现代人为什么不能成功复原张衡地动仪

现代人为什么不能成功复原张衡地动仪

张丽芳

北京市防震减灾宣教中心 北京 100000

摘要

为了理性地看待中国古代科学在世界文化中的地位，弘扬中国优秀的传统文化，深入了解有关“张衡发明地动仪”的真实性和科学性方面的真相，以及地动仪复原工作的相关情况、存在困难及可能原因，作者广泛查阅史料，大量阅读相关文献，收集国内外最新研究成果，结合多年工作经验，进行了深入分析和专业性的解读。认为：东汉时期的科技水平和地动仪的神奇功能，都超出了常人的认知和想象，这是地动仪备受质疑的主要原因。至今尚未成功复原张衡地动仪，不仅因为年代久远、史料不详、缺乏出土文物，还因为现代很少有人在学识的全面性和机械设计、动手能力诸方面能与张衡相比，并且缺乏脚踏实地、心无旁骛的工匠精神。

关键词: 地动仪 复原 探究 科技成就

Why can't Modern experts restore the Zhang Heng's seismograph successfully?

Abstract

It is very important to give an objective view to the position of ancient Chinese science in world culture and carry forward China's outstanding traditional culture. On the basis of the latest research results about the Zhang Heng’s seismoscope, a lot of historical and modern related literatures were accessed extensively. The truth about the authenticity and scientific nature of Zhang Heng’s seismoscope are recognized. The difficulty about the seismoscope restoring is understood profoundly. The ancient science and technology was so developed. Zhang's knowledge was so rich, and his talent was so high. The function of the seismograph was so magical and powerful. All of these facts are beyond the ordinary people’s imagination. Up to now, the Zhang Heng's seismograph is difficult to be recovered but absurd to be denied. It is not only because of its long history, unknown historical data and lack of unearthed cultural relics, but also because few people in modern times can compare with Zhang Heng in comprehensive knowledge, mechanical design, and hands-on ability. The lack of down-to-earth and single-minded craftsman spirit is also one of the reasons.

Key words: the Zhang Heng’s seismoscope; restore; explore；Scientific and technological achievements

0 引言

谈到我国古代科技问题的时候，人们常常会提到汉代张衡创制的地动仪。它虽没有被列入中国古代的“四大发明”，但是它在名气和影响力方面毫不逊色。它被认为是“所有地震仪的鼻祖”，对西方学者创制现代地震仪起到重要的思想启迪作用。然而，从古至今，人们对张衡地动仪的功能和真实性，一直存在争执和质疑。当然，即使持怀疑态度的学者，也倾向于认为：“它是古代天才人物根据对地震一定程度上的正确认识而设计出的有合理性的机械装置。”【1】

最迟从宋朝开始，就一直有学者研究复原张衡地动仪，但是从来没有真正成功过。到目前为止，所有的“复原”成果都存在明显的不足，功能距史料的描述相差甚远。于是，有人认为张衡地动仪只是一个编造的谎言，历史上根本就不存在。

为了探究真相，消除历史误解，作者广泛查阅史料和文献，收集国内外最新研究成果，深入分析思考，对现代人最为关心的有关张衡地动仪的几个问题进行了探讨。作者提出，难以复原不该成为否定张衡地动仪的理由。“行有不得，反求诸己。”除了强调年代久远、史料不详、缺乏出土文物等客观原因，现代人还应多从自身寻找不能成功复原张衡地动仪的原因。本文对于人们更全面地了解张衡地动仪、更客观地认识中国古代科技水平，宣传古代中华文明的成果，乃至树立文化自信，反对历史虚无主义，倡导工匠精神，具有一定现实的意义。

一、张衡地动仪的神奇功能超出了很多人的想象

张衡地动仪发明于东汉第七位皇帝汉顺帝刘保执政时期的阳嘉元年(公元132年)，当时张衡任太史令，这也他在太史令任上的最后一项突出成就，也是他一生的最后一项重要发明。由于张衡地动仪是一个设计非常巧妙高明的科学仪器，没有地震等相关专业知识的人，几乎无法了解它的真正奥秘，更无法判断它的科学价值甚至有人怀疑它只是一种摆设。其实，地动仪的神奇功能超乎了很多人的认知和想象。

根据南朝的范晔在《后汉书•张衡列传》中的记载，地动仪以精铜铸造而成，圆径达八尺，外形像个酒樽，机关装在樽内，外面按八个方位各设置一条龙，每条龙嘴里含有一个小铜球，地上对准龙嘴各蹲着一个张口的蛤蟆。当某个一个方位的地方发生了较强的地震时，樽内相应的机关会被触发，使处在相应方位的龙嘴张开，龙嘴里含着的小铜球落到地上的蛤蟆嘴里，发出响声。这样，观测人员就知道什么方位发生了地震。经过实际地震的验证，非常灵验。

