破译张衡密码——（一）错从何来

百科探秘

世界上最早准确检测出地震的科学仪器

千年后成为只能观赏的艺术品

它是史书记载的传说

还是我们没有参透它的奥秘

失传千年的地动仪，隐藏着未解之谜

它是世界上最早准确检测出地震的科学仪器。许多年来，它和它的发明者一直是中国古代科技文明的象征。在1800年前，它就可以成功检测出远隔几百公里，人们根本没有感觉的地震。可是，谁都没有想到，就是我们引以为豪的这个地动仪，却从没有像史书记载的那样，在地震发生时，吐出铜丸，指示方向。它神奇的测震功能，为什么会消失了呢（图1）？

（１）史书记载的神奇仪器，在今天竟然成为只能供人欣赏的展览品

主持人:为大家介绍一下来到演播室的两位嘉宾，中国地震台网中心的冯锐教授；国家历史博物馆的李先登研究员，考古专家。

中国人的骄傲，中国历史上的伟大发明，谁会怀疑它有问题呢？

李先登:1976年唐山大地震，那么强烈，离北京这么近，张衡这个地动仪，居然没有反应。

1976年，河北唐山发生里氏7.8 级地震，距离唐山175公里的北京有强烈震感，很多建筑物出现裂缝，然而放在历史博物馆中的地动仪却没有任何反应。这让当时在历史博物馆工作的李先登疑惑不解，还没等他想明白其中原因，又发生了另一件让人哭笑不得的事

李先登:1988年，中国历史博物馆应邀在日本奈良举办了一个中国古代科学技术展览。开幕式那一天， 1988年4月1日，因为当时我们想不出办法，怎么通过震动，让地动仪龙口把铜丸吐出来，落在蟾蜍的口里。实在没办法，就用一个木杆，去捅这个龙口，让铜丸落下来，掉到蛤蟆的嘴里头。这就成了当时大家调侃的对象（图2）。

（２）1988年在日本展览开幕式时拍摄的照片

主持人:冯先生听到这种质疑是什么时候？

冯锐:我听到这种质疑，差不多在2002年吧。

主持人:以前你也没怀疑过这东西？

冯锐:没有。我也是，我从小就接触这个，就受到了这个教育，所以我也从没怀疑过。而且你看我还是搞地震的。我是纯粹搞地震学的。现在我都60多岁了，都退休了，等老了才发现，这个是不对的，也是很惭愧的事。

关于地动仪的记载，最为人熟知的，就是南北朝时范晔在《后汉书·张衡传》里的描述，地动仪“形似酒尊，中有都柱”，曾经成功验证了一场人没有感觉，而地动仪有反应的陇西地震而声名远扬。不仅如此，现代地震学之父米尔恩，（图3）在他的第一本地震学专著中，肯定了自己的地震仪设计思想是来自中国张衡地动仪的启发。难道这些记录和评价都错了吗（图4）？

（３）现代地震学之父约翰·米尔恩

（４）1894年，近代世界第一台地震仪问世

主持人:在我们很多反映中华古文明的影视作品当中，地动仪和司南、指南车，都是非常重要的一些镜头啊。

冯锐:对，实际上一直混着。很多人把它当作出土文物。就是它，没有别的了。

主持人:我也一直以为它是出土人文物呢。

冯锐:张衡的地动仪，在历史上是测过地震的。它的发明是在公元132年，记录到了公元134年的陇西地震。但是后来，到东汉末年的时候，公元190年，董卓把洛阳烧了，两百里没有人烟，它就失传了。所以现在我们看到的所有的地动仪，都是根据史料记载复原的模型。

张衡地动仪尽管在1800年前已毁于战火，但史料中生动的描述却让后世的人们对它心驰神往。近代地震研究开始以来，许多国家的研究者都曾设计过地动仪的复原模型。但最为人熟知的，就是一个有点像啤酒桶形状的地动仪。1952年它开始进入我们的视野（图5），随即被编入全国中小学教科书。这个我们最熟悉、甚至被误认为当年张衡所做的地动仪究竟来自哪里呢？

