【轉載】張衡地動儀的復原之路

張衡『地動儀』靈驗

1

漢，永和三年，二月初三。

這一天，都城洛陽的那台奇怪的機器，忽然發出了一聲『叮』的聲響。

那是那台機器上朝著西北方向的那條龍，忽然吐下了含在口裡的鋼珠，恰巧落在下面張口等著的銅蟾蜍嘴裡。

張衡走上前去，拿起了鋼珠，望向西北方，皺起了眉頭。

『有地震了。』他說。

周圍的人面面相覷，有人甚至嗤笑了一聲。

沒有人有任何震動感覺。

三天後，隴西的信使快馬加鞭趕到洛陽報告：隴西地震，二郡崩塌！

京城上下，無不震動。人們奔走相告：

『張衡大人的那台地動儀，神了！』

2

這段故事，是對【後漢書·張衡傳】中一段記錄的擴寫。

原文只有35個字，摘錄如下：

『嘗一龍機發而地不覺動，京師學者咸怪其無征，後數日驛至，果地震隴西，於是皆服其妙。』

提起『地動儀』這三個字，對於中國人而言，實在是太熟悉的一個名詞。

長期以來，這個地動儀的形象，出現在我們的歷史教科書里，電視裡，郵票上，博物館裡，大家都已經耳熟能詳。而對於這台儀器的意義，大家也都已經爛熟於胸：

公元132年，東漢的張衡發明了地動儀，這是人類歷史上第一台能測量感知地震的儀器，比歐洲早了1700多年，是中華民族古代科技文明的結晶。

但是——

至少我們所熟悉的那台地動儀，是假的。

3

我們從小看到大的那個地動儀，是根據【後漢書】的那段記載複製的。複製的人，叫王振鐸。

1934年，在燕京大學讀歷史專業研究生的王振鐸，在認真研究了【後漢書】的相關記載之後，誕生了想複製『地動儀』的念頭——在公元200年前後，張衡的那台地動儀就消失了（據信是毀於戰火）。

兩年之後，王振鐸按照書中所說『形似酒樽』的記載，設計了『地動儀』的外形，但對於內部結構，王振鐸卻犯了難。因爲，整個【後漢書】對於『地動儀』的記載，一共只有196個字：

『以精銅鑄成，員徑八尺，合蓋隆起，形似酒尊，飾以篆文山龜鳥獸之形。中有都柱，傍行八道，施關發機。外有八龍，首銜銅丸，下有蟾蜍，張口承之。其牙機巧制，皆隱在尊中，覆蓋周密無際。如有地動，尊則振龍，機發吐丸，而蟾蜍銜之。振聲激揚，伺者因此覺知。雖一龍發機，而七首不動，尋其方面，乃知震之所在。』

究竟是什麼原理，讓地動儀能感知地震，而且還能辨明方位，從龍嘴裡吐出銅珠？

王振鐸選擇遵從英國地震學家米爾恩1883年【地震和地球的其他運動】一書中闡述的『懸垂擺』的結構原理：從地動儀的上部垂下來一根擺，用以並判明地震方向，並控制相應機關。

1949年，新中國成立，王振鐸擔任了文化部文物局博物館處處長。在那個百廢待興的年代，爲了樹立弘揚中國古代燦爛文化，國家要求博物館復原一批代表古代文明的器物，作爲陳列和宣傳之用。

王振鐸自然而然想到了復原『地動儀』。

1951年，王振鐸放棄了自己1936年想遵從的『懸垂擺』原理，而是用倒立的直杆原理，複製出了1:10比例的『張衡地動儀』模型。

1952年4月，【人民畫報】對這尊模型的復原進行了報導。中央人民政府文化部社會文化事業管理局的王天木，以【偉大的祖國古代科學發明地動儀】爲題，用了一個整版的篇幅圖文並茂地向讀者講解了地動儀的結構和工作原理——請記住，是『直立杆原理』。

王氏『張衡地動儀』內部結構

王振鐸複製的這款『張衡地動儀』隨即被編寫進入全國中小學教科書，但在之後歷次的修訂中，卻略去了【人民畫報】王天木的一段話：

『可惜張衡這一重要發明早就失傳了，隋朝時科學家臨孝恭尚寫有一部【地震銅儀經】，也未能傳流下來。……這裡介紹的這個模型，是我們在1951年設計完成，主要是根據【後漢書·張衡傳】的記載，及考古材料而複製的。』

