【转载】张衡地动仪的复原之路

张衡“地动仪”灵验

1

汉，永和三年，二月初三。

这一天，都城洛阳的那台奇怪的机器，忽然发出了一声“叮”的声响。

那是那台机器上朝着西北方向的那条龙，忽然吐下了含在口里的钢珠，恰巧落在下面张口等着的铜蟾蜍嘴里。

张衡走上前去，拿起了钢珠，望向西北方，皱起了眉头。

“有地震了。”他说。

周围的人面面相觑，有人甚至嗤笑了一声。

没有人有任何震动感觉。

三天后，陇西的信使快马加鞭赶到洛阳报告：陇西地震，二郡崩塌！

京城上下，无不震动。人们奔走相告：

“张衡大人的那台地动仪，神了！”

2

这段故事，是对《后汉书·张衡传》中一段记录的扩写。

原文只有35个字，摘录如下：

“尝一龙机发而地不觉动，京师学者咸怪其无征，后数日驿至，果地震陇西，于是皆服其妙。”

提起“地动仪”这三个字，对于中国人而言，实在是太熟悉的一个名词。

长期以来，这个地动仪的形象，出现在我们的历史教科书里，电视里，邮票上，博物馆里，大家都已经耳熟能详。而对于这台仪器的意义，大家也都已经烂熟于胸：

公元132年，东汉的张衡发明了地动仪，这是人类历史上第一台能测量感知地震的仪器，比欧洲早了1700多年，是中华民族古代科技文明的结晶。

但是——

至少我们所熟悉的那台地动仪，是假的。

3

我们从小看到大的那个地动仪，是根据《后汉书》的那段记载复制的。复制的人，叫王振铎。

1934年，在燕京大学读历史专业研究生的王振铎，在认真研究了《后汉书》的相关记载之后，诞生了想复制“地动仪”的念头——在公元200年前后，张衡的那台地动仪就消失了（据信是毁于战火）。

两年之后，王振铎按照书中所说“形似酒樽”的记载，设计了“地动仪”的外形，但对于内部结构，王振铎却犯了难。因为，整个《后汉书》对于“地动仪”的记载，一共只有196个字：

“以精铜铸成，员径八尺，合盖隆起，形似酒尊，饰以篆文山龟鸟兽之形。中有都柱，傍行八道，施关发机。外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蜍，张口承之。其牙机巧制，皆隐在尊中，覆盖周密无际。如有地动，尊则振龙，机发吐丸，而蟾蜍衔之。振声激扬，伺者因此觉知。虽一龙发机，而七首不动，寻其方面，乃知震之所在。”

究竟是什么原理，让地动仪能感知地震，而且还能辨明方位，从龙嘴里吐出铜珠？

王振铎选择遵从英国地震学家米尔恩1883年《地震和地球的其他运动》一书中阐述的“悬垂摆”的结构原理：从地动仪的上部垂下来一根摆，用以并判明地震方向，并控制相应机关。

1949年，新中国成立，王振铎担任了文化部文物局博物馆处处长。在那个百废待兴的年代，为了树立弘扬中国古代灿烂文化，国家要求博物馆复原一批代表古代文明的器物，作为陈列和宣传之用。

王振铎自然而然想到了复原“地动仪”。

1951年，王振铎放弃了自己1936年想遵从的“悬垂摆”原理，而是用倒立的直杆原理，复制出了1:10比例的“张衡地动仪”模型。

1952年4月，《人民画报》对这尊模型的复原进行了报道。中央人民政府文化部社会文化事业管理局的王天木，以《伟大的祖国古代科学发明地动仪》为题，用了一个整版的篇幅图文并茂地向读者讲解了地动仪的结构和工作原理——请记住，是“直立杆原理”。

王氏“张衡地动仪”内部结构

王振铎复制的这款“张衡地动仪”随即被编写进入全国中小学教科书，但在之后历次的修订中，却略去了《人民画报》王天木的一段话：

“可惜张衡这一重要发明早就失传了，隋朝时科学家临孝恭尚写有一部《地震铜仪经》，也未能传流下来。……这里介绍的这个模型，是我们在1951年设计完成，主要是根据《后汉书·张衡传》的记载，及考古材料而复制的。”

