候風地動儀

東漢·張衡

古羅馬的西塞羅說：“一個人不了解他生下來以前的事，那他始終隻是個孩子”！

候風地動儀，曾一度被懷疑是中國古代僞造的一種檢驗地震的技術儀器。不僅被國外的科學大咖們懷疑，甚至也被國人所懷疑。那麼，它究竟是不是僞造，這種儀器到底能不能監測地震活動？今天，異國志就和大家聊一聊與此相關的話題。

1，閱讀指引

2.我們丢掉了很多東西

我們必須要承認，歐洲是近代科學的起源地。但同樣不能否認，中國古代建立起的四大學科——天文學、算學、農學和醫學，形成了中華民族獨特的科學體系。中國古代的技術發明幾乎遍布各個領域，其成果之多、技術之精湛，長時間内遙遙領先于世界。中國人的智慧和創造力，對整個人類社會發展進程所作出的貢獻，遠遠超出了我們當代國人的想象力。

然而，有部分人對于中國古代科學技術的發展成就及其真實性，抱有懷疑态度，他們要麼認為許多科技成就都是曆史僞造的，事實上并不存在。要麼則認為，很多古代中國科技發展的成就都是由西方輸入促成的。

1990年德國的《法蘭克福彙報》刊登了題為《西方的許多發明歸功于中國》的文章，其中的這段話或許如實反映了部分人的思想現狀。“有許多對世界發展起過重要作用的革新和發明來源于中國，隻不過歐洲人對此沒有深入地去了解過，甚至中國人自身也忘記有些東西是他們首先發明的”。

我們之所以會忘記過去的輝煌，或許是不想記起曾經的落寞！

例如關于人體血液循環，中國人早于西方兩千年就有了初步系統的認識。中國人在2500年前就開始系統地觀測太陽黑子的活動，而西方直到1610年，伽利略才首次觀測了太陽黑子。包括機械時鐘，很早以前也是由中國人率先發明，卻又經過西方的傳教士再帶回到中國的。

如果我們隻是記住了指南針、造紙術、火藥術和印刷術，顯然是不夠的。中國的曆史文化之豐富，遠遠領先于世界。而對中國文化的傳承，是否又能領先于世界呢？如果做不到，那我們早晚會把祖先留下的寶貴财富丢得一幹二淨，我們不僅會把具體的、感官的文化遺産丢棄掉，甚至會在思想上，信念上把中華民族的文化精髓丢棄掉。

3，為什麼很多人認為“候風地動儀”并不存在？

在今天的學術界和普通網民中，仍然有相當一部分人對候風地動儀是否出現過，抱有懷疑的态度。有人甚至直接指出，這項發明就是曆史僞造，中國古代壓根就沒有發明這種先進的儀器。關于國内為何會形成這樣一種認識，大緻受到以下三方面的影響：其一是，西方主流科學家對候風地動儀工作原理的批評質疑。其二是，科學家對候風地動儀複原後，儀器效果不理想。其三，很多網友并沒有理解史書上關于候風地動儀的古文字記載，誤會了這個儀器的具體功能。

下面，我先從網友對史料記載的“風候地動儀”的一些概念上的誤解，做下梳理和解釋，也方便大家對這個中國漢代的高精尖技術有個大體的認識。

史料原文

原文關鍵信息提取 ↓

結合原文和上面這張說明圖，我們大體就理解了候風地動儀的主要結構和具體功能，很多網友之所以質疑這個儀器的真實性，大多誤認為張衡發明的這個地動儀能夠提前預測到地震的發生，實際上，哪怕是利用現代最先進的技術，今天的科學家也不可能精準地預測地震發生的地點與時間。

簡單的一句話概括就是：張衡發明的地動儀隻是一種驗震器，是在地震後發生後，确定其大概出現在哪個位置的一種儀器。

下面，我們再聊一聊西方科學家對張衡發明候風地動儀這一曆史問題的态度。西方質疑候風地動儀的科學家有很多，他們懷疑的主要原因來自兩方面，一方面，大多西方科學家無法貼切地理解古代漢語對候風地動儀工作原理的陳述，另一方面，他們認為候風地動儀這種儀器如果有效，後人卻為何不再仿制，史料上也完全不再記錄。