於是，一代代的教師和學生（包括那時候的我）都認爲，課本上的圖片，就是張衡當年造的地動儀。

4

這個1951年複製版本的『張衡地動儀』，很快就轟動了世界。

在聯合國世界智慧財產權組織總部，『張衡地動儀』被安排展覽，和它並排展出的，是美國太空人從月球帶回的岩石。

1972年美國總統尼克森參觀歷史博物館，專門參觀張衡地動儀

在中國地方性的博物館裡，『1951年版張衡地動儀』也被當作文物來仿製和收藏——不僅進入了教材，就連中國地震局也用這部復原模型做了幾十年標誌，直到近年才取下。

最關鍵的是，大家一直認爲，王振鐸的這個『張衡地動儀』版本是不可改動的，甚至更多的人以爲，張衡的地動儀，就是按照這個原理鑄造的。

來自世界各地的質疑聲開始響起。

事實上，從1960年代起，王振鐸這個版本的『張衡地動儀』，就開始不斷遭受到地震學界的質疑。從1969年開始，日、美、荷、奧等國地震學界發表了一系列的措辭嚴厲的論文：

1972年，日本學者關野雄用計算否定了『直立杆原理』。1983年，荷蘭的斯萊斯維克、美國人賽維也提出王氏模型不能成立，並從根本上否定了直立杆原理。

1984年，美國地震學家博爾特院士更是不客氣地指出：『中國目前最流行的地動儀模型工作原理模糊，模型簡陋粗糙，機械磨擦大大降低了靈敏度，對地震的反應低於居民的敏感，其作用應予以質疑，而且利用銅丸的掉落方向來確定震中也是不確定的』。

提出質疑的，還不止外國人。

1976年，作爲王振鐸的老朋友，中國地震學的奠基人傅承義院士當面向他指出了1951年版本地動儀的原理性錯誤，並說了一句讓人挺尷尬的話：

『房梁下吊塊肉都比你那個模型強！』

傅承義

但這種當面批評，還不是最尷尬的。1988年，地動儀在日本奈良展出，中方的解說員無法證明這個儀器的靈敏性，只能手持木棍——木棍捅一下，龍口中的銅丸才會掉到下面蟾蜍的口中。

對地動儀的懷疑開始蔓延開來，甚至擴散到了對張衡，甚至對中國古代科技的懷疑。奧地利學者雷立柏在他寫的【張衡，科學與宗教】一書中寫到：

『對張衡地動儀的迷戀正是華夏科學停滯特點的典型表現』。

老祖宗留下的這個『地動儀』，真的是個沒用的東西？

5

『張衡地動儀』的證明之路，再一次啟程。

在這個過程中，一個叫馮銳的人，成爲了一個領軍人物。

1966年，邢臺發生地震，馮銳是中國科技大學的二年級研究生。他們這批學生在第一時間趕到災區，幫助抗震救災並印發各種宣傳震時逃生的小傳單。傳單其中一條，是建議老百姓在房間裡倒立一個酒瓶子，如果瓶子倒了，就是地震來了，馬上出逃。

然後時間就到了2002年。那一天，【防災博覽】雜誌的編輯武玉霞（中國地震局的高級工程師）找到了馮銳，問他爲什麼在一篇地震科普文章中寫『地震沒地震，抬頭看吊燈』，而他早年散發的傳單卻是教人們倒立酒瓶子？

