复原张衡地动仪

　　-本刊记者/杨东晓

　　这个地动仪，和国家博物馆的地动仪有着本质区别

　　冯锐这几个月来频繁地往北京西五环外的古城工厂跑，眼看着6年的心血就要聚成一部张衡地动仪复原模型了，他急切地说：“你看，我现在就像一个监工，天天跑这儿来催进度，”那台能够模拟地震波的振动台还没有最后完成调试。调试完毕后，这部振动台连同地动仪将送往北京市重点小学史家胡同小学，“学校新学期等着安装，大车不能跑的话，我们就是半夜12点上路，也得给学校送去。”

　　张衡的地动仪不科学？

　　这台按比例微缩、能够正常工作的模型，它的外壳也不再是中国人已经熟悉的、现在还画在历史课本中的造型，它以一个全新的造型体现了东汉时期的审美。否则它还是与国家博物院陈列的“张衡地动仪”展品一样，只是个令人争议并质疑的概念模型。

　　奥地利学者雷立柏的观点是100多年来外国所有批评中最尖锐的，他认为这一被中国人视为国粹的东西，不是科学，它的失传正说明了它的不科学，它的失传也说明张衡地动仪没有给后人什么启发和思想，张衡之后欧洲各国的地动仪跟张衡毫无关系，因此在历史上有张衡没张衡，都是一样的。

　　在冯锐这样以地震研究为事业的人看来，无疑是当头喝棒。事实上，早在雷立柏之前，国际地震学界对于张衡地动仪的科学性甚至东汉年间以张衡为代表的中国科技史的质疑就没有停息过。

　　冯锐几乎在同一时期遇到了对于张衡地动仪的种种质疑。第一个疑问来自于中国地震台网中心高级工程师、《防灾博览》编辑武玉霞。2002年冯锐接受她的约稿，定期给该刊物写科普文章。他写的前三篇都是介绍测震学最基本原理的。第一篇解释一个谚语“地震没地震，抬头看吊灯”；第三篇是讲述地震期间人们通常用啤酒瓶子报警“别看瓶子小，地震跑不了”。

　　武玉霞拿到这两篇初稿后，发现了一个问题，第一篇“抬头看吊灯”的理论依据是地震波对悬垂摆原理发生的影响，而第三篇“倒立啤酒瓶子”运用的是“直立棍原理”——它的歪倒完全可以来自门外过汽车的震动、关门等非地震影响，不过是一种蹩脚的报警器罢了。

　　简单说：地震波是以水平晃动为主的，它完全不同于爆炸、关门、跺脚所产生的垂直波动。验震器必须具有“只有地震我才动，不是地震我不动”的特殊功效才能发挥作用，张衡的伟大正是发明了这种验震器，才对现代地震学的发展做出了历史性贡献。因此只有“吊灯原理”才能验震，“啤酒瓶原理”是不能验震的。

　　随后，雷立柏就在第二年的夏天出现了，他的观点第一次是出现在国家图书馆书店的一部名为《张衡：科学与宗教》的哲学专著上。2003年夏天，冯锐在国图书店发现了这本书，雷立柏尖锐的观点，引起了他的注意。冯锐同时将雷立柏的这本书介绍给了武玉霞。

　　这个夏天的所有巧合，促使冯锐这位地震学和理论地球物理学研究员走上了一条他自己从没想过的“理论与实践”相结合的道路。

　　数理计算，是成功的

　　和所有不知水深水浅一步踏进复原张衡地动仪领域的人一样，冯锐首先找到的史料，也是在张衡死后259年才出生的范晔在《后汉书》中对于地动仪记载的196个字。这196年字中，只有“圆径八尺”是个定量的概念，也就是说，张衡当年的地动仪的直径是当时的八尺，以当时的一汉尺等于23.5厘米换算一下，就能得到张衡地动仪的直径，再根据“形似酒樽”一句，查阅各种资料的结果表明，汉代酒樽的高与直径的比例大体在1.5:1。

　　通过梁思诚《中国古代建筑史》一书中汉朝柱子的分析，“都柱”的高度也算出来了。通过这些数据进行定量计算的结果是，1800多年前张衡那部地动仪都柱摆动的固有周期至少在1.67～2秒以上。要验证这一结果，对于冯锐这样的专业工作者来说具有便利的条件，他调来了1985年以后陇西地震传至河南省洛阳地震台的地震波记录图，不出所料，从陇西到洛阳的地震波果然主要是瑞利面波，周期以2～5秒为主。

