一段人人都了解的史料；一個(gè)天才科學(xué)家留下的密碼。

重新復(fù)原地動儀，能否勘破玄機(jī)?

我們從小在課本和各種展覽中見到的張衡地動儀，是中國歷史博物館王振鐸先生在1951年根據(jù)史料記載復(fù)原的模型(圖1)，這個(gè)“地動儀”不能檢測地震。模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理性的錯(cuò)誤，使張衡地動儀的科學(xué)性受到國內(nèi)外尖銳的質(zhì)疑。

2004年，河南博物院與中國地震臺網(wǎng)中心合作，對地動儀開展科學(xué)復(fù)原。

新復(fù)原的地動儀，不僅要符合史書記載，能夠檢測地震，還要符合東漢那個(gè)時(shí)代所能達(dá)到的技術(shù)水平。而當(dāng)時(shí)他們手上僅有的，只是《后漢書-張衡傳》中的196個(gè)漢字。這段被很多史學(xué)家評論為孤證的地動儀記載，能夠讓他們找到復(fù)原的依據(jù)嗎?面對簡練深邃的史書記載，他們?nèi)绾纹谱g張衡留下的密碼，復(fù)原出當(dāng)年那個(gè)神奇的地動儀呢?

“發(fā)現(xiàn)”地動儀外形

主持人：古書里面怎么說地動儀的?

李先登(國家歷史博物館研究員，考古學(xué)家)：《后漢書·張衡傳》講得很清楚，張衡的地動儀形狀和酒尊差不多。解放以后，考古出土了很多漢代的酒尊，多數(shù)都是一個(gè)圓形，但是直壁，并不是中間鼓肚的，中間鼓肚的一件都沒有發(fā)現(xiàn)(圖2)。

考古學(xué)家對地動儀外形的質(zhì)疑引起了地震學(xué)家馮銳的注意，他雖然花了兩年時(shí)間得出張衡地動儀內(nèi)部的都柱應(yīng)該是一個(gè)懸垂擺的結(jié)論，可是都柱懸垂擺動需要的空間，是舊模型無法提供的。既然儀器的外形是由原理決定的，隨著原理的徹底改變，必然迫使馮銳要思考：張衡地動儀的外形究竟是什么樣的?

馮銳(中國地震臺網(wǎng)中心教授，地震學(xué)家)：史料說“圓徑八尺”，好，那我們查查漢尺吧。平均數(shù)，一漢尺是23.48厘米，八漢尺就1.88米，直徑知道了。史料還說“形似酒尊，其蓋穹隆”。我們把漢代酒尊的照片都拿來，統(tǒng)計(jì)完了以后知道了，高度和它的直徑比，大體在1.4到1.6。這樣高度就知道了，高度就應(yīng)該在2，6到2.9，接近5米這么高。

出土的漢代酒尊，直徑與高的比例，接近黃金分割，地動儀的外形尺寸因此可以確定。圓底直壁，正好提供了懸掛物擺動的空間，史料記載和科學(xué)原理相符!

還需要考慮蟾蜍的位置問題。

李先登：原來布展的時(shí)候，這八個(gè)蟾蜍的位置，沒有很嚴(yán)格的科學(xué)的規(guī)定，場地大的時(shí)候，我們可以把它稍微往外點(diǎn)；場地小的時(shí)候，沒有辦法。

2003年，我們和馮銳先生等一起去了洛陽漢代靈臺遺址，就是當(dāng)時(shí)的天文臺，張衡具體放地動儀的遺址。我們?nèi)サ綄?shí)地做了考察。

馮銳：當(dāng)時(shí)靈臺相當(dāng)于現(xiàn)在的科學(xué)院，42個(gè)人，都是科學(xué)家。有觀星的，有做歷法的，都在那兒。

李先登：我們到那兒考察，張衡這個(gè)地動儀，當(dāng)時(shí)只能放在臺上最大的一間，在臺體的第二層，西側(cè)靠北的屋子里?，F(xiàn)在還可以看到，地上墁了兩層質(zhì)量很好的方磚，能夠承受地動儀巨大的重量。別的屋子小，根本就不行，也沒有鋪這方磚。