當時的馮銳，已經是中國科學院的教授，但他被這個問題給問住了。

武玉霞之所以問馮銳，還有一個更深層原因——馮銳在文章中寫到，張衡的地動儀是世界上最早的驗震器。

而酒瓶子和吊燈，恰恰指向了這個問題的根本所在：按照王振鐸仿製的版本，張衡地動儀的原理是『直立杆原理』，就是酒瓶子原理，而吊燈的原理，卻是『懸垂擺原理』。

倒立酒瓶子，也就是『倒立杆原理』有兩大弊端：一，外界一有震動，哪怕不是地震，也會倒；二，就算倒下，也無法知道地震的方位。

這恰恰和【後漢書】中記錄張衡地動儀的描寫是完全相悖的。

難道是張衡的地動儀確實錯了？

馮銳回憶當時自己的感受：

『我作爲一個地震學家，那麼一直引以爲自豪的，是我們張衡是地震儀器的鼻祖，那我覺得是很大的精神上的壓力的。這個起碼我從感情上是很難接受的。』

馮銳的感情，其實代表了很多中國人的感情。這也是一代又一代的教科書，始終沒有修改的原因。

馮銳在王氏『張衡地動儀』前。

6

那麼作爲一個地震學家，難受一下，就過去了？

馮銳選擇了重新探索『張衡地動儀』的奧秘。

首先，馮銳根據王振鐸的論文來推算當年隴西地震的烈度。推算下來，能夠觸發在京師洛陽的倒立棍傾倒，地震最低烈度應爲5度。但如果是這樣的烈度，洛陽肯定地面晃動，人畜驚逃。顯然這樣的結果大大違反了後漢書中記錄的『一龍激發，而地不覺動』。

而要達到人沒反應而『地動儀』有感應，按照王振鐸的設計，那根核心部件『倒立棍』，也就是【後漢書》裡記錄的『都柱』，要高達2米，但直徑只能是1.5毫米。

根本就不可能站得起來。

那麼就只能證明一點：王振鐸設計的地動儀的核心部件——『都柱』不合理。

這一點給了馮銳非常大的啟發。馮銳突然意識到，外界所有對張衡地動儀的質疑，並不是張衡的那台機器錯了，而是王振鐸的設計錯了。

1953年中國發行的『張衡地動儀』郵票

隨後，馮銳又看了不少史書，發現那個時候對地震的記載，經常用一個『搖』字，包括皇帝詔書上也寫『地搖京師』，說明人們已經注意到了，地面是搖晃的。那麼，地動儀的原理，是否並不是利用『酒瓶子倒下』的原理，而是『懸掛的吊燈晃動』原理？而後者就是現代地震學之父，英國人米爾恩創立的『懸垂擺理論』。

但問題又來了：米爾恩創立的理論，距今也就100多年，張衡在1800多年前就想到了？

從想到這個念頭開始，作爲自然科學家的馮銳，就一頭扎進了完全陌生的考古學領域中，開始查證漢代的物質基礎——張衡會不會在那個時代，產生『搖』的靈感？

在大量出圖的漢代石刻和文物中，馮銳發現，當時已有大量懸掛物存在，而『地搖京師』時，這些懸掛物肯定都在搖。馮銳認爲，那個時代的張衡也許還不能準確描述地震波的性質和慣性原理，因此在後漢書中，也就沒有詳細描述『都柱』的運動方式。但古人卻巧妙的用『樽則振，龍機發』這六個字，把地動儀機械聯動的先後順序寫的清清楚楚。

最終，他得出的結論是：張衡當時認識到『懸垂擺』的理論，是有物質基礎的，受啟發是可能的。

但這依舊只是一個推測，就算理解了『懸垂擺』，1800年前的張衡，做得出『地動儀』嗎？或者說，你能按照1800年前的水平和原理，複製得出一個嗎？

2003年，缺少科研經費的馮銳無奈停住了前進的腳步，他在當時的論文裡寫到：

『我們現在還沒有能力對張衡地動儀的懸垂擺的原理的施關發機，牙機巧制，做出更具體的復原，那麼就像在我們讚美斷臂的維納斯雕像一樣，寧可去欣賞它的超越時代的缺憾美，而把這個古典文化這個無窮魅力留給後代。我們不要給他加胳膊了。』

7

但對真相的探索，永遠是吸引人的，缺少的只是機會。

一年之後，馮銳的機會來了——河南省博物館發來了邀請。

1998年，河南博物院新館在建設過程中，漢代展廳希望能展示張衡的地動儀，於是請來蘇州天文儀器研究所，按王振鐸的模型重新複製了一個木製模型。

博物館提出個合情合理的要求：『能否讓地動儀動起來？』

得到的回答是：『不可能。即使是中國歷史博物館裡陳列的那台也不能檢測地震。』

對方提出，可以在模型下面人爲地安上一個裝置，讓『地動儀』動起來。這讓當時擔任陳列部主任的田凱（如今已是院長）心裡感到不是滋味：『我們展出的是科學儀器不是玩具，這樣做是對觀眾的欺騙。』

