張衡的地動(dòng)儀是否存在

付雷

提起中國古代的科技成就，很多人都會(huì)聯(lián)想到東漢張衡發(fā)明的地動(dòng)儀。大多數(shù)人是通過中小學(xué)的教科書了解到張衡及其地動(dòng)儀的，但是由于沒有實(shí)物流傳于世，從古至今一直有人對(duì)地動(dòng)儀是否真的存在表示懷疑。

教科書里的張衡與地動(dòng)儀

張衡（78—139年）是我國東漢時(shí)期的天文學(xué)家、文學(xué)家，在數(shù)學(xué)、史學(xué)、地理學(xué)、機(jī)械發(fā)明等方面均有貢獻(xiàn)，曾經(jīng)擔(dān)任郎中、太史令、侍中、河間相等職。說他是天文學(xué)家，是因?yàn)樗菨h代“渾天說”的集大成者，曾經(jīng)發(fā)明渾天儀，著有《靈憲》《渾儀圖注》等著作；說他是文學(xué)家，是因?yàn)樗c司馬相如、揚(yáng)雄、班固并稱“漢賦四大家”，著有《二京賦》《歸田賦》等名作。

在中小學(xué)教科書中，一直不乏與張衡及其成就有關(guān)的課文。人民教育出版社舊版小學(xué)語文教科書中曾經(jīng)有一篇課文名為《數(shù)星星的孩子》，文中說張衡小時(shí)候數(shù)星星，觀察北斗七星繞著北極星轉(zhuǎn)。在多個(gè)版本的高中語文教科書中，都收錄了南北朝時(shí)期范曄《后漢書》中的《張衡傳》，這篇文章不但介紹了張衡的生平事跡、主要成就，還著重介紹了其候風(fēng)地動(dòng)儀。張衡還是歷史教科書的常客。人民教育出版社在20世紀(jì)90年代曾經(jīng)出版過一套小學(xué)歷史教科書，上冊(cè)封面配圖就是被復(fù)原的張衡地動(dòng)儀的模型照片。人民教育出版社舊版的初中歷史教科書中也介紹了張衡的地動(dòng)儀及其對(duì)隴西地震的反應(yīng)，還附上了地動(dòng)儀的復(fù)原模型和震動(dòng)示意圖（如下圖）。

2017年以后，教育部組織編寫了新版的中小學(xué)語文、道德與法治、歷史教科書，統(tǒng)籌安排相關(guān)內(nèi)容。小學(xué)道德與法治五年級(jí)上冊(cè)教科書指出，張衡發(fā)明了世界上最早的地震儀器地動(dòng)儀，還提到該發(fā)明入選中國科學(xué)院發(fā)布的《中國古代重要科技發(fā)明創(chuàng)造》；在初中歷史教科書中，有讓學(xué)生搜集地動(dòng)儀復(fù)原模型相關(guān)資料的習(xí)題；在2019年新版高中歷史教科書中提到候風(fēng)地動(dòng)儀被譽(yù)為“制作侔造化”。

史書中的張衡與地動(dòng)儀

對(duì)于張衡及其地動(dòng)儀的記載，世人引用較多的是范曄所著《后漢書》，也就是前面提到的曾經(jīng)入選高中語文教科書的《張衡傳》一文。這篇文章提到，張衡發(fā)明地動(dòng)儀的時(shí)間是陽嘉元年，也就是132年，當(dāng)時(shí)在位的皇帝是漢順帝劉保。關(guān)于地動(dòng)儀的形制，文章多有描述，如用精銅制成，直徑八尺（大約1.9米），分為上下兩部分，上面的蓋子中央有凸起，形似酒尊，有篆文山龜鳥獸紋飾。儀器里面在中央有一根大柱子，與八方相連，內(nèi)設(shè)機(jī)關(guān)；儀器外面有八條龍，龍嘴里含著銅丸，每條龍下面蹲著一只蟾蜍，張著嘴等著接掉下來的銅丸。如果有地動(dòng)，儀器振動(dòng)引發(fā)機(jī)關(guān)，龍嘴吐出銅丸被蟾蜍接住，聲音非常響亮。地動(dòng)儀的妙處在于，如果一條龍機(jī)關(guān)發(fā)動(dòng)，另外的七條并不會(huì)受影響，由此可以判斷地震發(fā)生的方向。文章還記載了一次隴西地震與地動(dòng)儀發(fā)作的關(guān)聯(lián)。此外，在《后漢書·順帝紀(jì)》篇章中也有“史官始作候風(fēng)地動(dòng)銅儀”的記載。

