百科探秘

世界上最早準(zhǔn)確檢測(cè)出地震的科學(xué)儀器

千年后成為只能觀賞的藝術(shù)品

它是史書記載的傳說

還是我們沒有參透它的奧秘

失傳千年的地動(dòng)儀，隱藏著未解之謎

它是世界上最早準(zhǔn)確檢測(cè)出地震的科學(xué)儀器。許多年來，它和它的發(fā)明者一直是中國(guó)古代科技文明的象征。在1800年前，它就可以成功檢測(cè)出遠(yuǎn)隔幾百公里，人們根本沒有感覺的地震?？墒?，誰都沒有想到，就是我們引以為豪的這個(gè)地動(dòng)儀，卻從沒有像史書記載的那樣，在地震發(fā)生時(shí)，吐出銅丸，指示方向。它神奇的測(cè)震功能，為什么會(huì)消失了呢（圖1）？

（１）史書記載的神奇儀器，在今天竟然成為只能供人欣賞的展覽品

主持人:為大家介紹一下來到演播室的兩位嘉賓，中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心的馮銳教授；國(guó)家歷史博物館的李先登研究員，考古專家。

中國(guó)人的驕傲，中國(guó)歷史上的偉大發(fā)明，誰會(huì)懷疑它有問題呢？

李先登:1976年唐山大地震，那么強(qiáng)烈，離北京這么近，張衡這個(gè)地動(dòng)儀，居然沒有反應(yīng)。

1976年，河北唐山發(fā)生里氏7.8 級(jí)地震，距離唐山175公里的北京有強(qiáng)烈震感，很多建筑物出現(xiàn)裂縫，然而放在歷史博物館中的地動(dòng)儀卻沒有任何反應(yīng)。這讓當(dāng)時(shí)在歷史博物館工作的李先登疑惑不解，還沒等他想明白其中原因，又發(fā)生了另一件讓人哭笑不得的事

李先登:1988年，中國(guó)歷史博物館應(yīng)邀在日本奈良舉辦了一個(gè)中國(guó)古代科學(xué)技術(shù)展覽。開幕式那一天， 1988年4月1日，因?yàn)楫?dāng)時(shí)我們想不出辦法，怎么通過震動(dòng)，讓地動(dòng)儀龍口把銅丸吐出來，落在蟾蜍的口里。實(shí)在沒辦法，就用一個(gè)木桿，去捅這個(gè)龍口，讓銅丸落下來，掉到蛤蟆的嘴里頭。這就成了當(dāng)時(shí)大家調(diào)侃的對(duì)象（圖2）。

（２）1988年在日本展覽開幕式時(shí)拍攝的照片

主持人:馮先生聽到這種質(zhì)疑是什么時(shí)候？

馮銳:我聽到這種質(zhì)疑，差不多在2002年吧。

主持人:以前你也沒懷疑過這東西？

馮銳:沒有。我也是，我從小就接觸這個(gè)，就受到了這個(gè)教育，所以我也從沒懷疑過。而且你看我還是搞地震的。我是純粹搞地震學(xué)的?，F(xiàn)在我都60多歲了，都退休了，等老了才發(fā)現(xiàn)，這個(gè)是不對(duì)的，也是很慚愧的事。

關(guān)于地動(dòng)儀的記載，最為人熟知的，就是南北朝時(shí)范曄在《后漢書·張衡傳》里的描述，地動(dòng)儀“形似酒尊，中有都柱”，曾經(jīng)成功驗(yàn)證了一場(chǎng)人沒有感覺，而地動(dòng)儀有反應(yīng)的隴西地震而聲名遠(yuǎn)揚(yáng)。不僅如此，現(xiàn)代地震學(xué)之父米爾恩，（圖3）在他的第一本地震學(xué)專著中，肯定了自己的地震儀設(shè)計(jì)思想是來自中國(guó)張衡地動(dòng)儀的啟發(fā)。難道這些記錄和評(píng)價(jià)都錯(cuò)了嗎（圖4）？

（３）現(xiàn)代地震學(xué)之父約翰·米爾恩

（４）1894年，近代世界第一臺(tái)地震儀問世

主持人:在我們很多反映中華古文明的影視作品當(dāng)中，地動(dòng)儀和司南、指南車，都是非常重要的一些鏡頭啊。

馮銳:對(duì)，實(shí)際上一直混著。很多人把它當(dāng)作出土文物。就是它，沒有別的了。

主持人:我也一直以為它是出土人文物呢。

馮銳:張衡的地動(dòng)儀，在歷史上是測(cè)過地震的。它的發(fā)明是在公元132年，記錄到了公元134年的隴西地震。但是后來，到東漢末年的時(shí)候，公元190年，董卓把洛陽燒了，兩百里沒有人煙，它就失傳了。所以現(xiàn)在我們看到的所有的地動(dòng)儀，都是根據(jù)史料記載復(fù)原的模型。