　　计算所得的结果，不仅固有周期与真实地震波优势周期吻合，而且触发仪器的波动震相也与瑞利面波吻合，这说明了一点，张衡地动仪的确是运用悬垂摆原理制成的。张衡对于悬垂摆的运用的确早于西方1600多年。而且其都柱高度也已经通过计算验证了出来。

　　冯锐完成了基本数据的验证后，2003年1月发表了论文《地动仪的否定之否定》，明确指出了国内最流行的王振铎复原模型(也称“传统模型”)的原理性错误。不过，那时的冯锐并没有开展后续工作的思想准备，更没有设想过工作原理被彻底改变之后，地动仪的内部结构究竟会是怎样，还能不能复原出来。这篇论文中的结尾部分，能看到无限的怅惘：“我们现在还没有能力对张衡地动仪的悬垂摆原理的施关发机、牙机巧制，做出更具体的复原。正如在赞美断臂的维纳斯雕像时不愿给她添臂加膀一样，宁可欣赏这种超越时代的缺憾美，而把古典文化的无穷魅力保留给我们的后代。”

　　冯锐没有想到，他的观点受到了中国地震局的重视，支持他与国家博物馆合作加大理论研究力度，中国地震学专业委员会的专家们还先后两次听取了他的报告，明确支持彻底否定王振铎模型的工作原理。冯锐和武玉霞遂于2003年10月在中文核心期刊上发表了长篇论文《张衡候风地动仪的原理复原研究》，公布了更加严谨的学术研究结果。

　　冯锐更不知道，几乎在他们发表论文的同时，发生在河南博物院的另一个故事：2003年10月21日，中央政治局常委李长春视察河南博物院时，停在那部与国家博物院同一款式、不会动的木制“张衡地动仪”的面前，发出感慨，作为中国历史上如此辉煌的技术为什么只有一个外壳而不能工作？“地动仪是中国古代科学的典范，要把工作原理直观展演出来。”李长春一语既出，河南博物院受到极大鼓舞。张文军院长、田凯副院长马上行动起来，他们一定要找到一位能够复原张衡地动仪的人来，让象征中国古代科学的仪器能够正常工作，不再只是通过人为控制才能达到“表演”效果。

　　于是，河南博物院在多种报刊和互联网上贴出了“招标公告”——期盼有人对张衡地动仪“科学地表现内部原理、构造，使之能与观众进行长期互动式演示”。

　　突然有了一线光明

　　中国国家博物馆研究员、国家文物鉴定委员会委员李先登曾经随“中国古代科技展”到日本访问，1988年的展出经历，成了现年8旬的李先登老人心头的一块病痛。他还记得，这次展览期间吸引了上百万日本观众来参观，展厅里一进门就是一部原大的张衡地动仪模型，这尊地动仪直径在1米6以上，高达2米2左右，这架庞然大物上八只龙首中的铜丸，无论怎么都不会动，也掉不下来。实在是没有办法，于是在给观众表演的时候，是用一根棍把那个铜丸捅下来的。

　　看到了河南博物院的这一“招贤榜”，李先登意识到这正是一个改变人们对地动仪看法的机会，它应该被还原出科学价值，而不仅仅是一个只能远观的艺术品。于是李先登马上写信给河南博物院，告诉博物院方面，自己正在和地震局的冯锐进行这一研究。

　　接到这封信的张文军和田凯院长仿佛看到了曙光，招标公告毕竟一直处于“无人撕榜”的尴尬局面。这就是2004年7月的巧遇，把只进行理论研究而在实验上仍停滞于断臂状态的冯锐推到了前沿，经费由河南博物院承担，国家地震局全力支持。

　　双方约定，5个月实现目标，2004年12月底做出新地动仪。

　　冯锐敢于应战，不仅因为他掌握了理论，还有一个重要原因是，他已经通过理论计算，得出了三个关键的限制性参数 ：首先，圆径八尺，给出了第一个限制性参数，由八尺圆径还能导出樽高以及都柱的固有周期2.4～3.0秒；其次，“摇樽”—“则振”，说明人已经能够通过目测观察到樽体的摇和振，那么地面位移至少应有2～4毫米——这个数量级的运动只有地震的瑞利面波才会达到；再次，根据中国地震烈度的衰减规律，可推算出洛阳的烈度为Ⅲ＋～Ⅳ，陇西地震的震级6.5～7.0级，震中距500～700千米。

