韓吉辰

提起地震，人們便會(huì)想起張衡發(fā)明和制作的世界上第一架記錄地震的儀器——“地動(dòng)儀”。然而，自東漢末年以后，就再也沒(méi)有誰(shuí)能知道地動(dòng)儀究竟是什么樣子。而今公眾看到的地動(dòng)儀既非原物又非出土文物，而是后人根據(jù)史料記載所設(shè)計(jì)和制作的模型，最近的一個(gè)復(fù)原模型上個(gè)月在山西“出爐”，這也是國(guó)家“張衡地動(dòng)儀科學(xué)復(fù)原”課題組最新的一次嘗試。人們之所以對(duì)復(fù)原地動(dòng)儀如此感興趣，是因?yàn)樗欢缺蛔u(yù)為現(xiàn)代地震學(xué)的奠基石，但它究竟能不能“工作”又是如何“工作”的，在后人看來(lái)還是一個(gè)謎。

歷史記載中的“地動(dòng)儀”

據(jù)《后漢書·張衡傳》記載，地動(dòng)儀“以精銅鑄成，圓徑八尺”，“形似酒樽”，上有隆起的圓蓋，儀器的外表刻有篆文以及山、龜、鳥、獸等圖形，儀器的內(nèi)部中央有一根銅質(zhì)“都柱”，柱旁有八條通道，稱為“八道”，還有巧妙的機(jī)關(guān)。儀體外部周圍有八條龍，按東、南、西、北、東南、東北、西南、西北八個(gè)方向布列，龍頭和內(nèi)部通道中的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)相連，每個(gè)龍頭嘴里都銜有一個(gè)銅球。對(duì)著龍頭，八個(gè)蟾蜍蹲在地上，個(gè)個(gè)昂頭張嘴，準(zhǔn)備承接銅球。

當(dāng)某個(gè)地方發(fā)生了地震，地震波由震中傳來(lái)時(shí)，樽體隨之運(yùn)動(dòng)，觸動(dòng)機(jī)關(guān)，使發(fā)生地震方向的龍頭張開(kāi)嘴，吐出銅球，“當(dāng)”的一聲，落到銅蟾蜍的嘴里，于是人們就知道了地震發(fā)生的方向。

漢順帝三年十一月壬寅(公元134年12月13日)，地動(dòng)儀的一條龍的機(jī)關(guān)突然發(fā)動(dòng)，吐出了銅球，“當(dāng)”的一聲，掉進(jìn)了下面蟾蜍的嘴里。當(dāng)時(shí)在京城的人們絲毫沒(méi)有感覺(jué)到地震，于是有人責(zé)怪地動(dòng)儀不靈驗(yàn)，甚至說(shuō)張衡有意造謠生事!沒(méi)過(guò)幾天，隴西有人飛馬來(lái)報(bào)，證實(shí)那里前幾天確實(shí)發(fā)生了地震，眾人“于是皆服其妙”，對(duì)張衡的高超技術(shù)表示了信服。你看，隴西距洛陽(yáng)有1000多里呢，地動(dòng)儀標(biāo)示無(wú)誤，說(shuō)明它的測(cè)震靈敏度是比較高的。

據(jù)學(xué)者們考證，張衡在當(dāng)時(shí)利用了力學(xué)上的慣性原理，“都柱”的設(shè)立是關(guān)鍵，能夠感知地震波的到來(lái)，實(shí)際上起到慣性擺的作用。張衡對(duì)地震波的傳播和方向性也有所了解，這些科學(xué)成就是十分了不起的，在歐洲直到1856年，才由意大利人路吉。帕米里制成與此類似的儀器，比起張衡的發(fā)明足足晚了1700多年?？上У氖牵S著漢朝的滅亡，張衡地動(dòng)儀神秘消失，成為中華民族科技發(fā)明的又一個(gè)千古之謎。