（５）在中国广为人知的地动仪形象

李先登:这个复原的汉代张衡地动仪，是历史博物馆的老先生，王振铎先生，1951年复原的。我们过去用的，宣传的，都是这个模型（图6）。

（６）历史博物馆的王振铎先生1951年设计、复原的张衡地动仪

冯锐:因为复原人的不同的理解，不同的设计，它的形状和原理与原物就会有很大的不同。你知道全世界现在有多少吗？全世界一共有13种地动仪，美国有美国的张衡地动仪模型，日本有日本的张衡地动仪模型，英国有英国的张衡地动仪模型，荷兰有荷兰的，中国有中国的。这个模型是王振铎先生1951年设计的。王先生1936年还设计过一个。这两个模型原理、外形全都不一样。所以就是同一个人，在不同时候理解也会不一样。但是它不是一般的工艺品，可以自己设计。它是个仪器，不仅要符合史料，而且还要有一定的功能。

2002年，地震学家冯锐因为地震科普的需要，第一次接触到了地动仪的内部结构，他吃惊地发现，这个大家都引以为豪的地动仪，竟然存在着原理性错误。

主持人:在我小时候的印象当中，说是里面有一个柱子叫都柱，这个都柱感觉到地震波以后，一倒，触动机关，然后龙就吐珠了？

李先登:是这样，中间一个都柱，就是一根杆，有地震波过来的时候一倒，然后龙头就张口了，把衔着的铜丸掉在蟾蜍嘴里。

主持人:这个真的做得到吗？如果咱们不考虑地震，如果我来碰这个都柱的话，这个龙能吐珠吗？

李先登:是的。但是这个柱子，如果有人在它旁边走动，或者有点什么震动，它也会倒，它的问题在这儿。就是说，不是非得有地震波来了它才倒，旁边有一点震动它就倒。

地动仪模型的都柱是一个直立的棍，了解现代地震学知识的人，都知道这种结构根本无法准确区分出地震和其他震动。冯锐无法理解，曾经成功检测出陇西地震的张衡地动仪怎么可能是这样的？

冯锐:地震波不是这种爆炸冲击，是很不一样的。地震波是两个岩石的错动冲传出来的，这种波的特点是，它到了地表以后，上下的颠动非常轻微，甚至你察觉不到。如果是爆炸、人走、房倒，地面是上下颠动的，甚至旁边有个汽车一过，马车一过，大家也可以感到。这是爆炸波，它冲击过来了。

地震是另外一种情况，它是剪切的。所以它这个波动过来以后，水平晃动是主要的。

地震是地壳内部的岩层交错剪切断裂而形成，传到地面的地震波和其他震动波最大的不同，就是地面除了上下颠簸，还有很强烈的水平晃动。地动仪要能检测出地震，必须只对地震波带来的水平晃动产生反应，而不怕地面的上下颠动。但一个直立的细杆，是没有办法做到这一点的，为什么一个错误的地动仪会存在这么久而无人过问呢？

冯锐:其实学术研究上，从1969年开始，学术界就有文章，国内和国外，一篇一篇：反对，否定。一再提出批评，批评得很厉害，但我们不知道。地震学界，自然科学和社会科学脱离。

李先登:我曾在日本待了3个月，很多日本朋友对我提出善意的质疑。我回来以后，把这些情况向王振铎先生做过汇报，王先生也认为应该改进，因为这些问题没有办法解决。

冯锐:这样就发现国际上负面的影响非常强烈。由于大家都误解这个就是张衡地动仪，是出土的东西，可它又不工作，它原理又错了。这个设计原理，地震学家一看，肯定是错的。有些文章就指出，说中国把张衡地动仪奉为国粹，实际上它是不可靠的，是不科学的东西，是他们那个民族希望的，想象的东西。所以张衡地动仪失传了，没有张衡地动仪，对世界科学史没什么影响。

1951年复原模型的错误，让张衡和他的地动仪受到国内外普遍质疑，这种质疑甚至激烈到对中国古代科技思想的整体否定。奥地利学者雷利柏尖锐地提出，张衡地动仪不是一个科学的仪器，中国的张衡和他的地动仪根本没有对地震学的发展起过任何作用。这对从事地震研究40多年的冯锐来说，无论如何也接受不了。但如果是复原模型错了，那么真正的张衡地动仪会是什么样的呢？在各个国家设计的地动仪模型中，一种与直立棍不同的思路引起了冯锐的注意。

冯锐:这个设计师是米尔恩，是地震学鼻祖，他是最早设计的，他推测张衡地动仪，是悬挂的（图7）。他把汉文翻成英文的时候，就把 “中有都柱”，直接翻译成 “中间有一根柱子，这个柱子是悬挂起来的”。