　　这些参数已经涉及到地震波动和测震仪的特殊细节，数量级彼此吻合，原典的记载是一段非实践过写不出来的东西，这也说明地动仪曾经不止一次地正常工作过。

　　今天，这些定量的限制性参数，是复原模型和检验复原模型最基本的要求。

　　可能要失败了

　　2004年7月，来自中国地震局、国家博物馆、河南博物院、自动化研究所等8家单位专家组成的“张衡地动仪科学复原课题组”成立了，冯锐总负责。

　　冯锐所做的第一件事，就是把陇西自1985年以来所有地震的波形图调来，通过对这些波形图的分析和计算发现，不出课题组的预料，从陇西到洛阳地震波的周期、幅度、震相、加速度、持续时间等参量，不仅是在理论预期的合理范围内，而且与类似的真实地震的波动记录结果相吻合。这一结果无疑说明了一个问题，张衡的地震仪在公元134年的确测到了陇西的地震，它不是一个虚幻的神话。同时也表明，冯锐对地动仪多种参数的计算是正确的。有了量化参数，就具备了科学复原的基本条件。

　　在历史学家与考古学家的参与下，对于张衡地动仪的记载更从一本《后汉书》的196年字增加到238个字，这突然增加出来的42个字，对于冯锐来说真是“字句玑珠”。

　　一天半夜，冯锐接到中国社科院考古研究所卢兆荫研究员的电话，80多岁高龄的卢兆荫兴奋得睡不着觉，他说：“冯锐，我又找到一个有关张衡地动仪的一些史料，是司马彪的《续汉书》。”冯锐当时没有反应过来，他不知道司马彪是谁，更不清楚时代的前后。卢兆荫又解释一句“是西晋的。西晋的司马彪要比南北朝的范晔早一百多年呢！”这下冯锐听明白了。电话那头的卢先生告诉他，“有新内容，其中一句说：‘其盖穹窿’, 地动仪的盖子是穹窿状的”。

　　太棒了! 汉代的酒樽有两种，温酒樽的盖子就是穹窿状的，史料文字与出土文物是吻合的，这种形状的酒樽特别适合地动仪的技术要求。

　　第二天，卢兆荫先生就把新发现的史料复印给了冯锐。的确，《续汉书》比此前所有研究者奉为圭臬的《后汉书》要早约150年。此后又查到的东晋袁宏《后汉纪》中对张衡地动仪的描述，也要早于《后汉书》70多年。

　　后来，通过考古学家和国家图书馆善本特藏库的帮助，又陆陆续续地找到了宋代的一些帛质古籍的影印本，前后有7个版本的古籍，对张衡地动仪进行过不同的记录。

　　冯锐把7份史料、不同版本中有关张衡地动仪的记载，全部抄了下来，列成表。一个字一个字地对比，他想从中找出重复的字与不重复的字来。在从未重复的那些字句中找到解决方案。

　　无论是中国的张衡在公元132年制作的地动仪，还是英国人米尔恩1883年在日本推断的地动仪内部结构，都有一个重要的部分，那就是柱子。中国历史博物馆(现改名为中国国家博物馆)已故历史学家王振铎1951年设计的地动仪中，也有一个直立杆的柱子。到了冯锐的年代，这根柱子到底应该是什么样的呢？通过计算，王振铎复原的直立杆都柱，高与直径之比是40：1，这一比例连一根完整的铅笔都立不起来。

　　中间这根柱子，为什么叫“都柱”呢？昔墨如金的中国古人为什么要用一个“都”字？古代汉语对都的解释之一就是“大”。据此，冯锐设计的铜质都柱粗壮雄浑，高与直径的比约为6：1左右。“都”字的原理在于——“地动摇樽，樽则震”，而不是地动摇“柱”，“柱”则震。樽震现象的原理在于地球上的万物都是处于与地球同一状态中，而张衡地动仪则是利用惯性原理，在地震波传来的一刹那所发生的绝对运动中，仍有一个相对静止的都柱因质量大而停留在相对静止中，从而会发生一段相对位移，张衡在1800年前就能对于这一物理特性加以运用。这一点也说明，张衡的都柱绝对不是直立杆，而是悬垂摆。

