實(shí)驗(yàn)成功，因此他提出——張衡地動(dòng)儀中只有采用懸擺來驗(yàn)震才可能成功。

繼米爾恩之后，多國的地震學(xué)者也作了立柱驗(yàn)震的實(shí)驗(yàn)，但他們也無一能夠成功。他們失敗之處是：一、對很靈敏的立柱，他們根本就無法使它站住，他們發(fā)現(xiàn)那會比要站雞蛋更難；二是，對不太靈敏而能勉強(qiáng)站住的立柱，在它的底板受輕震后，那立柱會各向亂倒而并不倒向應(yīng)有的來震方向。他們都不能解釋以上二個(gè)失敗現(xiàn)象的原因，只好對之束手無策。于是他們就異口同聲地說，立柱驗(yàn)震是不可能的！

于是從1969年起，國外刊物上就陸續(xù)出現(xiàn)了一些對張衡地動(dòng)儀措辭嚴(yán)歷的責(zé)疑文章。在北京工作的奧地利學(xué)者雷立柏在他的中文書《張衡·科學(xué)與宗教》中寫道：“許多漢語書中都贊揚(yáng)了張衡地動(dòng)儀。它能成為華夏科學(xué)創(chuàng)造力的模范和象征的原因，主要是因?yàn)樗牡貏?dòng)儀被視為“國寶”和“國粹”。但張衡地動(dòng)儀沒有一個(gè)精確的理論伴隨著它，因此地動(dòng)儀更多地象征著中國人的想往而并不是代表一個(gè)完美的現(xiàn)象。它是華夏科學(xué)停滯特點(diǎn)的典型表現(xiàn)”。

之后國內(nèi)網(wǎng)站上也出現(xiàn)了大片對張衡地動(dòng)儀的質(zhì)疑聲，那些做不成立柱驗(yàn)震者只能造出不是張衡地動(dòng)儀的擺式地動(dòng)儀。

讀者會好奇地問，那么張衡為什么卻能用立柱來成功驗(yàn)震呢？

作者以從事精密天文儀器研制數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)，在2013年只用了幾個(gè)月就成功地實(shí)現(xiàn)了立柱驗(yàn)震。作者通過實(shí)踐，今日才能明白張衡能成功地用立柱來驗(yàn)震的主要原因。下文就介紹這些原因。

1、古代學(xué)者早就知道，在一個(gè)物體重心的正下方處去支撐那個(gè)物體，就能使那物體平衡不倒。這就意味著，對一根靈敏的立柱，它的重心如能調(diào)整到立柱著地面的正上方，那么那根立柱就應(yīng)能站住。

2、張衡憑他對精密機(jī)構(gòu)的深刻認(rèn)識，他應(yīng)會想到，那個(gè)立柱的著地面應(yīng)該是一個(gè)很小的精密面，而且為保證它不易損壞，這個(gè)著地面還必須由堅(jiān)韌的材料（如蘭寶石）制成。

3、立柱著地面下的支撐面也應(yīng)該是一個(gè)精密加工過的硬平面。

4、以張衡他那洞察事物間相互作用關(guān)系的深邃眼光，他能知道會有二種方法來達(dá)到“立柱重心恰好位于其著地面正上方的這個(gè)要求”。

一是：由于一根立柱的本身和其著地面都不能做到對立柱中心線的絕對對稱和同心。這就需要在立柱的外側(cè)附加一些平衡重去對立柱作“平衡調(diào)整”。

二是：立柱下的那個(gè)支撐平面必須要經(jīng)過精細(xì)調(diào)平（置平）。因?yàn)橥岬闹纹矫鏁蚜⒅矌?，如圖2左邊所示。

作者在做立柱驗(yàn)震實(shí)驗(yàn)時(shí)，與前人同樣遇到了“立柱會各向亂倒”的難題。但經(jīng)過分析后，作者（張衡也應(yīng)該）發(fā)現(xiàn)，原來是立柱重心（沿重力方向）的投影點(diǎn)沒有與立柱著地面的中心精確重合，而是偏到了某一位置（見圖3）。

