张衡在他的地动仪中是如何成功地用立柱验震的

胡宁生

（中国科学院南京天文仪器有限公司，江苏 南京 210008）

张衡生活的东汉正值中国地震多发时期。那时人们都以为：地震是上天对那些失职官员的惩罚，因此每次大地震后常有朝庭大官被当作替罪羊而革职查办，甚至有时还逼得皇帝下“罪已昭”。

在这样的形势下，张衡地动仪就应运而生了。张衡地动仪并不能预报地震，它的功能是使朝庭能（早于信使）及早得知国内发生了地震。

显然，古人应不难想到怎样能灵敏测震的方法。凭人看悬物摆动是不足以发觉轻微地动的，因为那种摆动的幅度并不显著。作为对比，勉强能站住的立柱的倾倒却能更灵敏地测到微小的地动。张衡正是基于以上理念在他的地动仪中采用了立柱验证并记载于正史《后汉书·张衡传》中。

张衡之后过了一千多年，到了1882年，在日本工作的近代地震学之父英国人约翰·米尔恩也作了立柱验震的实验，但他却不能实验成功，因此他提出——张衡地动仪中只有采用悬摆来验震才可能成功。

继米尔恩之后，多国的地震学者也作了立柱验震的实验，但他们也无一能够成功。他们失败之处是：一、对很灵敏的立柱，他们根本就无法使它站住，他们发现那会比要站鸡蛋更难；二是，对不太灵敏而能勉强站住的立柱，在它的底板受轻震后，那立柱会各向乱倒而并不倒向应有的来震方向。他们都不能解释以上二个失败现象的原因，只好对之束手无策。于是他们就异口同声地说，立柱验震是不可能的！

于是从1969年起，国外刊物上就陆续出现了一些对张衡地动仪措辞严历的责疑文章。在北京工作的奥地利学者雷立柏在他的中文书《张衡·科学与宗教》中写道：“许多汉语书中都赞扬了张衡地动仪。它能成为华夏科学创造力的模范和象征的原因，主要是因为他的地动仪被视为“国宝”和“国粹”。但张衡地动仪没有一个精确的理论伴随着它，因此地动仪更多地象征着中国人的想往而并不是代表一个完美的现象。它是华夏科学停滞特点的典型表现”。

之后国内网站上也出现了大片对张衡地动仪的质疑声，那些做不成立柱验震者只能造出不是张衡地动仪的摆式地动仪。

读者会好奇地问，那么张衡为什么却能用立柱来成功验震呢？

作者以从事精密天文仪器研制数十年的经验，在2013年只用了几个月就成功地实现了立柱验震。作者通过实践，今日才能明白张衡能成功地用立柱来验震的主要原因。下文就介绍这些原因。

1、古代学者早就知道，在一个物体重心的正下方处去支撑那个物体，就能使那物体平衡不倒。这就意味着，对一根灵敏的立柱，它的重心如能调整到立柱着地面的正上方，那么那根立柱就应能站住。

2、张衡凭他对精密机构的深刻认识，他应会想到，那个立柱的着地面应该是一个很小的精密面，而且为保证它不易损坏，这个着地面还必须由坚韧的材料（如兰宝石）制成。

3、立柱着地面下的支撑面也应该是一个精密加工过的硬平面。

4、以张衡他那洞察事物间相互作用关系的深邃眼光，他能知道会有二种方法来达到“立柱重心恰好位于其着地面正上方的这个要求”。

一是：由于一根立柱的本身和其着地面都不能做到对立柱中心线的绝对对称和同心。这就需要在立柱的外侧附加一些平衡重去对立柱作“平衡调整”。

二是：立柱下的那个支撑平面必须要经过精细调平（置平）。因为歪的支撑平面会把立柱也带歪，如图2左边所示。

作者在做立柱验震实验时，与前人同样遇到了“立柱会各向乱倒”的难题。但经过分析后，作者（张衡也应该）发现，原来是立柱重心（沿重力方向）的投影点没有与立柱着地面的中心精确重合，而是偏到了某一位置（见图3）。

这样的立柱在受轻震后就极易倒向立柱的偏重方向A。这就解释了立柱为什么会乱倒的现象。因为前人做实验在每次重新站住立柱时，立柱的偏重方向就是各向随机乱放的，以致那样放的立柱以后就会各向乱倒。

以上情况意味着，我们必须将立柱重心投影点调整得与立柱着地面尽可能重合。这一高难度实验技巧并不是当代一般学者所具备的，但这种技巧却是张衡拥有的专长之一。

很遗憾，以前做过立柱实验的各国学者，他们都把立柱错当作一根普通柱子来对待，殊不知那验震立柱是一件需要高度认真对待的精密另件。那些学者只用粗糙的立柱又未对立柱作任何平衡，还根本未作对立柱下底板的调平，这就难怪他们都不能用立柱来验震了。

在立柱验震上，还发生过不少趣事，现只举如下一例。日本的关野雄在他1952年的一篇论文中说，一根高立柱当然越细越灵敏。这样，一根高约2米的立柱，如想把它的验震灵敏度做到比人的感震灵敏度还要高，那么这2米高的立柱的通体直径才区区2毫米。显然，这根细如铜丝的高立柱是绝对站不住的，因此，有人说他用力学原理证明了立柱验震是不可行的。

有趣的是，中国也有人说，中国秦代、汉代建筑物上的立柱都很粗大，那样粗的立柱怎么能验震呢？

至此，读者可能也被他们的理论搞胡涂了。

其实关野雄等人都未能想到一点：即立柱本身可以做得很粗，他只要把立柱下的着地面做得很小，那么，那根粗立柱就也能是很灵敏的。

目前张衡地动仪的景况是：

1、媒体已大量散布了张衡地动仪是不可能的言论，这还殃及到人们对中国古代技术成就的可信度；

2、各地展出着不是张衡地动仪的摆式地动仪；

3、摆式地动仪的流行导致联合国某组织撤除了它展出的中国政府礼品——立柱式张衡地动仪模型；

有人写信给教育部长，要求把教科书中的张衡地动仪由立柱式改为摆式。这就导致在教科书中的张衡地动仪被整节删除。

从2013年起在中国科学院自然科学史研究所主持召开的张衡地动仪学术研讨会上，与会专家都认可了作者对立柱验震原理和实验的证明。2016年11月中国科技史学会还为立柱验震的正确性专门召开了学术鉴定会，与会专家也都肯定了张衡地动仪应为立柱式并是可行的。

对为立柱式张衡地动仪正名感兴趣的读者可参阅下列三本书，即《张衡地动仪的奥秘》（2014，网上书店只有少量存书）、《趣味力学现象》（2016，109-115页）以及《从留级生到科学家》（2018，65-69页，89-102页，后二本书可用短信13236555080买到）。

鉴于教科书中的张衡地动仪因被说成是不可能的而被删，但现在张衡地动仪已被证明是正确的，因而在教科书中的那节理当重新写过。但要怎样才能尽快达到为张衡地动仪正名的崇高目的，请广大读者发表已见以供政府有关部门参考。