美國波特蘭地鐵站撰刻的世界最著名科技發明中有“地動儀，公元132年”

圖片來源：2014.9《科學》雜志 66卷5期

奧地利的雷立柏認為: 張衡地動儀的科學價值非常有限, 徹底失傳的儀器與地震學的後來發展毫無關系, 而且《後漢書》的記載不一定可靠, 中國人把張衡地動儀視為“國寶”和“國粹”, 它更多象征着一個向往( desideratum) , 而不是代表一個完滿的實現( fulfillment) 。即使沒有張衡的地動儀, 世界科學史也是一樣, 沒缺少什麼。張衡若沒有制造他的地動儀, 18 世紀和19 世紀的法國人還會照樣地發明他們的地震儀器, 他們在理論或技術上都不賴張衡。

Qian 認為:地動儀的科學成就很值得懷疑, 它不屬于一個真正的科學, 失傳的根本原因是沒有達到科學的要求, 是中國科學停滞特點的典型表現, 沒有給後人科學的靈感使他們模仿或重造, 更沒有引起别人改進它, 利用銅丸掉落來确定震中是錯誤的。

西方質疑中國古代不可能發明出地動儀，是因為他們對中國古代科學技術發展史缺少一個整體性的認識，更加上西方現代文明在某些方面看上去要更先進一點，他們自然不會接受一個相對落後于西方的古老文明，其科技水平曾遠遠超過他們一兩千年的事實。更不願意承認現代西方文明之所以能發展到今天，有一部分原因是接受了東方古老文明的啟發。

國内外科學家對候風地動儀展開的複原工作，也是一波三折。在這項儀器複原工作上邁出第一步的是日本人服部一三，于1875年把《後漢書·張衡傳》裡關于候風地動儀的文字記載變成了猜想圖形。其後,1883年米爾恩(ＪｏｈｎＭｉｌｎｅ,1850—1913)、1917年呂彥直(1893—1929年)、1936年王振铎(1912—1992年)、1937—1939年萩原尊禮(1908—1999年)和今村明恒(1870—1948年)都提出了自己的模型,王振铎在1951年制成了木質的展覽模型。

下面我們來聊一聊關于候風地動儀複原工程的話題，這個古代發明之所以飽受各界質疑，一方面是其複原理論建設的滞後、不确定。還有就是複原儀器的驗震效果不理想，與史料有較大沖突。本節可能是全文最枯燥的一小節，但也可能是最有趣的一小節，誠邀您耐心讀完，一定有所收獲。

首先向大家介紹下王振铎制作的模型，該模型從一開始出現，就受到當時各界的高度關注，甚至被選入了教科書。然而在1976年唐山大地震時，王振铎的模型并沒有準确反饋地震的信息而受到國内外的質疑。在此之後，科學家、曆史學家重新在史料文字及物理學的範疇内展開二次研究，并提出了新的模型理論。也有一部分學者對王振铎的模型進行了優化，且改良後模型的實驗數據逐漸接近了目标。

我下面為大家簡單介紹以下三種主流的，關于張衡候風地動儀的還原模型：

1，以王振铎為代表的立杆式地動儀模型及其設計原理

王振铎站立杆式地動儀還原模型

圖片來源：馮銳．武乇霞，朱濤．地動儀的史料和模型研究[J]．自然科學史研究，2006．2s(增刊)：34—51．

王振铎先生作為考古學家，對候風地動儀的複原工作缺乏一些必要的理論知識。他更擅長于對儀器外型、材質、藝術造型上的一些複原工作，但與驗震儀器相關的物理學、數學知識，王振铎先生是不擅長的，這也是他所設計的這種立杆式模型無法達到預期功能的主要原因。

