三议候风地动仪

当前由于形势大好，领导关怀，复原张衡地动仪的事又热了。交流讨论使大家的认识都有进步。本文要商榷不同见解。笔者曾在2004年5月的《北京科技报》上经记者陈毅然之笔提出复原古器物三条标准：一、不脱离当时知识和工艺背景；二、性能满足史料记录的水平；三、对史料每个字都有交代。以此标准不难评断各家复原张衡地动仪的工作。经由冯锐的分析（参见冯锐、武玉霞《中国地震》19卷4期，2003年12月），确认笔者十几年前发表的复原设计（参见李志超《候风地动仪新说》，原载《寻根》1994年第1期，以及《天人古义》，河南教育出版社1995年版，大象出版社1998年再版，下面简称“再议”）属于检测地震加速度的类型；而1936年王振铎的悬摆方案（图1）则属于检测地震位移的类型。

地震学专家倾向采用悬摆方案来复原。其理由是：地震波的动态过程决定，只有悬摆可以正确反映震源的方位。远方地震，如从洛阳看的陇西地震，传来的震波分三大阶段：第一波叫“P-波”，是垂直于地面的震动，幅度很小；第二波叫“S-波”，是在水平面内的震动，方向很不确定，大体平均是垂直于来源的方向，幅度最大，持续时间较短而频率较高（约在10赫兹以上）；最后是“R-波”，主要是在水平面内的震动，方向与来源一致，持续时间达10～20秒，频率约1赫兹。只有周期振动的摆，其固有频率接近R-波，能对P-波和S-波不作反应，只与R-波作共振型的响应，从而能在几个周期以内把振幅加大到较大的幅度，能拨动一个铜球滚向摆振的方向，也就是震源的方向。

持此说者强调原文中的“振”字，说那是指周期振动。同时还强调张衡之仪是能反应震源方向的。有了这两条就决定了只有悬摆适合。而且他们还用实例说明：用长电线吊在天花板上的灯，在地震时会摆动，振幅比地动大。

笔者则认为：原文的“振”不必是周期振动，如“振臂一呼”不是频频摇手，“新浴者必振衣”只是抖一抖而已。“振动”一词只在近代力学中定义为周期性往复运动。在地动仪史料里，“震”字恰为突发性短促的非周期动荡，而“振”字则是“启动”“发动”的意思。况且张衡以及史书作者也不可能知道地震有三波，以及方向、振幅和频率等等精细特性。再说，即便是现代人处心积虑设计的悬摆，仍然不能区分正反两个方向，西来的地震波也可能使东边落球。还有，如果悬摆摇晃到可以看得见的程度，那就不能说“地动而人不觉”。自身虽未感觉而看见物件晃动，也不能算是“人不觉”。以那些依据说张衡地动仪的都柱是悬摆，立论站不住脚。从训诂学看，古文没有把悬摆型物件称作“柱”的，更不提还有个形容词“都”。有叫“县”的，如《考工记》：“匠人建国，水地以县，置以县。”《墨经》：“发均县轻而发绝。”

张衡设置八道机关，目的不可能是测定震源方向，只是个“围堵战术”——不知道大地会向哪边动，八面包围，总有一面会发机。从现代科学分析也看不出当时有检测地震方位的可能性。原文只说：“尝一龙发机”，没有说是哪一个机。如果方向符合实际，就是正西，那应该说“西龙”，而非含糊的“一龙”。至于史官们记成“乃知震之所在”、“自此以后乃令史官记地动所从方起”云云，不过是误解而已。所以，要想使张衡地动仪能检测震源方位，是违背当时的知识背景的，既不可能也不合理。原文的“知震之所在”应予否定。张衡的设计思路不会考虑是测加速度还是测位移，他只可能是简单地想要检测微弱的大地震动。那么实际就是振幅最大的S-波使仪器动作了。