洛陽靈臺，是張衡擔(dān)任太史令時(shí)工作的地方，地動儀就是在這里測出了遠(yuǎn)在幾百公里之外的隴西地震。根據(jù)計(jì)算，如果蟾蜍散放四周，實(shí)際圓徑達(dá)到3.75米，超出了考古證明曾經(jīng)擺放地動儀房間的2.2米的范圍，不可能擺下。而據(jù)范曄在《后漢書》中的記載，也無法確定蟾蜍究竟是依托尊體，還是散放四周(圖3)。

馮銳：在歷史學(xué)家，考古學(xué)家?guī)椭?，又發(fā)現(xiàn)了新的史料。記載張衡地動儀的，不光是《后漢書》了。范曄是公元445年寫的，比他更早的有《后漢記》，還有《續(xù)漢書》，司馬彪寫的。

尋找蟾蜍的位置，竟意外發(fā)現(xiàn)了更多的史料記載，對比這些比范曄早約150年的記載，問題豁然開朗。范曄的“下有蟾蜍張口承之”一句，在西晉司馬彪的《續(xù)漢書》中是兩句：“下有蟾蜍承之”和“蟾蜍張口受丸”。這樣很明確地表達(dá)出：蟾蜍既是尊體的器足，又能張口受丸。

根據(jù)新發(fā)現(xiàn)的史料，地動儀的外形基本可以確定下來。最艱難的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隨即開始。地動儀要工作，科學(xué)參數(shù)必不可少。如果說外形，還有文字描述，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的科學(xué)數(shù)據(jù)，又該到哪里去尋找呢?“尋找”地動儀參數(shù)

馮銳：科學(xué)復(fù)原的一個(gè)要害是什么呢?是必須定量。我們必須從史料當(dāng)中去讀出定量的信息來。如果都柱懸掛，這樣的高度，它的周期是多少呢?應(yīng)該是在1.4秒到2.7秒之間。我們再看地震波，隴西發(fā)生地震到了洛陽臺，這個(gè)波動的周期，是在1秒到10秒這個(gè)范圍里頭。好，說明這個(gè)儀器它的固有周期跟地震波是吻合的。

科學(xué)復(fù)原地動儀，必須以地動儀測出的隴西地震為標(biāo)準(zhǔn)，推算出設(shè)計(jì)儀器需要的定量參數(shù)。以往地動儀復(fù)原的最大困難，是考古學(xué)者不了解地震儀器參數(shù)，地震學(xué)者不熟悉史料記載。這一次，馮銳必須站在兩個(gè)學(xué)科的交叉點(diǎn)，一點(diǎn)點(diǎn)打通古文記載和科學(xué)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)。

馮銳：史料說，“地動搖尊”。好，那顯然觀察到、看到它搖晃了啊，如果它沒搖晃，你怎么寫“地動搖尊”呢?

主持人：那么大的東西它要動起來?

馮銳：要動起來，起碼得有2到4毫米，你才能看得見。好，這個(gè)地面的運(yùn)動幅度我大體知道了吧?

主持人：那房子不塌呀?

馮銳：不會的。因?yàn)樗芷诤艿?，低周期，房子并不會倒，而且人可能清宮沒有感覺，地震波就是這個(gè)樣子。

參數(shù)還不夠，“果地震隴西”，它記錄了隴西地震，這是一個(gè)非常重要的實(shí)證材料。必須把震中位置，大體的位置要搞清楚。

“后數(shù)日驛至”，數(shù)日，過了幾天，騎馬的來了，這還沒準(zhǔn)確。數(shù)日是幾天啊?三五天的時(shí)間，“驛至”，驛馬的速度多少?“日行三百”。除了打仗以外，皇帝的詔書也得“日行三百”，等于一百五十公里。大體距離就是六百公里。這個(gè)距離呢，恰恰就是天水附近。

在這段隴西地震的記載中，地震學(xué)家推算出了復(fù)原地動儀所必須的定量參數(shù)。然而有了這些定量數(shù)據(jù)，才只是從理論上證明張衡地動儀有可能被科學(xué)復(fù)原。真正的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，難題很快出現(xiàn)：

地動儀最重要的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是都柱。史書記載，都柱感受到地震波，發(fā)生共振，引發(fā)地震方向的龍頭吐丸，其余七個(gè)龍頭并不動?？墒沁h(yuǎn)隔幾百公里，人都沒有感覺的微弱地震波，它是怎樣感受到的?在東漢那個(gè)時(shí)代，又是如何做到這樣穩(wěn)定而準(zhǔn)確地觸發(fā)呢?

