平子讲堂丨地动仪的复原研究-南阳市张衡博物馆

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地动仪发明以后，用“验之以事，和契若神”的事实证明了它的准确性和实用性，逐渐获得了京师学者以及朝廷的认可与肯定，“自此以后，乃令史官记地动所从方起”。但是，由于历代封建统治阶级不重视科学，致使这一伟大的科学创造在西晋“永嘉之乱”后即失落无处，成为世界地震史上的一大损失。

张衡曾写有《地动仪图注》一文，详细描述了地动仪的形状、结构、原理。南北朝时的信都芳所撰《器准》一书中亦曾论及地动仪的制作方法，隋朝初年的林孝恭《地动铜仪经》一书也对地动仪有专门的研究，可惜，这些珍贵的历史资料均已佚失，也给后人留下了一个个千古谜团。我们现在所了解的关于地动仪的资料均出自范晔《后汉书·张衡传》所载的仅仅196个字。

近代以来，科学技术蓬勃发展，地震科学也得到了长足进步，一批基于现代科学技术之上的地震观测仪器也应运而生，在地震监测、预报及防震减灾中发挥了巨大的作用。在对地震科学的探索研究中，人们又记起了1800多年前这位伟大的地震学鼻祖，张衡和他所发明的世界上第一架地震仪器——地动仪又重新回到了人们的视野。为了重现失传的仪器，一百多年来，特别是新中国成立后，中外地震科技工作者针对地动仪构造原理进行了长期不懈的深入研究，一批批研究成果应运而生，一个个复原模型不断推出。在张衡地动仪的复原研究历史上，曾有过各种模型。

自日本人服部一三于1875年提出第一个地动仪复原模型以来，国内外学者已经先后提出了几十种不同概念、不同原理、不同外形、不同构造的模型。如1883年米尔恩（英国）、1917年吕彦直、1931年李善邦、1937年萩原尊礼和今村明恒（日本）、1951年王振铎、 1978年伯尔特（美国）、1983年slushy（荷兰）、1991年王前、1994年李志超、1998年梁绍军和张玉峰、1999年黄浩华、2004年杜希贤、2005年冯锐等。在这些不同的模型中，目前流行最广、影响最大的有两种——王振铎倒立摆模型和冯锐悬垂摆模型。

▲王振铎版模型

1936年12月，王振铎在《燕京学报》上发表了名为《汉张衡候风地动仪造法之推测》的文章，对地动仪的外形、结构、原理进行了分析探讨，并配有手工绘制的内外结构图。此后，他一直致力于张衡地动仪的复原研究。

1949年新中国成立，时任国家文化部文物局博物馆处处长的王振铎奉命复原一批包括张衡地动仪和司南在内的、能代表中国古代文明的器物，做宣传和陈列之用。经过1年多的努力，1951年，其复原的1：10木质张衡地动仪模型诞生。

王振铎版地动仪模型在外形上，王振铎模型按照《后汉书·张衡传》中所描述的形态设计而成。主体为一汉尊罐状体，八条龙附于尊体外部，龙首朝下，龙口衔丸，下面八只蟾蜍面向尊体，张嘴对应龙首。在原理上，该模型利用了倒立摆和力学的惯性原理。在结构上，其内部核心由两部分组成，一部分是表达惯性运动的直立摆，即史书中的“都柱”，另一部分是设在摆的周围，与尊体相连接的八组机械杠杆触发装置。其设计思路是利用倒立摆受力不稳定的原理，在仪器中央安装一根在静止状态下能够直立的摆，发生地震时，由于地震波的震动，打破摆的平衡，就要倾倒下去。由于地震波的纵波较横波传播快而首先到达，所以倒立摆的基部首先受到纵波的推力而产生和震源方向相对的位移。由于惯性作用摆的顶部还保持着原来的位置，于是重心偏移，造成摆向着震源方向倾倒，从而推动相应方位的杠杆机械装置，并触发机关，使这组杠杆与仪体外部相连的龙头吐出铜丸，落入蟾蜍口中，达到测震的效果。这个承担着普及和推广中华文明重任的新中国第一台张衡地动仪模型受到了社会的热切关注。