除了范曄的《后漢書》，還有其他史書也對(duì)張衡及地動(dòng)儀作了記載。西晉司馬彪所著《續(xù)漢書》比《后漢書》成書要早，相關(guān)內(nèi)容比《后漢書》多了“施關(guān)發(fā)機(jī)”等字，還有一些表述略有差異。不過《續(xù)漢書》已經(jīng)遺失，只是散見于《太平御覽》等古書中。東晉袁宏的《后漢紀(jì)》成書也比《后漢書》早，但比《續(xù)漢書》晚。袁宏的記載有多處與范曄的不同，比如沒有“候風(fēng)”兩個(gè)字，沒有說隴西地震的案例，還有多處表述差異。學(xué)界一般認(rèn)為范曄關(guān)于張衡及其地動(dòng)儀的記載受到了袁宏《后漢紀(jì)》的影響。

通過對(duì)上述史料的分析，我們可以看到，張衡發(fā)明制作了地動(dòng)儀是比較可信的，地動(dòng)儀的外觀也是比較清楚的—形似酒尊、上下兩部分、蓋子中央凸起、有八條龍、下面對(duì)應(yīng)八只蟾蜍。但外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)卻是不清楚的。從外觀來說，漢代酒尊的形狀也并非完全統(tǒng)一，地動(dòng)儀到底像哪種酒尊呢？是上下一樣粗，還是上粗下細(xì)呢？八條龍是整條的，還是只有龍頭露在外面？蟾蜍相對(duì)于尊體是朝外蹲著，還是朝內(nèi)蹲著？龍嘴與蟾蜍的嘴相對(duì)位置到底是怎樣的？這些都是未知的。再說內(nèi)部結(jié)構(gòu)，現(xiàn)存的史料只說“中有都柱，傍行八道”，而且“其牙機(jī)巧制，皆隱在尊中”，但中間的柱子到底什么樣，多粗多細(xì)，是立柱還是懸柱？柱子跟八條龍是通過什么樣的機(jī)關(guān)聯(lián)系在一起的？由于沒有詳細(xì)描繪，更沒有插圖，這就給后人留下無限的遐想空間。由于不清楚內(nèi)部機(jī)關(guān)，也就無法推知地動(dòng)儀的工作原理。最大的遺憾是，迄今為止，考古發(fā)掘都沒有發(fā)現(xiàn)地動(dòng)儀的實(shí)物，因此也引起一些人的質(zhì)疑。

地動(dòng)儀的復(fù)原

地動(dòng)儀如此精妙，吸引了不少學(xué)者嘗試復(fù)原。比較早的復(fù)原有以下幾個(gè)案例，學(xué)者們都提出了設(shè)計(jì)圖，但沒有開展實(shí)物復(fù)原工作。

1875年，日本學(xué)者服部一三繪制了地動(dòng)儀復(fù)原圖，但只有外形，沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，更沒有復(fù)原實(shí)物。這張圖的影響很大，1931年，北平鷲峰地震研究室曾據(jù)其臨摹繪制，地質(zhì)學(xué)家李善邦的文章中也記錄過該圖，后來這篇文章被英國科技史學(xué)家李約瑟發(fā)現(xiàn)，這張圖也進(jìn)入了他那著名的《中國科學(xué)技術(shù)史》中。1936年倫敦科學(xué)博物館出版的《應(yīng)用地球物理學(xué)?？芬舶l(fā)表過一張與服部一三設(shè)計(jì)非常相似的地動(dòng)儀復(fù)原圖。1883年，英國學(xué)者米爾恩也畫了地動(dòng)儀復(fù)原圖，同樣沒有復(fù)原實(shí)物，米爾恩當(dāng)時(shí)在日本東京帝國大學(xué)擔(dān)任地質(zhì)礦物學(xué)教授，后來曾發(fā)明水平地震儀，是現(xiàn)代地震學(xué)的開創(chuàng)者之一。1917年，建筑師呂彥直在《科學(xué)》雜志發(fā)表了地動(dòng)儀的復(fù)原圖，也只是一個(gè)外形設(shè)計(jì)圖，且與米爾恩的有些相似，細(xì)節(jié)有所不同。

關(guān)于張衡地動(dòng)儀的實(shí)物復(fù)原工作，是從20世紀(jì)50年代才開始的。參與復(fù)原的既有國家文物、考古、博物館和中國科學(xué)院等單位，也有民間的企業(yè)和個(gè)人。其中影響較大的是王振鐸和馮銳等人分別完成的兩個(gè)復(fù)原模型。

王振鐸是國內(nèi)知名博物館學(xué)家和科技史專家，曾經(jīng)就讀于燕京大學(xué)研究院歷史系，后來長期從事文物和博物館工作，復(fù)原了大量古代科技發(fā)明。1936年，王振鐸嘗試對(duì)地動(dòng)儀的發(fā)明進(jìn)行探討，并發(fā)表了《漢張衡候風(fēng)地動(dòng)儀制法的推測》一文。1951年，他設(shè)計(jì)出了1：10的復(fù)原模型。8年后，中國歷史博物館建成時(shí)，根據(jù)王振鐸1951年的模型精工制作了1：2的木質(zhì)模型并陳列展覽。后來很長一段時(shí)間出現(xiàn)在我國教科書和郵票上的地動(dòng)儀模型，都是以此為樣本的。不過，王振鐸在1963年曾經(jīng)對(duì)地動(dòng)儀的設(shè)計(jì)圖做過修改，但沒有進(jìn)一步去復(fù)原實(shí)物。