這個情結，一直在田凱心中存留了6年。2004年，田凱通過各種媒體表達了自己願望：誰能真正的復原『地動儀』？經人牽線，田凱找到了馮銳。

2004年8月，河南博物院與中國地震台網中心簽訂了合作協議，組成了課題小組，共同復原『張衡地動儀』。經費全由河南博物館承擔，國家地震局全力支持。

河南省博物館

馮銳的團隊，力量一下子增強了。

馮銳團隊在此之後的研究和努力，限於篇幅和觀賞性（全部寫出來的話，未免也太枯燥了，我自己也沒完全搞懂），只羅列下面幾條：

首先，文史專家加入了馮銳的團隊。在此之前，記載張衡地動儀的只有【後漢書】一家，所謂『孤證不立』，可信度確實存疑。但專家們找到了【續漢書】、【後漢紀】等七部典籍中，均有對張衡地動儀的記載，196字擴展爲238字。

（正是【續漢書】中對張衡地動儀的描述，讓馮銳確信，下面的『蟾蜍』其實是和本尊連爲一體的）

其次，他了解到，地震儀的發明人，英國地震學權威米爾恩是第一個將【後漢書·張衡傳】翻譯成英文的人，曾大量實驗『懸垂擺』以驗證張衡地動儀，並且公開宣稱：『人類歷史上第一個地震儀是中國的張衡發明的』。這讓馮銳感到備受鼓舞：張衡的地動儀，肯定啟發過米爾恩。

第三，在自己的研究和文史專家的幫助下，馮銳了解到了【後漢書】記載文字中的『方面』其實並不是大家理解的『方位』，而搞懂了這一點，恰恰映證了地動儀的科學性。

第四，考古領域讓馮銳親臨當年漢代放置地動儀的靈台密室，讓他對靈台的土質有了直觀考察，再一次映證了當年張衡是利用靈台相對疏鬆的土質，達到放大地震信號的目的。

第五，有關方面調來了隴西歷次的地震波形圖，讓馮銳一一用數據對應。

總而言之，在各方面的全力配合下，『張衡地動儀』的神秘面紗，在馮銳眼前慢慢褪下。

馮銳版『張衡地動儀』內部構造

2005年3月，馮銳的課題組拿著複製出來的地動儀，開始接受全面的檢測。

經過連續7天168小時的強幹擾實驗，新複製的地動儀，數據準確，且沒有一次誤觸發。

這個模型，終於得到了考古界和科技界的一致認可。

8

2009年9月20日，中國科技館新館開幕，新的地動儀模型亮相與觀眾見面。

這是一個真正可以『動』的地動儀。觀眾可以親自動手按下按鈕，觀察在不同波型下地動儀的不同反應——只有橫波到來它才吐丸，其他來自縱波的震動，都無法使地動儀有任何反應。這就排除了其它的干擾，如很重的關門、汽車過境的震動、巨大的炮聲等。

美籍華裔理論物理學家、國際華人物理學會會長楊炳麟，在聽了馮銳在中科院理論物理所做的報告會後，認爲張衡應該是最早利用慣性原理的驗震的人。

這還沒有結束。

2010年1月24日，馮銳接到教育部長袁貴仁的電話。袁貴仁在仔細閱讀馮銳修改教科書的建議和相關資料後，原則同意修改『張衡地動儀』這一章節。

2010年秋季教改出台以後，按照教學大綱，『張衡地動儀』已不再是歷史課本中的內容，人教版歷史課本中已拿掉了這一知識環節。而作爲對這一錯誤的補救措施，人教社今後會將新版地動儀的知識加到教師用書中。

在上海九年制義務教育課本【中國歷史·七年級第一學期】第66頁第11課【科學技術的發展】中寫有：『秦漢、魏晉南北朝時期在科學技術領域還取得了許多成就。如張衡發明了世界上最早的測定地震方位的地動儀，剛開始啟用，就預測了700里以外地區的地震。』圖片上清晰標明『地動儀模型』這幾個字。

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