1952年，《人民画报》介绍了地动仪成功复原的事迹，1953年地动仪模型图像被作为中国特种邮票出版发行，并成为中国地震局的标志。随后，这台地动仪模型被选入全国中小学教科书，一代代中小学生从这里开始了对张衡地动仪的启蒙认识，这个模型也成了大多数中国人心目中标准的地动仪形象，并多次承担着中外友好文化交流的使命走出国门，向世人展示。至今在联合国知识产权总部，地动仪模型与月球岩石标本并列陈列，在弘扬中国古代科技成果和科普宣传上起到了积极的历史作用。

▲冯锐及团队所复原的地动仪

冯锐，1941年生，1965年毕业于中国科学技术大学物理系地球物理专业。曾任中国地球物理学会理事，中国地震学会地震深部探测、地震地质专业委员会委员，《地球物理学会年刊》主编，《地震学报》、《中国地震》杂志编委，中国科学院研究生院教授，博士生导师，中国地震台网中心和地球物理所研究员。2004年，由国家文物局组织、河南博物院承担的“张衡地动仪科学复原”课题组成立，中国地震台网中心研究员冯锐任课题组组长，主持研制工作。在参考大量古籍文献和考古学成果的基础上，课题组根据“圆径八尺”这个史书中唯一的明确数据推算出了尊体和都柱的高度，并认为张衡地动仪原理是悬垂摆，而非直立杆。课题组运用悬垂摆原理，从专业地震学的角度出发，再次成功复原失传1800余年的张衡地动仪。冯锐模型工作原理是悬垂摆，把传统模型中简单倒立摆改成悬挂着的粗重的“都柱”，内部结构按照史料记载，由柱、关、道、机、丸五部分组成。外部设计更加符合史料记载和汉代特征，仪器的外形像汉代的桶状酒尊，八个龙首附于尊体外部四周，分别朝向八个方位，八只蟾蜍和龙首相互对应，并面外背内作为尊体的器足。

冯锐版地动仪模型它的工作过程是：非地震源的波动过程是地面垂直颤动为主，因垂直作用力与都柱的重力方向一致，都柱便几乎无水平向摆动，实现了稳定和抗干扰功能。而地震波以地面水平向振动为主，即便是极其微量的运动，樽体也会随着地面的运动而振动，而大质量的都柱会由于惯性保持静止，二者间便发生了相对的位移。于是仅有的铜球得以脱出，沿着轨道滚落，撞击相应的龙机，完成测震，并出现“一龙发机，而七首不动”的现象。

▲冯锐版地动仪结构示意图

与王振铎模型相比，冯锐模型的不同之处在于：

1.将工作原理由倒立摆改为悬垂摆；

2.具有一定的验震功能；

3.内部结构由“柱、关、道、机、丸”五部分组成；

4.将蟾蜍由面向仪器改为背向仪器，并作为器足，将整个仪器托起；

5.将传统模型中倒置的全龙改为龙首；

6.尊体的基形由圆壶尊改为更具汉代特征的温酒尊，四周饰朱雀、玄武、青龙、白虎图案；

7.顶部置三只相连的凤鸟，凤鸟尾部作为“都柱”的挂点。

2005年4月，该项目通过了由地震学、考古学、机械工程学等相关学科专家组成的验收委员会的鉴定，专家认为新的地动仪模型对实际地震事件具有良好反应，迈出了从概念模型到科学仪器复原的关键一步，新的研究突破了古代科学仪器复原的传统模式，是一次重大跨越。在国家自然科学基金、中国地震局和国家文物局的协力支持下，又历时三年多的结构优化和艺术完善，2008年8月完成了造型定稿，并被授予国家专利。

2009年9月20日，1/2尺寸的青铜地动仪复原模型在中国科技馆展出。同年，最新修订的《中国大百科全书》（第二版）将地动仪词条换为冯锐的新复原模型，并作了介绍。冯锐模型逐渐得到了人们的认可，在社会上产生了一定的影响。

国外对地动仪的研究1880年世界上第一个地震学会“日本地震学会”成立，日本人服部一三任会长，英国人米尔恩任副会长。也正是他们两人，开启了近现代重新发现研究张衡和地动仪的探索之旅。