王振铎先生的候風地動儀還原模型中，最大問題出在了《後漢書》“都柱”的還原設計上，按照史料上的記載，當隴西有地震時，安放在京師的地動儀已經感知到了地震的發生，當時京師洛陽與隴西相隔約800公裡。王振铎設計的地動儀模型的中間“都柱”，即立杆由于橫截面過粗，根據已有的方程式計算，這樣的立杆是無法對如此微弱的地震波做出反應的。

震中與洛陽的經緯度地圖

圖片來源：隴西地區地震的等震線分布圖 ( a) 1718 年6 月19 日甘肅通渭南地震, ( b) 1879 年7 月1 日甘肅文縣地震

按照王振铎的模型，1976年發生在唐山的大地震烈度必須要達到10級以上，位于北京的候風地動儀模型才能做出反應。而唐山與北京的直線距離僅有180公裡。而且，這種立杆式的地動儀，即使感應到了地震波，且做出反應，但由于立杆傾倒的方向是随機的，并不一定與震中位置對應，所以，王振铎模型被當時的學界和民間一緻否定掉了。

關于王振铎模型設計的原理，則要提到日本兩位專業地震學家萩原尊禮和今村明恒，正是他們的直立杆原理給了王先生啟發，萩原尊禮和今村明恒通過計算地震波的運動方向和慣性力與立杆的關系，推算出立杆的高徑比至少要達到1：40，也就是說，按照《後漢書》上直徑為1.848米的候風地動儀設計标準來看，立杆長度最短不應短過1.8米，而立杆直徑必須小于4.5厘米。

然而随後的東京大地震徹底推翻了這一設計，萩原模型并沒有準确指出震中位置，而且立杆傾倒的最小加速度為11.9ga，遠達不到後漢書記載的從隴西到洛陽這段距離，儀器感知地震波時所受加速度的阈值要求。

萩原模型和王振铎模型（傳統模型）對于地震波的感知反應

圖片來源：關野雄.張衡の候風地動儀にぉけゐ都柱の原[Ａ].東方學論集·東方學創立二十五周年紀念

2，馮銳懸垂擺模型：另外一種具有代表性的設計，是由馮銳團隊提出來的懸垂擺模型理論。這種模型與直立杆模型最大的區别在于把直立于模型底部的立杆改成了懸挂在模型頂部的墜體。這種模型的最大優勢是比較貼近古代科技水平的發展程度，也符合古人總結自然經驗的習慣。這種靈感來自于漢代的測定風向的儀器，這種儀器同樣用垂挂的方式來測定受力方向，而且實現手段簡單，也與“候風地動儀”中候風兩字非常巧合的雷同，從一個側面印證了馮銳的理論。

馮銳團隊設計的懸垂擺候風地動儀，借鑒了王振铎早期懸垂擺模型

圖片來源：馮銳．武乇霞，朱濤．地動儀的史料和模型研究[J]．自然科學史研究，2006．2s(增刊)：34—51．圖片中注明的“倒立擺”實際上是一種概念性的誤解，後來學者已經對此修正。

馮銳的還原模型主要理論是利用懸挂的方式，最大程度提高儀器的靈敏度。懸挂系統能放大地震波中瑞利波的感應烈度，從而提升懸挂系統的最小加速度。據馮銳推算，當年隴西的地震烈度達到3級時，處于洛陽的候風地動儀懸挂系統的加速度就能達到加速度為0.3 ～ 0.6cm/s2 ,這個加速度是完全可以推動模型運作的。

瑞利波顯示在綠框中

國家地震局地球物理研究所, 1991, 中國地震年報( 1987) , 北京:地震出版社。

馮銳團隊提出的懸垂擺模型盡管在最大程度上支持了張衡“候風地動儀”的理論可行性，但仍然遭受了大量學者的批評。首先，懸垂擺的運動模式是平行于地震波水平方向進行運動的，也就是說，當地震波從西向東傳過來的時候，懸垂擺會做東西方向的運動，瑞利波的波峰與波谷所産生的加速度并不能很好體現在懸垂系統上，需要阻尼系統來進行控制，（漢代即使有阻尼系統，也不可做到如此精确），這極有可能會導緻東西方向的兩個龍首相繼吐出銅丸，這與史料中記載的隻有一個龍首吐丸，其餘七個不動相違背了。