于是，一代代的教师和学生（包括那时候的我）都认为，课本上的图片，就是张衡当年造的地动仪。

4

这个1951年复制版本的“张衡地动仪”，很快就轰动了世界。

在联合国世界知识产权组织总部，“张衡地动仪”被安排展览，和它并排展出的，是美国宇航员从月球带回的岩石。

1972年美国总统尼克松参观历史博物馆，专门参观张衡地动仪

在中国地方性的博物馆里，“1951年版张衡地动仪”也被当作文物来仿制和收藏——不仅进入了教材，就连中国地震局也用这部复原模型做了几十年标志，直到近年才取下。

最关键的是，大家一直认为，王振铎的这个“张衡地动仪”版本是不可改动的，甚至更多的人以为，张衡的地动仪，就是按照这个原理铸造的。

来自世界各地的质疑声开始响起。

事实上，从1960年代起，王振铎这个版本的“张衡地动仪”，就开始不断遭受到地震学界的质疑。从1969年开始，日、美、荷、奥等国地震学界发表了一系列的措辞严厉的论文：

1972年，日本学者关野雄用计算否定了“直立杆原理”。1983年，荷兰的斯莱斯维克、美国人赛维也提出王氏模型不能成立，并从根本上否定了直立杆原理。

1984年，美国地震学家博尔特院士更是不客气地指出：“中国目前最流行的地动仪模型工作原理模糊，模型简陋粗糙，机械磨擦大大降低了灵敏度，对地震的反应低于居民的敏感，其作用应予以质疑，而且利用铜丸的掉落方向来确定震中也是不确定的”。

提出质疑的，还不止外国人。

1976年，作为王振铎的老朋友，中国地震学的奠基人傅承义院士当面向他指出了1951年版本地动仪的原理性错误，并说了一句让人挺尴尬的话：

“房梁下吊块肉都比你那个模型强！”

傅承义

但这种当面批评，还不是最尴尬的。1988年，地动仪在日本奈良展出，中方的解说员无法证明这个仪器的灵敏性，只能手持木棍——木棍捅一下，龙口中的铜丸才会掉到下面蟾蜍的口中。

对地动仪的怀疑开始蔓延开来，甚至扩散到了对张衡，甚至对中国古代科技的怀疑。奥地利学者雷立柏在他写的《张衡，科学与宗教》一书中写到：

“对张衡地动仪的迷恋正是华夏科学停滞特点的典型表现”。

老祖宗留下的这个“地动仪”，真的是个没用的东西？

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“张衡地动仪”的证明之路，再一次启程。

在这个过程中，一个叫冯锐的人，成为了一个领军人物。

1966年，邢台发生地震，冯锐是中国科技大学的二年级研究生。他们这批学生在第一时间赶到灾区，帮助抗震救灾并印发各种宣传震时逃生的小传单。传单其中一条，是建议老百姓在房间里倒立一个酒瓶子，如果瓶子倒了，就是地震来了，马上出逃。

然后时间就到了2002年。那一天，《防灾博览》杂志的编辑武玉霞（中国地震局的高级工程师）找到了冯锐，问他为什么在一篇地震科普文章中写“地震没地震，抬头看吊灯”，而他早年散发的传单却是教人们倒立酒瓶子？

当时的冯锐，已经是中国科学院的教授，但他被这个问题给问住了。

武玉霞之所以问冯锐，还有一个更深层原因——冯锐在文章中写到，张衡的地动仪是世界上最早的验震器。

而酒瓶子和吊灯，恰恰指向了这个问题的根本所在：按照王振铎仿制的版本，张衡地动仪的原理是“直立杆原理”，就是酒瓶子原理，而吊灯的原理，却是“悬垂摆原理”。

倒立酒瓶子，也就是“倒立杆原理”有两大弊端：一，外界一有震动，哪怕不是地震，也会倒；二，就算倒下，也无法知道地震的方位。

这恰恰和《后汉书》中记录张衡地动仪的描写是完全相悖的。

难道是张衡的地动仪确实错了？

冯锐回忆当时自己的感受：

“我作为一个地震学家，那么一直引以为自豪的，是我们张衡是地震仪器的鼻祖，那我觉得是很大的精神上的压力的。这个起码我从感情上是很难接受的。”