（７）米尔恩设计的张衡地动仪

张衡的伟大在于什么？在他注意了这么一种物体的运动，地震的时候它才动，不是地震它不动。

主持人:什么东西会有这个特性呢？

冯锐:这个特性人们注意了很多年了，只有两种物体的运动是有这个特性的。一种是吊灯。房顶吊灯，或者悬挂物，你怎么颠它不动，它不会动的，可地震波一晃动，它就晃起来了，像秋千一样。还有一种物体的运动，水面，液体的表面，有这样的特点。你水平晃，它马上晃起来。所以这两种物体，对于测震学来说非常重要。

悬垂的吊灯，对地面的水平运动非常敏感，还会因为惯性不停摇摆。而这种地面水平运动正是地震波的特征性标志。19世纪，英国人米尔恩首先把悬挂物的这种属性，运用在地震监测研究中。悬垂摆原理成为现代地震学的基础理论，米尔恩也因此成为现代地震学的鼻祖。可是，米尔恩是在19世纪近代科技发展的基础上才确定了这样的理论，在1800年前的东汉，张衡有可能会想到利用悬垂摆的原理来发明地动仪吗？

主持人:这个原理张衡当年能知道吗？

李先登:从考古发现的文物上来看，汉代就有吊在屋顶上的吊灯。考古发现的汉代的吊在屋顶上的铜人，做得很有艺术性，是一个铜人，手捧着灯盘（图８）。这些应该说，都可以给张衡地动仪的发明一种启示。如果当时有地震，那么挂着的吊灯一定会晃动，它晃动，就表示有地震产生。另外更早，比如说从商周以来，咱们发明的演奏用的编钟、磬，这些都是悬挂的。

（８）汉代人形吊灯

主持人:它不悬挂敲不出声来？

李先登:对。

冯锐:悬挂物用于测震为什么很容易被人发现？因为它有三个突出的优点，第一个优点，只有地震我才动，不是地震我不动。第二个优点，它比人灵敏。 第三个优点，它一晃起来没完没了，就跟秋千一样，很容易被人发现，引起科学思想诞生。另外，我们还要看史料，史料当中有没有这样的根据，它谈不谈这个问题，我们看史料。史料写得很清楚，就像《后汉记》，袁宏写的，写得很清楚——“ 地动摇尊” 。叫作“摇”啊，不是颠，然后说：“尊则震，龙机发，吐丸，蟾蜍张口受之”。说明他观测的是一个水平运动。

冯锐花了两年多的时间，论证了张衡地动仪的工作原理应该是悬垂摆，而悬垂摆的地动仪完全有可能在京师洛阳测到几百里外陇西发生的地震。可是由于长期的误会，1951年的复原模型一直被当作真正的张衡地动仪，出现在学校教学和展馆展览中。

冯锐:所以必须重新复原，这是肯定的。如果不重新复原，问题无法解决。

主持人:对于前辈的失误，我们不讳言，当年就是错的。

冯锐:但是我们还要肯定他们的贡献。以前做复原模型，大家都仅仅是画个想象图，英国那个是1883年画的，画个图就算复原了。1951年模型的贡献是有了一个实体的展览模型，让大家能直观地理解它，这是个很重要的发展。正是由于这个模型，使我们很多人了解了地动仪，了解了地震，世界上更多的人知道了中国的伟大科学贡献。现在是21世纪了，我们这一代人的任务更加艰巨，光有形还不行。

主持人:要让它真正能工作起来。

冯锐:对，这就是我们现在的任务。

就在冯锐论证地动仪内部结构的同时，在张衡的故乡，刚刚建成的河南博物院又一次遇到地动仪不能动的尴尬，他们决定向全国招标，再造地动仪。2004年，河南博物院和中国地震台网中心成立了重新复原张衡地动仪的课题组，打破了以前考古学家不懂地震，地震学家不熟史料的局限。

然而张衡地动仪早在1800年前已毁于战乱，今天所有对地动仪的记载仅仅只是《后汉书》中的196个字，它们就像一段密码，把张衡和他的地动仪锁在尘封的历史中（图９），冯锐他们能破解古人留下的这段密码，解开张衡地动仪的秘密吗？

（９）《后汉书》中关于张衡地动仪的简要记载