破译张衡密码

一段人人都了解的史料；一个天才科学家留下的密码。

重新复原地动仪，能否勘破玄机?

我们从小在课本和各种展览中见到的张衡地动仪，是中国历史博物馆王振铎先生在1951年根据史料记载复原的模型(图1)，这个“地动仪”不能检测地震。模型内部结构原理性的错误，使张衡地动仪的科学性受到国内外尖锐的质疑。

2004年，河南博物院与中国地震台网中心合作，对地动仪开展科学复原。

新复原的地动仪，不仅要符合史书记载，能够检测地震，还要符合东汉那个时代所能达到的技术水平。而当时他们手上仅有的，只是《后汉书-张衡传》中的196个汉字。这段被很多史学家评论为孤证的地动仪记载，能够让他们找到复原的依据吗?面对简练深邃的史书记载，他们如何破译张衡留下的密码，复原出当年那个神奇的地动仪呢?

“发现”地动仪外形

主持人：古书里面怎么说地动仪的?

李先登(国家历史博物馆研究员，考古学家)：《后汉书·张衡传》讲得很清楚，张衡的地动仪形状和酒尊差不多。解放以后，考古出土了很多汉代的酒尊，多数都是一个圆形，但是直壁，并不是中间鼓肚的，中间鼓肚的一件都没有发现(图2)。

考古学家对地动仪外形的质疑引起了地震学家冯锐的注意，他虽然花了两年时间得出张衡地动仪内部的都柱应该是一个悬垂摆的结论，可是都柱悬垂摆动需要的空间，是旧模型无法提供的。既然仪器的外形是由原理决定的，随着原理的彻底改变，必然迫使冯锐要思考：张衡地动仪的外形究竟是什么样的?

冯锐(中国地震台网中心教授，地震学家)：史料说“圆径八尺”，好，那我们查查汉尺吧。平均数，一汉尺是23.48厘米，八汉尺就1.88米，直径知道了。史料还说“形似酒尊，其盖穹隆”。我们把汉代酒尊的照片都拿来，统计完了以后知道了，高度和它的直径比，大体在1.4到1.6。这样高度就知道了，高度就应该在2，6到2.9，接近5米这么高。

出土的汉代酒尊，直径与高的比例，接近黄金分割，地动仪的外形尺寸因此可以确定。圆底直壁，正好提供了悬挂物摆动的空间，史料记载和科学原理相符!

还需要考虑蟾蜍的位置问题。

李先登：原来布展的时候，这八个蟾蜍的位置，没有很严格的科学的规定，场地大的时候，我们可以把它稍微往外点；场地小的时候，没有办法。

2003年，我们和冯锐先生等一起去了洛阳汉代灵台遗址，就是当时的天文台，张衡具体放地动仪的遗址。我们去到实地做了考察。

冯锐：当时灵台相当于现在的科学院，42个人，都是科学家。有观星的，有做历法的，都在那儿。

李先登：我们到那儿考察，张衡这个地动仪，当时只能放在台上最大的一间，在台体的第二层，西侧靠北的屋子里。现在还可以看到，地上墁了两层质量很好的方砖，能够承受地动仪巨大的重量。别的屋子小，根本就不行，也没有铺这方砖。

洛阳灵台，是张衡担任太史令时工作的地方，地动仪就是在这里测出了远在几百公里之外的陇西地震。根据计算，如果蟾蜍散放四周，实际圆径达到3.75米，超出了考古证明曾经摆放地动仪房间的2.2米的范围，不可能摆下。而据范晔在《后汉书》中的记载，也无法确定蟾蜍究竟是依托尊体，还是散放四周(图3)。

冯锐：在历史学家，考古学家帮助下，又发现了新的史料。记载张衡地动仪的，不光是《后汉书》了。范晔是公元445年写的，比他更早的有《后汉记》，还有《续汉书》，司马彪写的。