張衡地動(dòng)儀盡管在1800年前已毀于戰(zhàn)火，但史料中生動(dòng)的描述卻讓后世的人們對(duì)它心馳神往。近代地震研究開始以來，許多國(guó)家的研究者都曾設(shè)計(jì)過地動(dòng)儀的復(fù)原模型。但最為人熟知的，就是一個(gè)有點(diǎn)像啤酒桶形狀的地動(dòng)儀。1952年它開始進(jìn)入我們的視野（圖5），隨即被編入全國(guó)中小學(xué)教科書。這個(gè)我們最熟悉、甚至被誤認(rèn)為當(dāng)年張衡所做的地動(dòng)儀究竟來自哪里呢？

（５）在中國(guó)廣為人知的地動(dòng)儀形象

李先登:這個(gè)復(fù)原的漢代張衡地動(dòng)儀，是歷史博物館的老先生，王振鐸先生，1951年復(fù)原的。我們過去用的，宣傳的，都是這個(gè)模型（圖6）。

（６）歷史博物館的王振鐸先生1951年設(shè)計(jì)、復(fù)原的張衡地動(dòng)儀

馮銳:因?yàn)閺?fù)原人的不同的理解，不同的設(shè)計(jì)，它的形狀和原理與原物就會(huì)有很大的不同。你知道全世界現(xiàn)在有多少嗎？全世界一共有13種地動(dòng)儀，美國(guó)有美國(guó)的張衡地動(dòng)儀模型，日本有日本的張衡地動(dòng)儀模型，英國(guó)有英國(guó)的張衡地動(dòng)儀模型，荷蘭有荷蘭的，中國(guó)有中國(guó)的。這個(gè)模型是王振鐸先生1951年設(shè)計(jì)的。王先生1936年還設(shè)計(jì)過一個(gè)。這兩個(gè)模型原理、外形全都不一樣。所以就是同一個(gè)人，在不同時(shí)候理解也會(huì)不一樣。但是它不是一般的工藝品，可以自己設(shè)計(jì)。它是個(gè)儀器，不僅要符合史料，而且還要有一定的功能。

2002年，地震學(xué)家馮銳因?yàn)榈卣鹂破盏男枰谝淮谓佑|到了地動(dòng)儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，他吃驚地發(fā)現(xiàn)，這個(gè)大家都引以為豪的地動(dòng)儀，竟然存在著原理性錯(cuò)誤。

主持人:在我小時(shí)候的印象當(dāng)中，說是里面有一個(gè)柱子叫都柱，這個(gè)都柱感覺到地震波以后，一倒，觸動(dòng)機(jī)關(guān)，然后龍就吐珠了？

李先登:是這樣，中間一個(gè)都柱，就是一根桿，有地震波過來的時(shí)候一倒，然后龍頭就張口了，把銜著的銅丸掉在蟾蜍嘴里。

主持人:這個(gè)真的做得到嗎？如果咱們不考慮地震，如果我來碰這個(gè)都柱的話，這個(gè)龍能吐珠嗎？

李先登:是的。但是這個(gè)柱子，如果有人在它旁邊走動(dòng)，或者有點(diǎn)什么震動(dòng)，它也會(huì)倒，它的問題在這兒。就是說，不是非得有地震波來了它才倒，旁邊有一點(diǎn)震動(dòng)它就倒。

地動(dòng)儀模型的都柱是一個(gè)直立的棍，了解現(xiàn)代地震學(xué)知識(shí)的人，都知道這種結(jié)構(gòu)根本無法準(zhǔn)確區(qū)分出地震和其他震動(dòng)。馮銳無法理解，曾經(jīng)成功檢測(cè)出隴西地震的張衡地動(dòng)儀怎么可能是這樣的？

馮銳:地震波不是這種爆炸沖擊，是很不一樣的。地震波是兩個(gè)巖石的錯(cuò)動(dòng)沖傳出來的，這種波的特點(diǎn)是，它到了地表以后，上下的顛動(dòng)非常輕微，甚至你察覺不到。如果是爆炸、人走、房倒，地面是上下顛動(dòng)的，甚至旁邊有個(gè)汽車一過，馬車一過，大家也可以感到。這是爆炸波，它沖擊過來了。