王振铎对“外有八龙”诠释之荒谬，已由李志超“再议”之文检讨过。那不但是尚无定论的试验仪器所不允许的蛇足，也妨害顶盖的开合操作。在晋人袁宏《后汉纪》此句为“外有八方兆龙，首衔铜丸”。“兆龙”当是机件专名，即李志超“再议”文中的龙机（图2中有）。汉隶“兆”字形如，恰如龙机之形。此外，袁宏书中值得注意的还有“牙机巧制皆隐在樽中，张讫，覆之以盖。周密无际，若一体焉”。句中“张”字当以《尚书·太甲》“若虞机张”，即“张弓（或弩）待发”之义为解。是必有须张之机。八龙虽曰在“外”，但非在樽外，而只是在都柱的外围。因为那八龙是机件，要“隐在樽中”。

倡议悬摆方案的都回避“圆径八尺”，不作交代。悬摆不需要一个很大的铜樽，有二尺直径足够了，甚或根本不必使用封闭容器，只要置于密室即可。仅从这精铜大樽即可猜测那些“牙机巧制”必须要有一个如大樽样的空间，并以此大樽为其不可分割的组件。大樽的功用首取沉重，可以避免非地震因素的干扰。为此，都柱也要有与此匹配的重量。在李志超的设计中，两件都取约2吨（冯锐文中说的是几十吨，太大）。作为机件，大樽是把大地的震动传给都柱周围八个机牙的主动者。机牙要发动，须受两个大质量物体的组合作用。一个是樽，代表大地；另一个是不与大地紧合的准自由惯性体，即都柱。两者一挤，机牙才发动。此所以都柱重量需与大樽相近。有足够的质量才能充分分享利用地震的几乎是无限大的能量，以使幅度很微小的震动能推得动杠杆放大机构。取轴对称的圆形，且周密无际到“若一体”的程度，都不是随便做成的，有其结构的和力学的理由。那是在一定材料和尺寸限制下的结构力学最坚强的构形。盖子的形状以半球形最合此要求。只有樽体足够硬，不变形，才能从任何方向挤压都柱系统时都最有效而不损失灵敏度。

但是，笔者所已提出的复原设计可以很简单地修改成只检测R-波位移量的装置。那就是在都柱周围加八个弹簧弓（见图2）。或不用加弓，而把八个脚下铜球去掉，换成八条弹性支腿，像章鱼。再把樽沿上的八个关弄松，使之与所要触动的杠杆之间有个小缝隙。缝隙的大小决定灵敏度，很容易调节。这么一改就使都柱变成真正的“倒立摆”，而上述各项结构和运动的力学要求照样有效。

冯锐之文正确地指出：王振铎的立棒不能叫“倒立摆”。倒立摆与悬摆不同，要有弹性构件，因而也能作周期振动。悬摆的周期只决定于摆长，而与质量无关；倒立摆则与质量有关，质量越大周期就越大。可以从跳水运动员在踏板上的上下振动认识倒立摆，只是跳水踏板是横放的，而倒立摆是直立的。由于都柱有约2吨重，要使都柱以约1～2秒的周期振动，弹簧性构件该是很硬的。

尽管可以容易地设计出既符合原文又能定方向的地动仪，笔者还是认为以检测加速度而不管测定方向为更符合历史实际。但是倒立摆方案可以与非摆方案并举，一物两用，为观众演示力学。

在李志超的“再议”文中曾总结候风地动仪的成就：作为自动测量仪器，具备了三大要素——敏感器（检震器）、放大器、显示器，与现代概念一致。加上上述运动和结构的力学处理的高度完美，我们可以说：张衡的科学实验造诣之高，远远超越时代，是非常令人惊讶的！

附录：

《后汉书·张衡传》中关于“候风地动仪”的记载

阳嘉元年，复造候风地动仪，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，旁行八道，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，寻其方向，乃知震之所在。验之以事，合契若神。自书典所记，未之有也。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。自此以后，乃令史官记地动所从方起。