寻找蟾蜍的位置，竟意外发现了更多的史料记载，对比这些比范晔早约150年的记载，问题豁然开朗。范晔的“下有蟾蜍张口承之”一句，在西晋司马彪的《续汉书》中是两句：“下有蟾蜍承之”和“蟾蜍张口受丸”。这样很明确地表达出：蟾蜍既是尊体的器足，又能张口受丸。

根据新发现的史料，地动仪的外形基本可以确定下来。最艰难的内部结构设计随即开始。地动仪要工作，科学参数必不可少。如果说外形，还有文字描述，内部结构的科学数据，又该到哪里去寻找呢?“寻找”地动仪参数

冯锐：科学复原的一个要害是什么呢?是必须定量。我们必须从史料当中去读出定量的信息来。如果都柱悬挂，这样的高度，它的周期是多少呢?应该是在1.4秒到2.7秒之间。我们再看地震波，陇西发生地震到了洛阳台，这个波动的周期，是在1秒到10秒这个范围里头。好，说明这个仪器它的固有周期跟地震波是吻合的。

科学复原地动仪，必须以地动仪测出的陇西地震为标准，推算出设计仪器需要的定量参数。以往地动仪复原的最大困难，是考古学者不了解地震仪器参数，地震学者不熟悉史料记载。这一次，冯锐必须站在两个学科的交叉点，一点点打通古文记载和科学参数之间的关联。

冯锐：史料说，“地动摇尊”。好，那显然观察到、看到它摇晃了啊，如果它没摇晃，你怎么写“地动摇尊”呢?

主持人：那么大的东西它要动起来?

冯锐：要动起来，起码得有2到4毫米，你才能看得见。好，这个地面的运动幅度我大体知道了吧?

主持人：那房子不塌呀?

冯锐：不会的。因为它周期很低，低周期，房子并不会倒，而且人可能清宫没有感觉，地震波就是这个样子。

参数还不够，“果地震陇西”，它记录了陇西地震，这是一个非常重要的实证材料。必须把震中位置，大体的位置要搞清楚。

“后数日驿至”，数日，过了几天，骑马的来了，这还没准确。数日是几天啊?三五天的时间，“驿至”，驿马的速度多少?“日行三百”。除了打仗以外，皇帝的诏书也得“日行三百”，等于一百五十公里。大体距离就是六百公里。这个距离呢，恰恰就是天水附近。

在这段陇西地震的记载中，地震学家推算出了复原地动仪所必须的定量参数。然而有了这些定量数据，才只是从理论上证明张衡地动仪有可能被科学复原。真正的结构设计中，难题很快出现：

地动仪最重要的内部结构就是都柱。史书记载，都柱感受到地震波，发生共振，引发地震方向的龙头吐丸，其余七个龙头并不动。可是远隔几百公里，人都没有感觉的微弱地震波，它是怎样感受到的?在东汉那个时代，又是如何做到这样稳定而准确地触发呢?

施关发机

冯锐：刚开始我们就认为，简单地挂起来，撞就可以了。但是做试验发现这是不行的。地震波这个量非常小，晃动的动量非常小，让它推动是不可能的，做不了的。

这样重新读古书。读着，读着，慢慢发现，这里头的文字还是没有理解，张衡的思想跟我还有很大的距离。我要理解张先生他的设计思想怎么回事。

史料中关于地动仪如何工作的描述，只有四个字，“施关发机”。根据这句话，冯锐在都柱上设计了八个方向的凸起，直接触发龙头吐丸。可是远隔几百里传来的微弱地震波，动量太小，无法让都柱摆动。就算都柱能动，八个触点相隔45度，都柱运动的惯性也无法做到“一龙机发，七首不动”(图4)。

“施关发机”不能解决，地动仪动不起来，意味着复

原失败。

冯锐：这时候忽然感到，怀疑一个问题还没有理解，“施关发机，机关巧制，皆隐在尊中”，史料是这样写的。机关就是机关，机关就是结构，原来就这么理解。实际不是这个意思。后来我们一分析，“施关发机”，机、关，是两个东西。然后“机关巧制，皆……”，“皆”是复数。所以“机关巧制”不是一个东西，是两个东西，是复数。