冯锐的感情，其实代表了很多中国人的感情。这也是一代又一代的教科书，始终没有修改的原因。

冯锐在王氏“张衡地动仪”前。

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那么作为一个地震学家，难受一下，就过去了？

冯锐选择了重新探索“张衡地动仪”的奥秘。

首先，冯锐根据王振铎的论文来推算当年陇西地震的烈度。推算下来，能够触发在京师洛阳的倒立棍倾倒，地震最低烈度应为5度。但如果是这样的烈度，洛阳肯定地面晃动，人畜惊逃。显然这样的结果大大违反了后汉书中记录的“一龙激发，而地不觉动”。

而要达到人没反应而“地动仪”有感应，按照王振铎的设计，那根核心部件“倒立棍”，也就是《后汉书》里记录的“都柱”，要高达2米，但直径只能是1.5毫米。

根本就不可能站得起来。

那么就只能证明一点：王振铎设计的地动仪的核心部件——“都柱”不合理。

这一点给了冯锐非常大的启发。冯锐突然意识到，外界所有对张衡地动仪的质疑，并不是张衡的那台机器错了，而是王振铎的设计错了。

1953年中国发行的“张衡地动仪”邮票

随后，冯锐又看了不少史书，发现那个时候对地震的记载，经常用一个“摇”字，包括皇帝诏书上也写“地摇京师”，说明人们已经注意到了，地面是摇晃的。那么，地动仪的原理，是否并不是利用“酒瓶子倒下”的原理，而是“悬挂的吊灯晃动”原理？而后者就是现代地震学之父，英国人米尔恩创立的“悬垂摆理论”。

但问题又来了：米尔恩创立的理论，距今也就100多年，张衡在1800多年前就想到了？

从想到这个念头开始，作为自然科学家的冯锐，就一头扎进了完全陌生的考古学领域中，开始查证汉代的物质基础——张衡会不会在那个时代，产生“摇”的灵感？

在大量出图的汉代石刻和文物中，冯锐发现，当时已有大量悬挂物存在，而“地摇京师”时，这些悬挂物肯定都在摇。冯锐认为，那个时代的张衡也许还不能准确描述地震波的性质和惯性原理，因此在后汉书中，也就没有详细描述“都柱”的运动方式。但古人却巧妙的用“樽则振，龙机发”这六个字，把地动仪机械联动的先后顺序写的清清楚楚。

最终，他得出的结论是：张衡当时认识到“悬垂摆”的理论，是有物质基础的，受启发是可能的。

但这依旧只是一个推测，就算理解了“悬垂摆”，1800年前的张衡，做得出“地动仪”吗？或者说，你能按照1800年前的水平和原理，复制得出一个吗？

2003年，缺少科研经费的冯锐无奈停住了前进的脚步，他在当时的论文里写到：

“我们现在还没有能力对张衡地动仪的悬垂摆的原理的施关发机，牙机巧制，做出更具体的复原，那么就像在我们赞美断臂的维纳斯雕像一样，宁可去欣赏它的超越时代的缺憾美，而把这个古典文化这个无穷魅力留给后代。我们不要给他加胳膊了。”

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但对真相的探索，永远是吸引人的，缺少的只是机会。

一年之后，冯锐的机会来了——河南省博物馆发来了邀请。

1998年，河南博物院新馆在建设过程中，汉代展厅希望能展示张衡的地动仪，于是请来苏州天文仪器研究所，按王振铎的模型重新复制了一个木制模型。

博物馆提出个合情合理的要求：“能否让地动仪动起来？”

得到的回答是：“不可能。即使是中国历史博物馆里陈列的那台也不能检测地震。”