除《后汉书》外，还有《后汉纪》等好几种史料中都记载了张衡地动仪，核心内容都大同小异。根据这些文字记载：张衡地动仪不仅能准确探测地震的发生，还能准确指示地震来向。这是相当了不起的。

1. 地动仪具有足够的灵敏度和抗干扰能力。

要想准确探测地震的发生，也就是具备验震器的基本功能，必须满足两个基本条件：一是不能漏报——有一定影响的地震发生，仪器就必须要有所反应。也就是说，地动仪必须具备感受地震波、放大地震波能量，使都柱产生相应反应并促使铜丸吐出的能力。二是不能错报——没有地震发生，即使附近有较大的振动和干扰，仪器不能出现反应，铜丸不能掉出。

这一方面要求仪器要有一定的灵敏度（涉及对地震信号的放大技术），能捕捉到地震所引发的特殊地面运动，并发出警报；另一方面要有足够的稳定度，或者说是抗干扰能力（涉及对地震信号的识别技术），要能识别出哪些是非地震性的干扰，在复杂的外界干扰下要能保持稳定。

根据文献记载，张衡地动仪准确探测到了发生在数百公里之外的、洛阳人感觉不到的地震（估计烈度在Ⅲ度以下），说明它是非常灵敏的，没有出现“漏报”的情形。依靠纯机械结构的设备，能捕捉到如此远距离的地震信号，肯定是采取了非常了不起的特殊巧妙办法。

在仪器放置处附近打雷、狂风、人们放鞭炮、载重车辆通过、墙倒屋塌等等，都可能引发一定的振动。地动仪一定要能识别出这种振动和天然地震的区别，不去“理睬”，否则，就会出现“错报”。根据史料，地动仪没有发生过被误触发的情形，否则就称不上“验之以事，合契若神”了。

张衡的发明曾经为19世纪末现代地震仪的诞生起到重要的思想启迪作用。【2】【3】古人已注意到了地震引起的震动是以地表的水平运动为主，这是非常特殊的，完全不同于其他人工活动和天然事件造成的运动——车马行进、燃放爆竹、山体崩落、矿山塌陷，打雷等等非地震的震动，造成地面的运动以上下颠簸振动为主，几乎不会引起的地表的水平运动。张衡地动仪设计的巧妙之处，在于只对水平运动有反应，对垂直运动的影响不敏感，因此可以验震。【4】这主要是通过“都柱”以某种特定的方式“施关、发机”来实现的，这里面一定包含尚未发现有文献记载的信号放大技术。汉代人对共振原理已经有较多认识并应用到实际生活中，张衡也许就采用了类似古代鱼洗一样的放大振动效应，这也是地动仪成功测震的一个极为关键性的技术措施。这也正是张衡地动仪的独特构思和巧妙设计之处。

2.地动仪具有准确指示地震来向的功能。

《后汉书·张衡传》和《后汉纪》都明确记载，地震发生时地动仪的反应是“一龙发机而七首不动”。也就是说，通过查看铜球掉落的方向，可判断出地震发生地的方向。然而，有学者对此持怀疑态度，认为“这种能准确指示地震来向的地动仪在历史上很可能并不存在”。【5】因为现代人需要使用3 台以上的地震仪所作的记录来确定震中的位置，而且要有准确的时间记录。假如只有一台地震仪，想确定震中的方向，不仅要记录纵波震动方向，还必须判断出纵波的垂直分量是向上还是向下。【6】。根据现代人掌握的地震科学和机械科学的专业知识，若只有单独一个拾震器，很难实现测定震源方位的功能。张衡地动仪具有准确指示地震来向的功能的确是非常神奇、甚至是“不可思议”的。张衡很可能掌握了某些现代学者所不能理解的知识或原理；或者，他非常幸运地碰巧采用了某种特别有效的方法。或者，他的阴阳学知识和易学知识碰巧发挥了神奇的作用，正好符合探测地震波的条件。因此，有学者指出：“其设计思路却有能测到地震方向的必然性。【7】不管怎么说，在有足够史料记载的前提下，又有技术上的可能性，仅仅根据现代人不能复原具有能够准确指示地震来向功能的地震仪，就怀疑张衡曾经做到过，显然显得有些轻率和武断。

3.对惯性原理的巧妙利用具有开创性。

张衡开创了人类使用仪器观察地震的历史。张衡地动仪不仅博得当时人的叹服，就是在今天的科学家看来，其构思之巧妙，制作之精密，功能之强大，都是超乎想象、自叹不如的。难怪很多学者都怀疑它是否真的存在过，是否像史料记载的那么神奇。