地震是另外一種情況，它是剪切的。所以它這個(gè)波動(dòng)過來以后，水平晃動(dòng)是主要的。

地震是地殼內(nèi)部的巖層交錯(cuò)剪切斷裂而形成，傳到地面的地震波和其他震動(dòng)波最大的不同，就是地面除了上下顛簸，還有很強(qiáng)烈的水平晃動(dòng)。地動(dòng)儀要能檢測(cè)出地震，必須只對(duì)地震波帶來的水平晃動(dòng)產(chǎn)生反應(yīng)，而不怕地面的上下顛動(dòng)。但一個(gè)直立的細(xì)桿，是沒有辦法做到這一點(diǎn)的，為什么一個(gè)錯(cuò)誤的地動(dòng)儀會(huì)存在這么久而無人過問呢？

馮銳:其實(shí)學(xué)術(shù)研究上，從1969年開始，學(xué)術(shù)界就有文章，國(guó)內(nèi)和國(guó)外，一篇一篇：反對(duì)，否定。一再提出批評(píng)，批評(píng)得很厲害，但我們不知道。地震學(xué)界，自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)脫離。

李先登:我曾在日本待了3個(gè)月，很多日本朋友對(duì)我提出善意的質(zhì)疑。我回來以后，把這些情況向王振鐸先生做過匯報(bào)，王先生也認(rèn)為應(yīng)該改進(jìn)，因?yàn)檫@些問題沒有辦法解決。

馮銳:這樣就發(fā)現(xiàn)國(guó)際上負(fù)面的影響非常強(qiáng)烈。由于大家都誤解這個(gè)就是張衡地動(dòng)儀，是出土的東西，可它又不工作，它原理又錯(cuò)了。這個(gè)設(shè)計(jì)原理，地震學(xué)家一看，肯定是錯(cuò)的。有些文章就指出，說中國(guó)把張衡地動(dòng)儀奉為國(guó)粹，實(shí)際上它是不可靠的，是不科學(xué)的東西，是他們那個(gè)民族希望的，想象的東西。所以張衡地動(dòng)儀失傳了，沒有張衡地動(dòng)儀，對(duì)世界科學(xué)史沒什么影響。

1951年復(fù)原模型的錯(cuò)誤，讓張衡和他的地動(dòng)儀受到國(guó)內(nèi)外普遍質(zhì)疑，這種質(zhì)疑甚至激烈到對(duì)中國(guó)古代科技思想的整體否定。奧地利學(xué)者雷利柏尖銳地提出，張衡地動(dòng)儀不是一個(gè)科學(xué)的儀器，中國(guó)的張衡和他的地動(dòng)儀根本沒有對(duì)地震學(xué)的發(fā)展起過任何作用。這對(duì)從事地震研究40多年的馮銳來說，無論如何也接受不了。但如果是復(fù)原模型錯(cuò)了，那么真正的張衡地動(dòng)儀會(huì)是什么樣的呢？在各個(gè)國(guó)家設(shè)計(jì)的地動(dòng)儀模型中，一種與直立棍不同的思路引起了馮銳的注意。

馮銳:這個(gè)設(shè)計(jì)師是米爾恩，是地震學(xué)鼻祖，他是最早設(shè)計(jì)的，他推測(cè)張衡地動(dòng)儀，是懸掛的（圖7）。他把漢文翻成英文的時(shí)候，就把 “中有都柱”，直接翻譯成 “中間有一根柱子，這個(gè)柱子是懸掛起來的”。

（７）米爾恩設(shè)計(jì)的張衡地動(dòng)儀

張衡的偉大在于什么？在他注意了這么一種物體的運(yùn)動(dòng)，地震的時(shí)候它才動(dòng)，不是地震它不動(dòng)。

主持人:什么東西會(huì)有這個(gè)特性呢？

馮銳:這個(gè)特性人們注意了很多年了，只有兩種物體的運(yùn)動(dòng)是有這個(gè)特性的。一種是吊燈。房頂?shù)鯚?，或者懸掛物，你怎么顛它不?dòng)，它不會(huì)動(dòng)的，可地震波一晃動(dòng)，它就晃起來了，像秋千一樣。還有一種物體的運(yùn)動(dòng)，水面，液體的表面，有這樣的特點(diǎn)。你水平晃，它馬上晃起來。所以這兩種物體，對(duì)于測(cè)震學(xué)來說非常重要。

懸垂的吊燈，對(duì)地面的水平運(yùn)動(dòng)非常敏感，還會(huì)因?yàn)閼T性不停搖擺。而這種地面水平運(yùn)動(dòng)正是地震波的特征性標(biāo)志。19世紀(jì)，英國(guó)人米爾恩首先把懸掛物的這種屬性，運(yùn)用在地震監(jiān)測(cè)研究中。懸垂擺原理成為現(xiàn)代地震學(xué)的基礎(chǔ)理論，米爾恩也因此成為現(xiàn)代地震學(xué)的鼻祖。可是，米爾恩是在19世紀(jì)近代科技發(fā)展的基礎(chǔ)上才確定了這樣的理論，在1800年前的東漢，張衡有可能會(huì)想到利用懸垂擺的原理來發(fā)明地動(dòng)儀嗎？