再來說說中國地震臺(tái)網(wǎng)中心馮銳等人的復(fù)原工作。2002年，在地震科學(xué)聯(lián)合基金會(huì)的資助下，馮銳主持的“張衡地動(dòng)儀的工作原理研究”項(xiàng)目開始起步。2004年，中國地震臺(tái)網(wǎng)中心與河南博物院共同開展了地動(dòng)儀的科學(xué)復(fù)原工作，組織了由8個(gè)單位的地震學(xué)家、歷史學(xué)家、考古學(xué)家、自動(dòng)化學(xué)家和美術(shù)家等參加的研究組，馮銳任課題負(fù)責(zé)人。課題組調(diào)研了大量的文獻(xiàn)，考察了安放地動(dòng)儀的靈臺(tái)，做了大量準(zhǔn)備工作。新的復(fù)原模型于2005年4月先后通過了專家委員會(huì)、國家文物局和河南省政府組織的驗(yàn)收。該模型后來一直在河南省博物院展出。此后，公眾視野中就出現(xiàn)了馮銳等人設(shè)計(jì)的地動(dòng)儀復(fù)原模型。2015年，香港特別行政區(qū)發(fā)行了一套“中國古代科學(xué)家”郵票，其中張衡那張郵票上采用的就是這個(gè)新的模型。

通過比較可以看出，王振鐸和馮銳等人設(shè)計(jì)復(fù)原的地動(dòng)儀模型存在多處差異。從外觀來看，王振鐸的模型參照的是盆形尊，器如半球體，盆狀下收，圈足，八條龍都有完整的身體，蟾蜍與尊體分離；馮銳等人的模型參照的是穹隆狀尊，隆蓋、直壁圓桶、平底、器足，八條龍只有龍首露在外面，以蟾蜍作為尊體基座。此外，二者在尊體的紋飾等方面也有很多差異。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)看，二者都利用了杠桿原理，但王振鐸采用的“都柱”方案是直立柱，而馮銳等人采用的是懸垂柱。目前，在中國科學(xué)技術(shù)館新館中，兩個(gè)模型同時(shí)展示給了觀眾。

除了上面提到的復(fù)原研究工作，中國科學(xué)院退休研究員胡寧生提出了新的直立柱模型和驗(yàn)震實(shí)驗(yàn)；中國臺(tái)灣成功大學(xué)教授顏鴻森等人主要針對(duì)地動(dòng)儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提出了多種不同的設(shè)計(jì)方案；中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技史專家李志超對(duì)地動(dòng)儀復(fù)原的設(shè)計(jì)也提出了自己的方案。

模擬實(shí)驗(yàn)與復(fù)原研究是科技史研究的重要手段。對(duì)于科技史上重大發(fā)明創(chuàng)造的復(fù)原，需要結(jié)合歷史文獻(xiàn)記載、出土文物資料，充分考慮科學(xué)原理、質(zhì)地材料、當(dāng)時(shí)的社會(huì)文化背景等因素，是一項(xiàng)難度非常大的工作。這也是張衡地動(dòng)儀的復(fù)原模型一直存在爭議的主要原因。

總的來說，根據(jù)史料的有限記載，想要復(fù)原出跟張衡的地動(dòng)儀一模一樣的模型是不可能的。同時(shí)，張衡的地動(dòng)儀對(duì)于地震發(fā)生的時(shí)刻、震級(jí)、震中具體方位都無法給出準(zhǔn)確信息。該地動(dòng)儀只能在地震發(fā)生后做出反應(yīng)，并沒有預(yù)報(bào)地震的功能。

盡管如此，現(xiàn)有的史料并非孤證，還是可以讓我們相信地動(dòng)儀是確實(shí)存在過的，不能因?yàn)橛涊d不夠詳細(xì)、沒有實(shí)物留存于世就全盤否定地動(dòng)儀。在歷史的長河中，古人曾經(jīng)有過不計(jì)其數(shù)的發(fā)明創(chuàng)造，但由于制作材料、戰(zhàn)爭、災(zāi)害等各種原因，很多都沒有實(shí)物保留下來，后人只能通過歷史文獻(xiàn)對(duì)其有一個(gè)大致了解。至于那些既沒有實(shí)物留存，也沒有載于史冊(cè)的發(fā)明創(chuàng)造，連想象的空間都沒有留給后人。