张衡地动仪很可能是利用了惯性原理而制成，与现代地震仪的工作原理类似。在经过深入研究的基础上，被誉为“现代地震学之父”的英国学者约翰·米尔恩大半生用于研究和发明地震仪器，他在1883年率先公开承认：“人类第一台地震仪是中国人张衡发明的。”“除了是一项古老的发明，张衡地动仪更重要的价值在于，它的设计思路与现代科学仪器非常接近，张衡带给了现代学者很多有益的启迪。”【8】近年来研究复原张衡地动仪影响最大的学者冯锐指出：否认地动仪与现代地震仪器之间的关系是不公正的。【9】

地动仪研制过程中体现出来的对惯性原理的巧妙利用，比西方的伽利略早1400年以上，也是毋庸置疑的。【5】虽然它仅仅能粗略地判断震中的大概方位，但是，在约1800年之后，世界上才出现了其他具备类似功能的仪器。在赞叹中国古代科技成就之精妙的同时，我们不禁油然而生民族自豪感，张衡地动仪将永远是中国自然科学史上的骄傲！

二、张衡为什么能发明地动仪

张衡能发明具有如此神奇功能的地动仪绝不是偶然的，其中包含了很多必然的因素。 在地震频发、高层重视、社会需要、人才辈出、科技发达的大背景下，“约己博艺，无坚不钻”的张衡，依靠过人的学识和全面的技术，加上职务上的便利，经过多年的积累和探索，研发成功具有神奇功能的地震仪，完全是在情理之中的。

1.东汉科技高度发展，张衡生活环境优越。

张衡地动仪发明于阳嘉元年(公元132年)。此时，东汉的科技水平和生产力已高度发展。王充、王符、班固、蔡伦等大批思想家、历史学家和科学家顺潮而出，把东汉200年文化的发展推向了顶峰。1992年西昌出土了东汉永和元年铭文双鱼洗【10】，得到社会学界的广泛关注。然而，现代人即使掌握了流体力学知识，也很难解释清楚鱼洗的原理。【11】【12】东汉科技之发展由此可见一斑。

当时的科技发展为对张衡科学思想的产生奠定了良好的基础，当时的社会条件为张衡的科学活动提供了有力的保障，张衡的成就也为这个时代增添了难于磨灭的光彩。【13】

张衡的出生地是当时人才济济、文化氛围浓郁的南阳。他出生于世代官宦之家，从小有机会得到很好的教育。在青年时期广泛的游历中，张衡结识了不少名人大家，积累了丰富深厚的学识，培养了卓越的探索研究能力，为以后进行技术革新和发明创造打下了坚实基础。

《后汉书·张衡传》说他：“游于三辅，因入京师，观太学，遂通五经，贯六艺。”“善机巧”“善术学”“善属文”。张衡的成就，涉及天文学、地震学、机械技术、数学乃至文学艺术等许多领域。他因发明多种科学机具，享有“木圣”的称号；他还是东汉著名的画家之一。他一生的成事之多、成就之高，远非“地震之父”所能涵盖的。张衡堪称“世界史中罕见的全面发展的伟人”。【14】

2.张衡酷爱科学，具有职务上的便利。

张衡38岁时担任太史令，负责观察天文。这个工作正好符合他研究的兴趣，为他进行地震研究和研制地动仪提供了极大的便利。

张衡酷爱科学，一生致力于科学研究、科学观察和科技制造活动。设计出了记里鼓车、指南车、水运浑天仪等等许多与人们的生活息息相关、为民所用的器物。他的最后一项发明才是地动仪。根据史料记载，张衡浑天仪能和自然界的天球的转动非常合拍，相互对照，可见技术手段非常高。他后来制造的地动仪也应该具有相当的“科技含量”，绝不会徒有其表，无有其实，只能当“摆设”。否则，就根本称不上“仪”了。

恩格斯说：“一旦社会有技术上的需要，那么，这种需要往往会比十所大学更能推动科学的进步。”地动仪的发明，与当时的地震频发有直接关系。从汉安帝永初元年(公元107年)到阳嘉元年(公元132年)这25年之中，差不多年年有破坏性地震，有时一年两次。当时，朝廷非常迫切地想及时了解地震信息。而张衡所任的太史官，刚好负责灾异事件。他可以看到各地向朝廷上报的奏折，较充分地了解地震发生的情况。他还曾多次亲身经历和考察过地震灾害现场。根据自己丰厚的学识，张衡认识到地震是由远处一定方向传来的地面振动。因为他精通机械技术，设计和动手能力强，曾利用机械原理和齿轮的传动作用设计制造指南车、浑天仪等很多机械设备，这些都为设计“地动仪”奠定了良好的科学和技术基础。【15】所以，张衡发明地震仪，绝不是偶然的。