主持人：对，“皆”是“都”的意思。

冯锐：“都”要“巧制”。这样，“关”就是另外一个东西。是什么东西?“关”就是门闩，“关”这个小东西它控制门的开和关。

古人为解决物体运动的动量不足，常常采用小的触发机构来放大动量，这个触发机构就叫作关；同时，从古汉语专家那里，冯锐又得知，关还有大路交汇处的意思。关口和门闩，这和地动仪有什么关系呢?

冯锐：它是一个非常小的东西，但它控制了两扇大门的运动，它是个触发机构，应该是这样一个东西。这个理解对我们非常要紧。这使我们感觉到，张衡在发明地动仪的时候，他做了一个很重要的科学贡献，就是他用了触发机构。地震波非常弱，它先触发一个小东西，然后再让它工作。

原来，地动仪能准确验震的最大秘密就在于这个灵敏的触发机构——关，它是一个小的铜球，夹在都柱与下方一个极小的锥形台之间。地震方向微弱的地震波传来，都柱和尊体发生相对位移，小球便会脱离都柱，滚落滑道，滑道尽头则是连接龙头的杠杆结构——机，小球触碰到机，机发则龙口吐丸(图5)。这样的设计思想，精密、科学，简单有效，完全可以在东汉那个时代实现。甚至在今天，它依然被我们广泛应用着。

冯锐：这段文字很可能是张衡写的。它太专业了，太准确了。一定是设计、干过这个工作，测量过地震的人，才能这么准确，这么简练，这么精辟地写出来。

主持人：听说外界还有质疑，而质疑的关键点就在于史书上说的陇西地震。

冯锐：对，几乎从清朝开始，就说张衡地动仪反应的是公元138年2月28日那次陇西地震。随着研究工作深入，很多人把史料拿出一看，不对：138年这次地震，在京师洛阳是有感觉的，而且有破坏现象出现。可是史书记载地动仪反应陇西地震的时候，京师人是没有感觉的。这不就矛盾了吗?

《后汉书》记载的陇西地震，在京师洛阳，人没有感觉。而长期以来，大家认为张衡地动仪测出的138年陇西地震，在史书记载中却是京都有感。被张衡地动仪测出的“地不觉动”的陇西地震在哪里呢(图6)?

冯锐：我们根据三本史料定的东汉地震：司马彪的《五行志》、袁宏的《后汉志》、范晔的《后汉书》。通过对比发现，前两个人的著作当中，在他们写张衡地动仪的时候都没有讲陇西地震。恰恰是范晔在《后汉书》中增加了4次地震，比前两个人多4次，其中一次，公元134年12月13日，这次地震以后引起官员的撤职，接着后来张衡走下坡路了。这样我们发现，是这次地震。

在张衡那个年代，地震被认为是上天惩戒皇帝用人不当。发生地震后，就会有高官被撤职。在范哗的《后汉书》中，详细记录了134年地震后，朝廷高官被罢免的事件；这与记载中地动仪测出“地不觉动”的陇西地震时间最为接近。冯锐由此推断，134年地震就是那场令地动仪名声大振的地震。

冯锐：明确是134年的地震，地点天水附近，震中距是600公里，洛阳烈度5到4度，加速度控制在2个Gal(伽)，位移量控制在4个毫米，这样才是地动仪反应地震的正确标准，这些必须搞准确。我们再用这样的标准量来进行地震模拟，用计算机控制振动台，我们拿这个检验，完全正确，在地震波的方向吐丸正确(图7)。

主持人：当时一定很高兴。

冯锐：很高兴，但是还不够，还要拿真实地震验证。我们选了很多，比如唐山的强余震，越南的地震，也让它动，都能正确反应。

还要抗干扰检验。没有地震，在实验室观察了两个月时间，人走，汽车走，汽油桶跌落，人都感觉很明显了，两个月没有一次触发，那是抗干扰。是地震一定有反应，不是地震不动。它要动一定是地震引起的，不是地震不动，这就是验震器，张衡的伟大在这个地方。