復(fù)原“地動(dòng)儀”的關(guān)鍵

有關(guān)張衡“地動(dòng)儀”，在史書中留下過(guò)記載。見(jiàn)于《后漢書》的一段記載只有196字，其中描述地動(dòng)儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)容更只有“中有都柱，傍行八道，施關(guān)發(fā)機(jī)”這12個(gè)意義隱晦、眾說(shuō)紛紜的字。以后，北齊的信都芳和隋朝的臨孝恭也都制造過(guò)地動(dòng)儀，還留下了相關(guān)著作，可惜他們的著作也都亡佚了。顯然，僅根據(jù)《后漢書》中的簡(jiǎn)單記載，要復(fù)原張衡的地動(dòng)儀十分困難。今天的復(fù)制品，其實(shí)是在史書那些“約束條件”之下所作的新創(chuàng)造。盡管如此，《后漢書》的記載，還是向我們提供了一些珍貴信息。

但是，一些西方學(xué)者卻持完全否定態(tài)度，認(rèn)為張衡地動(dòng)儀不屬于科學(xué)發(fā)明，之所以失傳，是因?yàn)樗鼪](méi)有達(dá)到科學(xué)的要求。為一探究竟，我國(guó)很多科學(xué)家不斷研究，制作出來(lái)地動(dòng)儀復(fù)原模型。

關(guān)于地動(dòng)儀的結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵是對(duì)“都柱”的理解。先后有兩個(gè)版本；一種模型即“都柱”是一個(gè)類似倒置酒瓶狀的直立桿，控制龍口的機(jī)關(guān)在“都柱”周圍，這一種模型最近已被基本否定。另一種模型即“都柱”是懸垂擺，擺下方有一個(gè)小球，球位于“米”字形滑道交匯處(即《后漢書·張衡傳》中所說(shuō)的“關(guān)”)，地震波傳來(lái)時(shí)，“都柱”撥動(dòng)小球，小球擊發(fā)控制龍口的機(jī)關(guān)，使龍口張開(kāi)。這種模型經(jīng)模擬測(cè)試，結(jié)果與歷史記載基本吻合，于是“懸垂擺原理”取代了傳統(tǒng)的“直立桿原理”。這一科研成果得到了來(lái)自中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家博物館、中國(guó)地震局等單位的地震學(xué)和考古學(xué)專家的肯定。

那么，張衡“地動(dòng)儀”為什么可以感覺(jué)到遠(yuǎn)方的地震呢?我們還必須從地震的發(fā)生原因談起。

地震發(fā)生的原因

其實(shí)，地震就是地動(dòng)，是地球表面的振動(dòng)。據(jù)地震科學(xué)家精確測(cè)定；全球每年發(fā)生地震500多萬(wàn)次，不過(guò)，這些地震極大多數(shù)都是極其微小的，只有精密儀器才能夠覺(jué)察。其中強(qiáng)震在20次左右，多在人煙稀少的地區(qū)和海洋地區(qū)，產(chǎn)生地震的時(shí)間并不具有規(guī)律性。

地震一般發(fā)生在地殼之中。地殼并不是“鐵板一塊”的完整一片，它是由一塊一塊“板塊”構(gòu)成，板塊當(dāng)中有的塊大，有的塊小，地殼中大的板塊有六個(gè)，如果一旦受到力的作用，使地殼中的巖層變形、斷裂、錯(cuò)動(dòng)，于是便發(fā)生地震。世界上85％～90％的地震，都屬于構(gòu)造地震，四川5.12“汶川”地震，就是來(lái)自于印度板塊推擠青藏高原的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

引起地殼振動(dòng)的原因很多，有人為的原因，比如核爆炸、開(kāi)炮、機(jī)械振動(dòng)等；也可以是自然界的原因，比如構(gòu)造地震、火山地震等，地震可能與天文因素有關(guān)，主要指太陽(yáng)、月亮對(duì)地球產(chǎn)生的引潮力，它可以引起地球表面流體的潮汐(如海潮、大氣潮等)，其實(shí)這種“引潮力”對(duì)于地殼巖石也有推拉的作用，雖然不能像海水一樣涌來(lái)涌去，但是長(zhǎng)年累月的積累，這種“引潮力”對(duì)于地殼的作用也不可小看。