主持人:這個(gè)原理張衡當(dāng)年能知道嗎？

李先登:從考古發(fā)現(xiàn)的文物上來看，漢代就有吊在屋頂上的吊燈。考古發(fā)現(xiàn)的漢代的吊在屋頂上的銅人，做得很有藝術(shù)性，是一個(gè)銅人，手捧著燈盤（圖８）。這些應(yīng)該說，都可以給張衡地動(dòng)儀的發(fā)明一種啟示。如果當(dāng)時(shí)有地震，那么掛著的吊燈一定會(huì)晃動(dòng)，它晃動(dòng)，就表示有地震產(chǎn)生。另外更早，比如說從商周以來，咱們發(fā)明的演奏用的編鐘、磬，這些都是懸掛的。

（８）漢代人形吊燈

主持人:它不懸掛敲不出聲來？

李先登:對(duì)。

馮銳:懸掛物用于測(cè)震為什么很容易被人發(fā)現(xiàn)？因?yàn)樗腥齻€(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，只有地震我才動(dòng)，不是地震我不動(dòng)。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)，它比人靈敏。 第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)，它一晃起來沒完沒了，就跟秋千一樣，很容易被人發(fā)現(xiàn)，引起科學(xué)思想誕生。另外，我們還要看史料，史料當(dāng)中有沒有這樣的根據(jù)，它談不談這個(gè)問題，我們看史料。史料寫得很清楚，就像《后漢記》，袁宏寫的，寫得很清楚——“ 地動(dòng)搖尊” 。叫作“搖”啊，不是顛，然后說：“尊則震，龍機(jī)發(fā)，吐丸，蟾蜍張口受之”。說明他觀測(cè)的是一個(gè)水平運(yùn)動(dòng)。

馮銳花了兩年多的時(shí)間，論證了張衡地動(dòng)儀的工作原理應(yīng)該是懸垂擺，而懸垂擺的地動(dòng)儀完全有可能在京師洛陽測(cè)到幾百里外隴西發(fā)生的地震?？墒怯捎陂L(zhǎng)期的誤會(huì)，1951年的復(fù)原模型一直被當(dāng)作真正的張衡地動(dòng)儀，出現(xiàn)在學(xué)校教學(xué)和展館展覽中。

馮銳:所以必須重新復(fù)原，這是肯定的。如果不重新復(fù)原，問題無法解決。

主持人:對(duì)于前輩的失誤，我們不諱言，當(dāng)年就是錯(cuò)的。

馮銳:但是我們還要肯定他們的貢獻(xiàn)。以前做復(fù)原模型，大家都僅僅是畫個(gè)想象圖，英國(guó)那個(gè)是1883年畫的，畫個(gè)圖就算復(fù)原了。1951年模型的貢獻(xiàn)是有了一個(gè)實(shí)體的展覽模型，讓大家能直觀地理解它，這是個(gè)很重要的發(fā)展。正是由于這個(gè)模型，使我們很多人了解了地動(dòng)儀，了解了地震，世界上更多的人知道了中國(guó)的偉大科學(xué)貢獻(xiàn)?，F(xiàn)在是21世紀(jì)了，我們這一代人的任務(wù)更加艱巨，光有形還不行。

主持人:要讓它真正能工作起來。

馮銳:對(duì)，這就是我們現(xiàn)在的任務(wù)。

就在馮銳論證地動(dòng)儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)的同時(shí)，在張衡的故鄉(xiāng)，剛剛建成的河南博物院又一次遇到地動(dòng)儀不能動(dòng)的尷尬，他們決定向全國(guó)招標(biāo)，再造地動(dòng)儀。2004年，河南博物院和中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心成立了重新復(fù)原張衡地動(dòng)儀的課題組，打破了以前考古學(xué)家不懂地震，地震學(xué)家不熟史料的局限。

然而張衡地動(dòng)儀早在1800年前已毀于戰(zhàn)亂，今天所有對(duì)地動(dòng)儀的記載僅僅只是《后漢書》中的196個(gè)字，它們就像一段密碼，把張衡和他的地動(dòng)儀鎖在塵封的歷史中（圖９），馮銳他們能破解古人留下的這段密碼，解開張衡地動(dòng)儀的秘密嗎？

（９）《后漢書》中關(guān)于張衡地動(dòng)儀的簡(jiǎn)要記載