两年多的复原过程，仿佛是冯锐和张衡相隔1800年时光的对话，从悬垂摆原理的确认，到最后验震实验的成功，冯锐向世人证明了这个世界上最早的验震器绝非神话，它真实地存在过，工作过(图8)。

可是这样精密、科学的仪器，为什么、会像流星一样，只留下了短暂的光辉后便悄无声息了?

闪烁的星光

冯锐：132年发明地动仪，133年京师发生地震，这次应该是有感的。地震以后引起高官撤职，三公九卿中的两公，司徒、司马，庞参、王龚被撤职，地震以后马上撤职，因地震撤职。地震以后皇上把张衡提升，不要当太史令了，当侍中，当我的参谋。官很高了，年俸从600石提高到2000石，工资也提高了。134年又发生陇西地震，皇帝就直接问张衡，你说谁是坏蛋，应该把他撤职，上天给我警示，说我用人不当，谁是坏蛋我要把他撤职。群臣怒目而视，都盯着张衡。撤谁呢?张衡只好不吭声。接着众宦官“恐终其为患”，张衡迟早是祸害，“共谗之”，整个朝廷都骂张衡。张衡很被动了，又有人被撤职以后，张衡马上上书：我当不了侍中了，我还回去写历史吧。到136年被赶出京城，到河间，同时把因为地震撤职的庞参和王龚官复原职。

公元134年的陇西地震，是张衡生平的辉煌顶峰，也是他悲剧的开始。当自然现象和政治斗争结合在一起，就算是天才的张衡也无法解释，频频发生地震究竟是谁的错。根据现有史料，公元132年，地动仪问世，在133年和134年成功测震之后，便退出了历史舞台，没有人希望看到地动仪再测出地震，这个科学仪器已经成为那个时代的不祥之物。公元139年，张衡郁郁而终，地动仪也毁于战火之中。

主持人：可惜张衡地动仪这套东西没有流传下来，没有惠及子孙。

李先登：但《后汉书·张衡传》等记载了地动仪的基本原理，这个原理毫不夸大地说是我们近现代地震仪器的鼻祖，后人在张衡思想，和他的地动仪的影响启发之下，才研究出近现代的记录地震的仪器。

冯锐：张衡地动仪狭义的作用是此较短暂的，在发明后起到作用，辉煌确实有限，以后失传了。但是科学技术的发展和继承，不是完全靠实体，而是靠理论、靠观点、靠实践。地震学鼻祖米尔恩看了《后汉书》，给他极大的启发。他讲，全世界第一个有记载的仪器是中国人张衡发明的。他和艾维设计了全世界第一台地震仪，一个大架子，和张衡地动仪思路，科学结构是完全一样的，都是悬挂起来，它用下面的沙子记录(图9)。他为现代地震学奠基。而在科学起步阶段，他受到张衡地动仪的思想启迪。

毫不夸张地说，张衡地动仪正是现代地震学得以发展的基础。重新复原地动仪，不仅回答了国内外的质疑，也重现连接起这些失落的环节，让张衡和他的地动仪获得新的生命(图10)。

李先登：我们馆的王振铎老先生，他当年复原这个，对于宣传咱们中国古代科技成就，有积极的贡献。历史发展、学术进步，50年以后，我们根据新的研究、新的资料，对这个问题有了新的认识，提出新的复原方法。再过五十年，也许后人又会根据他们的研究成果，根据他们的资料积累，又会进行更新的复原，这样我们一步一步更接近汉代张衡地动仪的历史实际，这是学术发展的一个必然过程。

1800年前，龙珠的铿然之声，被湮灭在一场政治斗争中；

目前，重新复原的地动仪正在进行外部造型的艺术处理。