　　复原研究中的困难很快就表现出来，原理的正确并不意味着内部结构的设计合理。因为按照冯锐把都柱设计成狼牙棒的方案，无法达到“一龙发机，而七首不动”的效果，也就是说，张衡当年的地动仪在地震发生后只有一个处于地震波面的龙会吐珠，其他七只龙首不会出现任何反应。他设计的“机关”与“都柱”的之间，仅有三四毫米的距离，都柱轻微的摆动就会接二连三地碰得一圈龙都“发机”。加上都柱运动的动量过小，不足以直接推动“龙机”的运动。狼牙棒设计很快就被自动化研究所退了回来，明确告诉他，无法实现。

　　在与河南博物院协议到期前两个月的一个晚上，冯锐对自己说：可能要失败了。

　　机与关

　　2004年10月也许是冯锐最苦恼的日子。他昼思夜想了多种都柱的设计，始终不得其解，意识到：除原理之外，对张衡的技术措施还没有吃透。或者说，张衡除了首次利用了惯性外，他在技术的实现上一定还有重大的历史创新和贡献，长期并不为人们所了解。否则地动仪不可能在洛阳测出陇西地震的波动量。从现代地震仪的观测实践来看，洛阳地震台需要对惯性摆的相对位移量置于2000～3000倍的电子放大量才能够测出陇西地震的信号。这样高的灵敏度，不是惯性摆的简单位移能够实现的。在整个课题组的工作处于极其紧张的时刻，冯锐只能痛苦地决定全部停止下来，让他能够冷静地想一下：这到底是怎么一回事？

　　一遍一遍地背诵古文，一个字一个字地分析推敲后，一个深夜，冯锐忽然注意到“施关发机，机关巧制，皆隐在樽中”的“皆”字。“皆”是都的意思，复数；“施关发机”的施和发都是动词，“机”和“关”都是名词。因此，“机关”就不是我们现今习惯理解的双音节词，而应该理解成“机”是“机”、“关”是“关”两个单音节词。“关”字的析出，意味着地动仪由柱、关、道、机、丸五部分组成，都柱首先对“关”施加作用后，才使“龙机”得以发动。关就是触发机构，是地动仪能够以极高的灵敏度测出地震波的一个关键性技术措施。

　　“在向卢兆荫先生请教以后，确认了我这样理解的合理性，‘机’和‘关’果然是两个词，中国古代都是单音节词，每一个字都有独立的含意”，冯锐兴奋地说：“‘关’就是门栓的意思，栓的古字‘閂’作为一个象形字，无声地说明了中国古代人关起的大门是什么样——门中间有一横。关就是都柱中间的一小“横”线。于是，一个被称为“悬针含露”的方案设计出来了。至此，历史文中记载的“都柱”、“机”、“关”、“道”、“丸”，每个部件全部找到了并能够安放在相应的位置，同时获得“一龙发机，而七首不动”的效果。

　　验震

　　张衡地动仪是一件地震学的专业仪器——验震器，它是用来验震的而非预测地震的，冯锐复原的张衡地动仪也要经过“验震”的考验，它所要接受的检验就不再是纸上的演算，而是放到一个振动台上去，振动台在电脑的控制下，通过较为复杂的液压机电系统重现了1976年唐山地震、2000年泸西地震、2001年孟艺地震的地表震动过程，并在这个基础上模拟了1800年前的京师洛阳在陇西地震时的运动水平，课题组复原的模型不仅第一次显示出良好的验震功能，还对持续两个月的强烈非地震性振动表现出很强的抗干扰能力。也就是说，中国对于张衡地动仪终于实现了从概念模型到科学模型转变的关键性突破。

　　在振动台上，这些模型不再只是模型，而成为能够工作的仪器，做到了古代文献中记载的，在时间顺序上“地动摇樽，樽则振，龙机发”，在发机的数量上实现了“一龙发机，而七首不动”。

　　由“张衡地动仪课题组”复原成功的地动仪，目前一部按协议规定已交付河南博物院展出，另一部与“圆径八尺”的记载原大的模型尽管目前只有内部结构而没有外壳，但也已经被国内某科学博物馆订下。另一部经过清华美院王培波教授按照东汉美学观点设计外观雕塑的微缩模型，被安装在史家胡同小学，不仅作为爱国主义教育的一课，也成为教育孩子们从小爱科学、学科学、用科学的一个最立体的课本。