有關(guān)張衡地動儀，你為什么覺得被教科書騙了？（張衡地動儀去哪了）

來源：科普中央廚房 | 北京科技報(bào)

文/記者 劉辛味 圖文編輯/陳永杰

采訪專家：

新媒體編輯/呂冰心

馮銳（中國地震臺網(wǎng)中心研究員，《地動儀科學(xué)復(fù)原》課題組組長）

中學(xué)課本里的張衡地動儀一直伴隨著各種爭議，為什么人們會混淆考古發(fā)現(xiàn)與復(fù)原模型？是根據(jù)什么原理復(fù)原的？地動儀能不能預(yù)測地震？

日前，一則關(guān)于“張衡地動儀從教材中刪除”的新聞曾引發(fā)熱議。其實(shí)除了張衡地動儀，很多中國古代科技成就都入選了中學(xué)課本，有一些也產(chǎn)生過爭議。張衡地動儀的復(fù)制品為何不能預(yù)測地震？指南針的始祖“司南”到底能不能指南？蔡倫是造紙術(shù)的發(fā)明人還是改進(jìn)者？讓我們一起來考證一下。（更多精彩內(nèi)容請看“中學(xué)課本里的中國古代科技”專題）

畫家繪制的張衡制作地動儀的想象圖（供圖 馮銳）

在歷史上，漢朝的張衡曾經(jīng)發(fā)明了一個名為地動儀的裝置，這在史書上有明確記載，不過因?yàn)闅v史的原因，今天我們看不到地動儀的的實(shí)物，后經(jīng)過相關(guān)專家努力，張衡地動儀復(fù)制品終于出現(xiàn)。

但圍繞張衡地動儀的爭議一直不斷。張衡地動儀復(fù)制品為何不能預(yù)測地震？史書記載的有關(guān)地動儀預(yù)測的隴西地震是否存在？

張衡地動儀蜚聲中外也爭議不斷

最早關(guān)注到地動儀的不是中國人。1875年日本學(xué)者服部一三（I。 Hattori）首次嘗試了復(fù)原張衡的地動儀。同年，英國礦物學(xué)家米爾恩（John Milne）受邀前往日本任教，在到達(dá)日本前途經(jīng)中國多個城市，了解了中國文化，也知道了日本學(xué)者的地動儀復(fù)原。后來米爾恩從地質(zhì)礦物研究轉(zhuǎn)向了地震研究，并嘗試復(fù)原張衡地動儀。

米爾恩指出張衡地動儀是一種驗(yàn)震器（Seismoscope），是指只對地震有反應(yīng)的儀器，而非對一般振動都有反應(yīng)的報(bào)警器。這讓地動儀有了非凡的意義。1883年，他出版了世界首部地震學(xué)專著，把中國史書中關(guān)于地動儀的內(nèi)容翻譯成了英文，并介紹了他自己的模型，產(chǎn)生了很大影響。

張衡（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

1889年，一位德國天文學(xué)家在做天文觀測時，偶然監(jiān)測到了日本熊本發(fā)生的地震。這次發(fā)現(xiàn)不僅證實(shí)了地震波的存在，而且是首次在遠(yuǎn)距離記錄了地震的數(shù)據(jù)。他用的工具本來是測量重力變化的水平擺傾斜儀，米爾恩之后對這種儀器進(jìn)行了改造——世界上第一臺現(xiàn)代地震儀誕生了。后來現(xiàn)代地震學(xué)逐步發(fā)展起來，米爾恩更是被譽(yù)為現(xiàn)代地震學(xué)的奠基人。

米爾恩和英國科技史專家李約瑟對地動儀的推崇，讓人們知道了原來中國早在1700多年就已經(jīng)記錄了遠(yuǎn)處的地震，肯定了地動儀的存在。史書記載公元132年是張衡完成建造地動儀的時間，132年也被公認(rèn)為人類首臺地震儀器誕生的年份。

影響中國幾代人，在教科書中的地動儀模型是我國科技家、文物學(xué)復(fù)原專家王振鐸1951年在前人研究的基礎(chǔ)上復(fù)原的。復(fù)原目的也有為了配合宣傳中國古代文化和博物館陳列的需要，最終復(fù)原出的模型影響力前所未有。在很長時間以來都是我國古代科技成就的標(biāo)志之一。