一次地震的發(fā)生，只有在一定范圍內(nèi)的人們才能感覺(jué)到。地球內(nèi)發(fā)生地震的地方，叫“震源”。震源上方正對(duì)著的地面稱為震中，地震時(shí)，在地球內(nèi)部出現(xiàn)的彈性波叫作地震波。這就像把石子投入水中，水波會(huì)向四周一圈一圈地?cái)U(kuò)散一樣。地震波的能量在“震源”處最大，在傳播過(guò)程中逐漸減弱，傳到一定的距離，就可以弱到人們感覺(jué)不出來(lái)。地震波主要包含縱波(P波)和橫波(S波)，振動(dòng)方向與傳播方向一致的波為縱波(P波)，將引起地面上下顛簸，速度在每秒7千米左右，而這部分縱波攜帶的能量只占地震波全部能量的一小部分。振動(dòng)方向與傳播方向垂直的波為橫波(S波)，能引起地面的水平晃動(dòng)，速度在每秒4千米左右。由于縱波在地球內(nèi)部傳播速度大于橫波，所以地震時(shí)，縱波總是先到達(dá)地表，而橫波總落后一步。這樣，發(fā)生較大的地震時(shí)，一般人們先感到上下顛簸，過(guò)數(shù)秒到十幾秒后才感到有很強(qiáng)的水平晃動(dòng)。

眾說(shuō)不一“地動(dòng)儀”

張衡地動(dòng)儀由于失傳已久，后人只能根據(jù)史料記載進(jìn)行分析，因之看法有所不同。有人認(rèn)為，根據(jù)地震波的傳播機(jī)理，張衡“地動(dòng)儀”是不太可能做到“驗(yàn)之以事，合契若神”的。因?yàn)楦鶕?jù)初波的震動(dòng)方向，是可以知道震源方位。但初波非常微弱，而這部分初波攜帶的能量只占地震波全部能量的一小部分，如果張衡地動(dòng)儀能敏感到對(duì)“第一哨”初波就做出響應(yīng)，那么足以有許多別的和地震無(wú)關(guān)的振動(dòng)對(duì)它產(chǎn)生影響，從而讓人誤把許多不是地震的振動(dòng)也當(dāng)成是地震，但如果要讓張衡地動(dòng)儀保持一定的“遲鈍”性，它又有可能無(wú)法“感覺(jué)”到地震的初波，直到之后的各種波陸續(xù)傳來(lái)時(shí)才被“驚醒”，可是這些遲來(lái)的波的振動(dòng)方向已經(jīng)完全不能代表震源的方向了。

一種觀點(diǎn)認(rèn)為，如果地震稍強(qiáng)一些，當(dāng)?shù)卣鸩▊鱽?lái)，將引起地面上下左右顛簸搖晃，這時(shí)地動(dòng)儀的八個(gè)球會(huì)一同落下。就是說(shuō)，地動(dòng)儀可以感覺(jué)記錄到地震的發(fā)生，但是無(wú)法準(zhǔn)確報(bào)告地震的大小和方位。

還有人認(rèn)為，記錄一次地震必須有三個(gè)要素：發(fā)震時(shí)刻，震中位置和震級(jí)(地震強(qiáng)度)。即使張衡地動(dòng)儀能夠記錄震中的方向。使用幾臺(tái)地動(dòng)儀“聯(lián)網(wǎng)”，也可測(cè)出震中位置。但地動(dòng)儀卻無(wú)法記錄發(fā)震時(shí)刻，更無(wú)法記錄震級(jí)。因此，從現(xiàn)代地震學(xué)的角度來(lái)看，張衡地動(dòng)儀并不能全面記錄地震，不屬于觀測(cè)地震的儀器，稱地動(dòng)儀是“世界上第一臺(tái)地震儀”，是不準(zhǔn)確的。

筆者認(rèn)為，張衡地動(dòng)儀是我國(guó)古代偉大的科技發(fā)明，遠(yuǎn)在1800多年前，張衡的地動(dòng)儀利用當(dāng)時(shí)的物理知識(shí)，對(duì)于地震的發(fā)，生與方位有所掌握，從這一點(diǎn)來(lái)看，意義已經(jīng)足夠大了，這是我們中國(guó)人引以為豪的一項(xiàng)古代科學(xué)成就。我們決不能用我們現(xiàn)代科技強(qiáng)求古人，更不能全盤否定，不承認(rèn)這項(xiàng)偉大發(fā)明。

(文章代碼：1807)

[責(zé)任編輯]龐云