這樣的立柱在受輕震后就極易倒向立柱的偏重方向A。這就解釋了立柱為什么會亂倒的現(xiàn)象。因?yàn)榍叭俗鰧?shí)驗(yàn)在每次重新站住立柱時(shí)，立柱的偏重方向就是各向隨機(jī)亂放的，以致那樣放的立柱以后就會各向亂倒。

以上情況意味著，我們必須將立柱重心投影點(diǎn)調(diào)整得與立柱著地面盡可能重合。這一高難度實(shí)驗(yàn)技巧并不是當(dāng)代一般學(xué)者所具備的，但這種技巧卻是張衡擁有的專長之一。

很遺憾，以前做過立柱實(shí)驗(yàn)的各國學(xué)者，他們都把立柱錯(cuò)當(dāng)作一根普通柱子來對待，殊不知那驗(yàn)震立柱是一件需要高度認(rèn)真對待的精密另件。那些學(xué)者只用粗糙的立柱又未對立柱作任何平衡，還根本未作對立柱下底板的調(diào)平，這就難怪他們都不能用立柱來驗(yàn)震了。

在立柱驗(yàn)震上，還發(fā)生過不少趣事，現(xiàn)只舉如下一例。日本的關(guān)野雄在他1952年的一篇論文中說，一根高立柱當(dāng)然越細(xì)越靈敏。這樣，一根高約2米的立柱，如想把它的驗(yàn)震靈敏度做到比人的感震靈敏度還要高，那么這2米高的立柱的通體直徑才區(qū)區(qū)2毫米。顯然，這根細(xì)如銅絲的高立柱是絕對站不住的，因此，有人說他用力學(xué)原理證明了立柱驗(yàn)震是不可行的。

有趣的是，中國也有人說，中國秦代、漢代建筑物上的立柱都很粗大，那樣粗的立柱怎么能驗(yàn)震呢？

至此，讀者可能也被他們的理論搞胡涂了。

其實(shí)關(guān)野雄等人都未能想到一點(diǎn)：即立柱本身可以做得很粗，他只要把立柱下的著地面做得很小，那么，那根粗立柱就也能是很靈敏的。

目前張衡地動(dòng)儀的景況是：

1、媒體已大量散布了張衡地動(dòng)儀是不可能的言論，這還殃及到人們對中國古代技術(shù)成就的可信度；

2、各地展出著不是張衡地動(dòng)儀的擺式地動(dòng)儀；

3、擺式地動(dòng)儀的流行導(dǎo)致聯(lián)合國某組織撤除了它展出的中國政府禮品——立柱式張衡地動(dòng)儀模型；

有人寫信給教育部長，要求把教科書中的張衡地動(dòng)儀由立柱式改為擺式。這就導(dǎo)致在教科書中的張衡地動(dòng)儀被整節(jié)刪除。

從2013年起在中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所主持召開的張衡地動(dòng)儀學(xué)術(shù)研討會上，與會專家都認(rèn)可了作者對立柱驗(yàn)震原理和實(shí)驗(yàn)的證明。2016年11月中國科技史學(xué)會還為立柱驗(yàn)震的正確性專門召開了學(xué)術(shù)鑒定會，與會專家也都肯定了張衡地動(dòng)儀應(yīng)為立柱式并是可行的。

對為立柱式張衡地動(dòng)儀正名感興趣的讀者可參閱下列三本書，即《張衡地動(dòng)儀的奧秘》（2014，網(wǎng)上書店只有少量存書）、《趣味力學(xué)現(xiàn)象》（2016，109-115頁）以及《從留級生到科學(xué)家》（2018，65-69頁，89-102頁，后二本書可用短信13236555080買到）。

鑒于教科書中的張衡地動(dòng)儀因被說成是不可能的而被刪，但現(xiàn)在張衡地動(dòng)儀已被證明是正確的，因而在教科書中的那節(jié)理當(dāng)重新寫過。但要怎樣才能盡快達(dá)到為張衡地動(dòng)儀正名的崇高目的，請廣大讀者發(fā)表已見以供政府有關(guān)部門參考。