但是，從實(shí)際應(yīng)用到科學(xué)原理上，此復(fù)原模型在學(xué)界一直有爭議。尤其是功能上不能驗(yàn)震，成了很多人否定地動儀復(fù)原模型的主要原因。另外，由于舊版的教科書中沒有說明這是復(fù)原模型，讓很多人誤認(rèn)為是考古發(fā)現(xiàn)。實(shí)際上，地動儀早已失傳。教學(xué)與宣傳的不足甚至讓人誤認(rèn)為地動儀能夠“預(yù)測地震”，了解實(shí)際情況后讓人大呼“被教科書騙了幾十年”。

對于地動儀的復(fù)原研究從未停止。到2000年為止，國內(nèi)外一共出現(xiàn)了13種張衡地動儀復(fù)原模型，遺憾的是都不能檢驗(yàn)地震。這一問題讓地動儀的復(fù)原上升到了國家層面，“地動儀是中國古代科技的典范，把它工作原理直觀展演出來”。

2003年，來自國內(nèi)9個權(quán)威機(jī)構(gòu)，包括歷史、考古、地震、機(jī)械、美術(shù)學(xué)等35位專家組成團(tuán)隊(duì)合作開始進(jìn)行《地動儀科學(xué)復(fù)原》課題研究。

2008年，他們制成復(fù)原模型通過了國家驗(yàn)收。目前沒有記錄新模型在真實(shí)地震情況下起到了作用，但至少在實(shí)驗(yàn)室里，它經(jīng)受住了專業(yè)地震實(shí)驗(yàn)（包括模擬現(xiàn)實(shí)地震）的檢驗(yàn)。

文獻(xiàn)中的地動儀是否真的存在？

很長時間以來，學(xué)者復(fù)原地動儀只能參考范曄《后漢書?張衡傳》中的196個字。這讓很多人質(zhì)疑地動儀的真實(shí)性。其實(shí)，學(xué)界本身就有“孤證不立”的約定俗成。《地動儀科學(xué)復(fù)原》課題組組長、中國地震臺網(wǎng)中心研究員馮銳認(rèn)為，“文字不豐富是歷史研究的普遍特點(diǎn)。稀少不能成為定論的依據(jù)。”

《地動儀科學(xué)復(fù)原》課題組進(jìn)行深入文獻(xiàn)挖掘后，發(fā)現(xiàn)了在東漢末年至范曄成書之前的320余年間，東漢史書共13部，至今有幸留下9部。雖然有的史書不完整，但其中有4部史書《續(xù)漢書》、《后漢紀(jì)》、《后漢書?順帝紀(jì)》和《鼎錄》豐富了地動儀的描述，將文字量擴(kuò)充至254個字。

《續(xù)漢書》、《后漢紀(jì)》、《后漢書?順帝紀(jì)》和《鼎錄》豐富了有關(guān)地動儀的描述（供圖 馮銳）

除了找到新的文獻(xiàn)，他們還發(fā)現(xiàn)了考古旁證。歷史上，張衡曾在洛陽南郊的“靈臺”進(jìn)行觀測，這是中國最早的國家天文臺。早在1975年，中國社會科學(xué)院考古研究所就對這里進(jìn)行過考古挖掘，發(fā)現(xiàn)了放置地動儀的房間。復(fù)原團(tuán)隊(duì)在2003年后對靈臺的地震地質(zhì)條件做了3次現(xiàn)場踏勘，發(fā)現(xiàn)房間地面處理較為特殊，剛剛能容下“圓徑八尺”的地動儀，而且高臺地基對地震波有結(jié)構(gòu)性放大的作用，對測震有利。

早期爭議的另一個焦點(diǎn)在于“隴西地震”是否存在。《后漢書》中提到在京師（洛陽）的人并無反應(yīng)，后接到了隴西地震的消息，即驗(yàn)證了隴西地震。人們從132年到張衡死去的139年的古書中找到了7次地震記錄。其中只有138年明確指出了“金城-隴西”地震，讓人們認(rèn)為地動儀檢驗(yàn)的就是這次地震。但其他史書記載的地震現(xiàn)象卻與《后漢書》中不符，這些記載均是洛陽地區(qū)反應(yīng)劇烈。