1875年， 24岁的服部一三从美国留学回国，这个年轻人不但有刚刚学到的西方国家的科学理念，还有着传统日本人对中国古老文明的热爱。就是在这一年，服部一三凭着对现代地震学的理解和对中国古籍中记载的张衡地动仪的兴趣，开始研究那个一千多年以来一直笼罩着神秘色彩的测震仪器。这位懂汉语的年轻人首先绘制了张衡地动仪的外形，并用汉字在图画的四周抄下了《后汉书·张衡传》中的196个字，在日本传播地动仪思想。

1876年，米尔恩从伦敦起程，徒步穿越欧亚大陆，从今天的蒙古国进入中国。他在中国游历了北京、天津、扬州和上海后，漂洋过海到了日本，在日本东京帝国大学担任地质矿物学教授。米尔恩在日本生活了20年，受到服部一三的影响，也开始对地动仪产生了兴趣，他把《后汉书·张衡传》翻译成英文，第一个向西方介绍张衡地动仪。

▲约翰·米尔恩(John Milne)

1883年，米尔恩在服部一三1875年描绘的张衡地动仪外形基础上，复制了新的张衡悬垂摆式地动仪复原模型，并进行认真的研究和实验，他认为张衡是将都柱悬挂在仪器中央，利用物体的惯性来测定地震。10年后，米尔恩制成世界上第一部可在台站普遍架设的现代水平摆地震仪。

1896年，米尔恩回到英国，将他发明的地震仪安装于62个英联邦国家，并编制了全球地震报告，成为举世公认的现代地震学奠基人。米尔恩在全球各地架设地震仪，并于1933年记录下了中国汶川叠溪7.5级的大地震。米尔恩复原的张衡地动仪米尔恩设计的第一架地震仪米尔恩的《地震和地球的其它运动》一书是现代地震学的开山之作，被地震学界看作经典之作，书中对张衡及地动仪的原理做了介绍，并奉之为人类迈出地震学研究的第一步。后来，米尔恩在他的回忆录中讲到，他曾受到张衡地动仪启迪才于1880～1883年间进行了大量模仿和试验，并于1892～1894年发明了现代地震仪。在世界地震科技发展史的链条中，米尔恩是古代张衡地动仪原理与现代地震理论相互衔接的重要一环。

1938年，日本学者今村明恒仿造了一架张衡地动仪，把它安置在自己家中，进行实际观测，并与东京大学地震台上的现代地震仪观测结果做对比。今村明恒说，他利用张衡地动仪“每次可以速断震源的概略位置，感到对张衡地动仪的兴趣倍增”。1953年，澳大利亚学者布伦在《地震学引论》一书中写道：“公元132年，中国张衡发明了一个能指示地震方向的仪器。这个仪器曾记录到一些人们不能感觉的地震……”1955年，苏联学者萨瓦林斯基·基尔诺斯在《地震学与测震学》一书中写道：“最早的地动仪是公元132年中国张衡发明的地动仪。”此外，美国学者李斯特、墨西哥学者罗姆尼兹等一些西方学者都在深入研究之后确认张衡地动仪是世界上最早的地动仪，一些西方的科学杂志也介绍了张衡和地动仪，并附有地动仪的图形和文字说明。

1976年，英国《金融时报》发表文章说：“对于自然灾害，东方人并不陌生——中国人有近三千年的地震文字记载。地震预报的第一次实际运用是中国人进行的，因为早在公元130多年就出现了中国张衡地动仪——现代地震仪的先驱。”张衡地动仪是人类历史上的首创，是人类文明史上用科学方法认识地震的第一次勇敢尝试，它成为中国古代科学技术辉煌成就的代表之一。这一发明，曾在现代地震学起步阶段发挥过重要的思想启迪作用，为地震学的发展作出了重大贡献，是现代测震科学的奠基石。它揭开了地震科学的新纪元，我们可以毫不夸张地说，张衡是世界人类从事地震科学研究的先躯和世界公认的地震学的鼻祖。

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编辑 | 陈枳佑

校对 | 付会军

审核丨黄迎光

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