其次，懸垂擺是懸挂于模型頂部的，而我在文章開頭部分的圖表中已經重點标出了一個核心信息，即候風地動儀的上部是一個可以移動的蓋子。其受力方向是與儀器不一緻的，隻有一種可能，馮銳必須把蓋子放在底部，上部受挂點必須與儀器作為一個整體，隻有這樣才能準确反應瑞利波的方向。這與史料也是相違背的。

其三，史料中所說的“都柱”，無論是古代漢語還是現代漢語，沒有一種柱是懸挂式的。這與現實相違背。因此，盡管馮銳的理論非常接近了候風地動儀的主要功能，但依然存在相當大的漏洞，同樣飽受質疑。

3，胡甯生改良直立杆模型：在馮銳模型受到懷疑的同時，另外一種對王振铎模型改良的理論開始出現，無論是在功能實現還是匹配史料記載上，都取得了突破性進展，下面為大家大緻介紹下這種模型的原理和功能實現方式。

改良後的直立杆式候風地動儀模型

圖片來源：《張衡地動儀立柱驗震的複原與研究》胡甯生（中國科學院南京天文光學技術研究所， 南京2１０００８）

胡甯生對王振铎模型提出的突破性改良，其關鍵變化在于對史料中“都柱”的理解上，在王振铎模型中，如果想要測出800公裡以外隴西的三級烈度地震，而直立杆的高度必須控制在1.8米以内的話，那杆的直徑隻能為1.5毫米。先不論東漢時期是否能生産出如此細長的銅柱體，即使生産出來，也是絕無可能将其站立住的。

如上圖所示，胡甯生創造性的（也可能是張衡率先創造）将直立杆底部接觸面改小，讓整個直立杆形成一個頭重腳輕的錐形體，提高了整個直立杆的重心，極大提升了直立杆對瑞利波的敏感程度，從而可以達到馮銳模型同樣距離的驗震效果。

而如何解決直立杆傾倒在震中方向呢？胡甯生的應對方法是在直立杆的四個面增加配重，當瑞利波剛剛傳到直立杆上時，配重會首先增加這一面的加速度，從而可以準确地傾倒在傳播源的位置。

胡甯生的改良直立杆驗震原理

圖片來源：胡甯生：張衡地動儀立柱驗震的複原與研究

盡管胡甯生的設計方案以及實驗模型成功實現了候風地動儀的功能，而且所采用的技術手段也能夠在東漢時期相對容易的實現，但也因為史料上隻有短短的兩百來字，我們根本無法印證東漢時期的張衡是否也采用了此種方式成功驗震。

4.總結

從三種不同模型以及原理上來比較分析，至少可以得出以下兩點結論：1，張衡的候風地動儀原理，可以結合現代地震學知識及數學方法的精确計算下得到證明。2，現代人完全可以依照東漢時期的工藝水平複原候風地動儀。

但問題在于，我們所複原的地動儀模型，得不到史料的充分證據支持，但值得說明的一點是：我們完全沒有理由去懷疑曆史造假一說。因為《後漢書》的作者、包括其他有關于候風地動儀記錄的《續後漢書》、《鼎錄》作者，他們沒有任何造假的動機。同時，作為曆史記錄者的他們，也不具備憑空編造出候風地動儀的能力。

我認為，候風地動儀是真實存在過的，也極有可能如史料記載的那樣，實現過驗震的功能。生活在兩千前中國東漢時期的張衡，已經率先邁出了人類探索地震原理的關鍵一步，他的精神以及他設計發明的候風地動儀，代表着古代中國人的高超智慧、對科學技術的崇高追求，更加說明了中國近代科技水平的落後終究是暫時的，憑依着中華民族的優秀潛質，我們遲早能再次領先世界。

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