施關(guān)發(fā)機(jī)

馮銳：剛開始我們就認(rèn)為，簡單地掛起來，撞就可以了。但是做試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這是不行的。地震波這個(gè)量非常小，晃動的動量非常小，讓它推動是不可能的，做不了的。

這樣重新讀古書。讀著，讀著，慢慢發(fā)現(xiàn)，這里頭的文字還是沒有理解，張衡的思想跟我還有很大的距離。我要理解張先生他的設(shè)計(jì)思想怎么回事。

史料中關(guān)于地動儀如何工作的描述，只有四個(gè)字，“施關(guān)發(fā)機(jī)”。根據(jù)這句話，馮銳在都柱上設(shè)計(jì)了八個(gè)方向的凸起，直接觸發(fā)龍頭吐丸?？墒沁h(yuǎn)隔幾百里傳來的微弱地震波，動量太小，無法讓都柱擺動。就算都柱能動，八個(gè)觸點(diǎn)相隔45度，都柱運(yùn)動的慣性也無法做到“一龍機(jī)發(fā)，七首不動”(圖4)。

“施關(guān)發(fā)機(jī)”不能解決，地動儀動不起來，意味著復(fù)

原失敗。

馮銳：這時(shí)候忽然感到，懷疑一個(gè)問題還沒有理解，“施關(guān)發(fā)機(jī)，機(jī)關(guān)巧制，皆隱在尊中”，史料是這樣寫的。機(jī)關(guān)就是機(jī)關(guān)，機(jī)關(guān)就是結(jié)構(gòu)，原來就這么理解。實(shí)際不是這個(gè)意思。后來我們一分析，“施關(guān)發(fā)機(jī)”，機(jī)、關(guān)，是兩個(gè)東西。然后“機(jī)關(guān)巧制，皆……”，“皆”是復(fù)數(shù)。所以“機(jī)關(guān)巧制”不是一個(gè)東西，是兩個(gè)東西，是復(fù)數(shù)。

主持人：對，“皆”是“都”的意思。

馮銳：“都”要“巧制”。這樣，“關(guān)”就是另外一個(gè)東西。是什么東西?“關(guān)”就是門閂，“關(guān)”這個(gè)小東西它控制門的開和關(guān)。

古人為解決物體運(yùn)動的動量不足，常常采用小的觸發(fā)機(jī)構(gòu)來放大動量，這個(gè)觸發(fā)機(jī)構(gòu)就叫作關(guān)；同時(shí)，從古漢語專家那里，馮銳又得知，關(guān)還有大路交匯處的意思。關(guān)口和門閂，這和地動儀有什么關(guān)系呢?

馮銳：它是一個(gè)非常小的東西，但它控制了兩扇大門的運(yùn)動，它是個(gè)觸發(fā)機(jī)構(gòu)，應(yīng)該是這樣一個(gè)東西。這個(gè)理解對我們非常要緊。這使我們感覺到，張衡在發(fā)明地動儀的時(shí)候，他做了一個(gè)很重要的科學(xué)貢獻(xiàn)，就是他用了觸發(fā)機(jī)構(gòu)。地震波非常弱，它先觸發(fā)一個(gè)小東西，然后再讓它工作。

原來，地動儀能準(zhǔn)確驗(yàn)震的最大秘密就在于這個(gè)靈敏的觸發(fā)機(jī)構(gòu)——關(guān)，它是一個(gè)小的銅球，夾在都柱與下方一個(gè)極小的錐形臺之間。地震方向微弱的地震波傳來，都柱和尊體發(fā)生相對位移，小球便會脫離都柱，滾落滑道，滑道盡頭則是連接龍頭的杠桿結(jié)構(gòu)——機(jī)，小球觸碰到機(jī)，機(jī)發(fā)則龍口吐丸(圖5)。這樣的設(shè)計(jì)思想，精密、科學(xué)，簡單有效，完全可以在東漢那個(gè)時(shí)代實(shí)現(xiàn)。甚至在今天，它依然被我們廣泛應(yīng)用著。