对方提出，可以在模型下面人为地安上一个装置，让“地动仪”动起来。这让当时担任陈列部主任的田凯（如今已是院长）心里感到不是滋味：“我们展出的是科学仪器不是玩具，这样做是对观众的欺骗。”

这个情结，一直在田凯心中存留了6年。2004年，田凯通过各种媒体表达了自己愿望：谁能真正的复原“地动仪”？经人牵线，田凯找到了冯锐。

2004年8月，河南博物院与中国地震台网中心签订了合作协议，组成了课题小组，共同复原“张衡地动仪”。经费全由河南博物馆承担，国家地震局全力支持。

河南省博物馆

冯锐的团队，力量一下子增强了。

冯锐团队在此之后的研究和努力，限于篇幅和观赏性（全部写出来的话，未免也太枯燥了，我自己也没完全搞懂），只罗列下面几条：

首先，文史专家加入了冯锐的团队。在此之前，记载张衡地动仪的只有《后汉书》一家，所谓“孤证不立”，可信度确实存疑。但专家们找到了《续汉书》、《后汉纪》等七部典籍中，均有对张衡地动仪的记载，196字扩展为238字。

（正是《续汉书》中对张衡地动仪的描述，让冯锐确信，下面的“蟾蜍”其实是和本尊连为一体的）

其次，他了解到，地震仪的发明人，英国地震学权威米尔恩是第一个将《后汉书·张衡传》翻译成英文的人，曾大量实验“悬垂摆”以验证张衡地动仪，并且公开宣称：“人类历史上第一个地震仪是中国的张衡发明的”。这让冯锐感到备受鼓舞：张衡的地动仪，肯定启发过米尔恩。

第三，在自己的研究和文史专家的帮助下，冯锐了解到了《后汉书》记载文字中的“方面”其实并不是大家理解的“方位”，而搞懂了这一点，恰恰映证了地动仪的科学性。

第四，考古领域让冯锐亲临当年汉代放置地动仪的灵台密室，让他对灵台的土质有了直观考察，再一次映证了当年张衡是利用灵台相对疏松的土质，达到放大地震信号的目的。

第五，有关方面调来了陇西历次的地震波形图，让冯锐一一用数据对应。

总而言之，在各方面的全力配合下，“张衡地动仪”的神秘面纱，在冯锐眼前慢慢褪下。

冯锐版“张衡地动仪”内部构造

2005年3月，冯锐的课题组拿着复制出来的地动仪，开始接受全面的检测。

经过连续7天168小时的强干扰实验，新复制的地动仪，数据准确，且没有一次误触发。

这个模型，终于得到了考古界和科技界的一致认可。

8

2009年9月20日，中国科技馆新馆开幕，新的地动仪模型亮相与观众见面。

这是一个真正可以“动”的地动仪。观众可以亲自动手按下按钮，观察在不同波型下地动仪的不同反应——只有横波到来它才吐丸，其他来自纵波的震动，都无法使地动仪有任何反应。这就排除了其它的干扰，如很重的关门、汽车过境的震动、巨大的炮声等。

美籍华裔理论物理学家、国际华人物理学会会长杨炳麟，在听了冯锐在中科院理论物理所做的报告会后，认为张衡应该是最早利用惯性原理的验震的人。

这还没有结束。

2010年1月24日，冯锐接到教育部长袁贵仁的电话。袁贵仁在仔细阅读冯锐修改教科书的建议和相关资料后，原则同意修改“张衡地动仪”这一章节。

2010年秋季教改出台以后，按照教学大纲，“张衡地动仪”已不再是历史课本中的内容，人教版历史课本中已拿掉了这一知识环节。而作为对这一错误的补救措施，人教社今后会将新版地动仪的知识加到教师用书中。

在上海九年制义务教育课本《中国历史·七年级第一学期》第66页第11课《科学技术的发展》中写有：“秦汉、魏晋南北朝时期在科学技术领域还取得了许多成就。如张衡发明了世界上最早的测定地震方位的地动仪，刚开始启用，就预测了700里以外地区的地震。”图片上清晰标明“地动仪模型”这几个字。

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