對于這一問題，馮銳團(tuán)隊(duì)擴(kuò)大范圍挖掘史料，結(jié)合歷史背景，古籍地名、張衡生平和詩文，得出了地動儀檢驗(yàn)的是134年的隴西地震。作為專業(yè)的地震學(xué)者，馮銳團(tuán)隊(duì)對地震事件進(jìn)行了嚴(yán)格的“實(shí)證后驗(yàn)”，即根據(jù)地震波動場具有可重復(fù)的特點(diǎn)，在同樣觀測精度的條件下，可以采用其他類似事件進(jìn)行對比。他們對比了清代詳細(xì)記錄的5次隴西地震，震級范圍與烈度衰減在合理區(qū)間——洛陽人無感或剛有感覺。又復(fù)核了現(xiàn)代地震的記錄，從理論上計(jì)算了134年地震數(shù)據(jù)，符合史料敘述。

馮銳復(fù)制的地動儀（供圖 馮銳）

當(dāng)然，現(xiàn)在的技術(shù)還難以還原古代地震。有科技史研究者就認(rèn)為使用清代和現(xiàn)代數(shù)據(jù)不能反映當(dāng)時的狀況。但至少多種證據(jù)表明了地動儀的真實(shí)性。

對于地動儀的失傳，有人認(rèn)為其無效而成為擺設(shè)。馮銳結(jié)合了漢代的社會背景給出了否定解答。他發(fā)現(xiàn)，在地動儀問世后的時代，皇帝遵從的政治思想是“本朝論”，會因地震而罷免高官。這種情況出現(xiàn)了12次之多且均是地動儀發(fā)明之后，張衡本人也受到牽連，被排擠出京，“隨著張衡政治地位的下降，地動儀的失傳是必然的。”

張衡地動儀復(fù)制品為何不能預(yù)測地震？

地動儀是利用慣性檢驗(yàn)地震的裝置，在學(xué)界沒有分歧。但對于復(fù)原地動儀，各方爭議最大的就是對地動儀原理的復(fù)原，也就是為什么地動儀感受到地震后能按方向讓龍嘴中的小球落下。百年的研究工作集中在史料中的8個字，“中有都柱，傍行八道”。馮銳介紹，這里有兩層意思，一是根據(jù)古語“都柱”為大柱子；二是至少有一端具有水平運(yùn)動的自由度。

百余年間，中外學(xué)者提出了幾十種復(fù)原方案，在核心原理上其實(shí)只有對“都柱”解釋后設(shè)計(jì)的四種方案——直立桿、倒立擺、懸垂擺和自由柱。王振鐸模型即采用直立桿，就像一根豎起筆尖朝下的鉛筆，但這種模型會受各種振動影響隨機(jī)倒下而達(dá)不到驗(yàn)震的目的。本來這種設(shè)計(jì)早已被學(xué)界拋棄，近些年又有學(xué)者嘗試“復(fù)活”直立桿，僅作為一種學(xué)術(shù)探討，還未得到完全驗(yàn)證。

張衡地動儀的直立柱模型

倒立擺模型最初由日本人設(shè)計(jì)，是在直立桿的基礎(chǔ)上在下部安裝彈簧，理論上能夠驗(yàn)震，但因?yàn)闈h代工藝水平還達(dá)不到制作彈性鋼鐵的程度，被學(xué)界否定。自由柱則是我國學(xué)者李志超提出，在一個柱下放入多個銅球，因其靈敏度過低也被淘汰。

馮銳復(fù)制地動儀的工作原理（供圖 馮銳）

物理學(xué)上，懸掛物體能更好驗(yàn)證地震波的水平運(yùn)動，由此提出了懸垂擺模型，這也是米爾恩最初提出的方案。如今中國科技館中的地動儀利用的正是馮銳設(shè)計(jì)的懸垂擺模型，將關(guān)鍵落在“檢驗(yàn)地震”上，此模型經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)室多項(xiàng)專業(yè)測試。團(tuán)隊(duì)又經(jīng)過考據(jù)，重新設(shè)計(jì)了更符合古文的外觀，此復(fù)原地動儀成為了“終極版”。盡管這一方案仍受爭議，比如用現(xiàn)代知識復(fù)原古代科技不合理，但自馮銳團(tuán)隊(duì)2012年完成了1：1青銅地動儀原型鑄造后，再沒有大規(guī)模的復(fù)原工作。

“真實(shí)”的地動儀仍是個迷。