馮銳：這段文字很可能是張衡寫的。它太專業(yè)了，太準(zhǔn)確了。一定是設(shè)計(jì)、干過這個(gè)工作，測量過地震的人，才能這么準(zhǔn)確，這么簡練，這么精辟地寫出來。

主持人：聽說外界還有質(zhì)疑，而質(zhì)疑的關(guān)鍵點(diǎn)就在于史書上說的隴西地震。

馮銳：對，幾乎從清朝開始，就說張衡地動儀反應(yīng)的是公元138年2月28日那次隴西地震。隨著研究工作深入，很多人把史料拿出一看，不對：138年這次地震，在京師洛陽是有感覺的，而且有破壞現(xiàn)象出現(xiàn)。可是史書記載地動儀反應(yīng)隴西地震的時(shí)候，京師人是沒有感覺的。這不就矛盾了嗎?

《后漢書》記載的隴西地震，在京師洛陽，人沒有感覺。而長期以來，大家認(rèn)為張衡地動儀測出的138年隴西地震，在史書記載中卻是京都有感。被張衡地動儀測出的“地不覺動”的隴西地震在哪里呢(圖6)?

馮銳：我們根據(jù)三本史料定的東漢地震：司馬彪的《五行志》、袁宏的《后漢志》、范曄的《后漢書》。通過對比發(fā)現(xiàn)，前兩個(gè)人的著作當(dāng)中，在他們寫張衡地動儀的時(shí)候都沒有講隴西地震。恰恰是范曄在《后漢書》中增加了4次地震，比前兩個(gè)人多4次，其中一次，公元134年12月13日，這次地震以后引起官員的撤職，接著后來張衡走下坡路了。這樣我們發(fā)現(xiàn)，是這次地震。

在張衡那個(gè)年代，地震被認(rèn)為是上天懲戒皇帝用人不當(dāng)。發(fā)生地震后，就會有高官被撤職。在范嘩的《后漢書》中，詳細(xì)記錄了134年地震后，朝廷高官被罷免的事件；這與記載中地動儀測出“地不覺動”的隴西地震時(shí)間最為接近。馮銳由此推斷，134年地震就是那場令地動儀名聲大振的地震。

馮銳：明確是134年的地震，地點(diǎn)天水附近，震中距是600公里，洛陽烈度5到4度，加速度控制在2個(gè)Gal(伽)，位移量控制在4個(gè)毫米，這樣才是地動儀反應(yīng)地震的正確標(biāo)準(zhǔn)，這些必須搞準(zhǔn)確。我們再用這樣的標(biāo)準(zhǔn)量來進(jìn)行地震模擬，用計(jì)算機(jī)控制振動臺，我們拿這個(gè)檢驗(yàn)，完全正確，在地震波的方向吐丸正確(圖7)。

主持人：當(dāng)時(shí)一定很高興。

馮銳：很高興，但是還不夠，還要拿真實(shí)地震驗(yàn)證。我們選了很多，比如唐山的強(qiáng)余震，越南的地震，也讓它動，都能正確反應(yīng)。

還要抗干擾檢驗(yàn)。沒有地震，在實(shí)驗(yàn)室觀察了兩個(gè)月時(shí)間，人走，汽車走，汽油桶跌落，人都感覺很明顯了，兩個(gè)月沒有一次觸發(fā)，那是抗干擾。是地震一定有反應(yīng)，不是地震不動。它要動一定是地震引起的，不是地震不動，這就是驗(yàn)震器，張衡的偉大在這個(gè)地方。

兩年多的復(fù)原過程，仿佛是馮銳和張衡相隔1800年時(shí)光的對話，從懸垂擺原理的確認(rèn)，到最后驗(yàn)震實(shí)驗(yàn)的成功，馮銳向世人證明了這個(gè)世界上最早的驗(yàn)震器絕非神話，它真實(shí)地存在過，工作過(圖8)。

可是這樣精密、科學(xué)的儀器，為什么、會像流星一樣，只留下了短暫的光輝后便悄無聲息了?

閃爍的星光

馮銳：132年發(fā)明地動儀，133年京師發(fā)生地震，這次應(yīng)該是有感的。地震以后引起高官撤職，三公九卿中的兩公，司徒、司馬，龐參、王龔被撤職，地震以后馬上撤職，因地震撤職。地震以后皇上把張衡提升，不要當(dāng)太史令了，當(dāng)侍中，當(dāng)我的參謀。官很高了，年俸從600石提高到2000石，工資也提高了。134年又發(fā)生隴西地震，皇帝就直接問張衡，你說誰是壞蛋，應(yīng)該把他撤職，上天給我警示，說我用人不當(dāng)，誰是壞蛋我要把他撤職。群臣怒目而視，都盯著張衡。撤誰呢?張衡只好不吭聲。接著眾宦官“恐終其為患”，張衡遲早是禍害，“共讒之”，整個(gè)朝廷都罵張衡。張衡很被動了，又有人被撤職以后，張衡馬上上書：我當(dāng)不了侍中了，我還回去寫歷史吧。到136年被趕出京城，到河間，同時(shí)把因?yàn)榈卣鸪仿毜凝媴⒑屯觚徆購?fù)原職。

公元134年的隴西地震，是張衡生平的輝煌頂峰，也是他悲劇的開始。當(dāng)自然現(xiàn)象和政治斗爭結(jié)合在一起，就算是天才的張衡也無法解釋，頻頻發(fā)生地震究竟是誰的錯(cuò)。根據(jù)現(xiàn)有史料，公元132年，地動儀問世，在133年和134年成功測震之后，便退出了歷史舞臺，沒有人希望看到地動儀再測出地震，這個(gè)科學(xué)儀器已經(jīng)成為那個(gè)時(shí)代的不祥之物。公元139年，張衡郁郁而終，地動儀也毀于戰(zhàn)火之中。

主持人：可惜張衡地動儀這套東西沒有流傳下來，沒有惠及子孫。

李先登：但《后漢書·張衡傳》等記載了地動儀的基本原理，這個(gè)原理毫不夸大地說是我們近現(xiàn)代地震儀器的鼻祖，后人在張衡思想，和他的地動儀的影響啟發(fā)之下，才研究出近現(xiàn)代的記錄地震的儀器。

馮銳：張衡地動儀狹義的作用是此較短暫的，在發(fā)明后起到作用，輝煌確實(shí)有限，以后失傳了。但是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和繼承，不是完全靠實(shí)體，而是靠理論、靠觀點(diǎn)、靠實(shí)踐。地震學(xué)鼻祖米爾恩看了《后漢書》，給他極大的啟發(fā)。他講，全世界第一個(gè)有記載的儀器是中國人張衡發(fā)明的。他和艾維設(shè)計(jì)了全世界第一臺地震儀，一個(gè)大架子，和張衡地動儀思路，科學(xué)結(jié)構(gòu)是完全一樣的，都是懸掛起來，它用下面的沙子記錄(圖9)。他為現(xiàn)代地震學(xué)奠基。而在科學(xué)起步階段，他受到張衡地動儀的思想啟迪。

毫不夸張地說，張衡地動儀正是現(xiàn)代地震學(xué)得以發(fā)展的基礎(chǔ)。重新復(fù)原地動儀，不僅回答了國內(nèi)外的質(zhì)疑，也重現(xiàn)連接起這些失落的環(huán)節(jié)，讓張衡和他的地動儀獲得新的生命(圖10)。

李先登：我們館的王振鐸老先生，他當(dāng)年復(fù)原這個(gè)，對于宣傳咱們中國古代科技成就，有積極的貢獻(xiàn)。歷史發(fā)展、學(xué)術(shù)進(jìn)步，50年以后，我們根據(jù)新的研究、新的資料，對這個(gè)問題有了新的認(rèn)識，提出新的復(fù)原方法。再過五十年，也許后人又會根據(jù)他們的研究成果，根據(jù)他們的資料積累，又會進(jìn)行更新的復(fù)原，這樣我們一步一步更接近漢代張衡地動儀的歷史實(shí)際，這是學(xué)術(shù)發(fā)展的一個(gè)必然過程。

1800年前，龍珠的鏗然之聲，被湮滅在一場政治斗爭中；

目前，重新復(fù)原的地動儀正在進(jìn)行外部造型的藝術(shù)處理。