3.长期心无旁骛地探索，无坚不钻。

毫无疑问，张衡是我国古代最伟大的科学家之一。很多人都可能不假思索地把他的成就和成功归功于天赋、天才，却往往忽视他在取得这些成绩时所付出的艰辛探索和努力。实际上，天才也是需要努力和磨练的，“天才”、“家境”、“机遇”等特殊因素不能取代勤奋。不仅张衡的成就是长期不懈努力的结果，历史上任何辉煌成果的获得，都是长期心无旁骛地探索和钻研的结果。【16】张衡在《应间》中这样表达了自己的志向和追求：“人生在勤，不索何获”“君子不患位之不尊，而患德之不崇；不耻禄之不夥，而耻智之不博。”他是这样说的，也是这样做的。

张衡是有确切史书记载制造出指南车的第一人。那是他经过苦心思索、反复研究，费了3年时间才制出来的。在公元 117 年正式铸造浑天仪之前，张衡花了一年时间先做试验，亲自用竹片制作模型。试验成功后，才正式用铜铸造。

第二次担任太史令的 7 年，张衡只做出了地动仪一项发明。产生制造地动仪的设想后，他至少用了四年时间进行试验、设计、制模、铸造和安装调试等大量工作。可见他在科学研究方面用心之专，投入精力之大。这种工匠精神是非常难能可贵的。

三、张衡地动仪不能被成功复原的原因

张衡地动仪失传的确切时间目前还不是很清楚。张衡去世后，社会长期动荡。公元190年，董卓火烧洛阳，“二百里内屋室荡尽”。公元310年，洛阳又经历了永嘉之乱，刘曜率匈奴兵攻入洛阳，掘墓烧房。地动仪这时候很可能已经被毁了，就算是能侥幸从这两次浩劫中保留下来，最迟失传时间也不会超过东晋末年的418年。【17】

1.地震仪失传的根本原因绝不是因为功能有限。

张衡地动仪原件虽已失传，其构造原理到南北朝时(420年~589年 )还能被人记起。北齐信都芳撰《器准》和隋初临孝恭作《地动铜仪经》中，写出了地动仪的构造，还描述了它的图式和制作方法，但此时的记录已经不十分详细和精准了。那时，“复原”张衡地动仪就已经不太容易了。【18】

既然张衡地动仪在当时技术先进，能判定地震的发生和方向，为什么没有得到很好的保护，在那么短的时间内就失传了呢？有学者认为，“功能有限是其失传的根本原因”——政府所需知道的是地震具体地点及实情，以便采取善后措施，仅仅知道方向是不够的。【18】因此人们不再重视使用和保护它。这种推断是站不住脚的。“地动仪只能报灾，不能报瑞，难以迎合统治者的需要”【15】的推测未必可靠。地动仪失传，主要还是因为战乱和火灾——比如，185年黄巾军起义190年董卓火烧洛阳，都可能给地动仪带来毁灭性的灾难。虽然地动仪能够发挥一定的功能，但是，在战乱频仍的年代，人们已经顾不上保护它了。

为了实现“感受、识别、放大、传递”地震信号的一系列神奇的功能，张衡地动仪内部构造一定是精细而复杂的，即使张衡本人参与，制作一台地动仪，也需要相当长（比如一两年以上）的时间。为了发挥“施关发机”的正常功能，有许多齿轮之类的精密零件需要定期保养和维护。因为张衡几年后就去世了，其他人不太容易掌握张衡地动仪的核心技术。因此，一旦个别关键零件损坏难以修复，地动仪就成了摆设。即便没有在战乱中被毁坏，张衡地动仪也会因为年久失修而失灵，失去测震功能，逐渐被废弃直至失传。

2.目前所有的地动仪复原模型都不是很令人满意。

从19世纪70年代起，众多科学工作者开始根据《后汉书·张衡传》对候风地动仪开展复原研究，包括竺可桢、范文澜、李约瑟、王振铎、冯锐等近现代知名学者。【19】迄今，国内外比较著名的复原模型已经超过了20个。其中最具代表性的是王振铎的传统模型和冯锐最新模型。

王振铎先生1951年做出的陈列在中国历史博物馆(现中国国家博物馆)的展览模型（采用“倒立摆（直立杆）原理”）一度影响最大，且曾被全国各地大量“仿造”，但“竟然无一件具有验震器的基本功能”。【4】随着对王振铎地动仪模型的广泛宣传，外国地震学家也不断提出质疑【20】。一开始学者只是质疑王振铎所复原的地动仪不能发挥作用，后来逐渐开始怀疑张衡的候风地动仪是杜撰的，真实的历史中根本不曾存在过具备那种测震功能的仪器。

2005年由冯锐主持复原的地动仪（根据“悬挂摆原理”），先后通过了国家文物局和河南省政府的鉴定验收，是近十几年国内外产生影响最大的相关研究成果，仍遭到了不少学者的质疑。【21】【22】

总之，截至到目前，所有的“复原”成果，都存在这样或那样的不足，距史料的描述和学者的预期，还有相当大的距离。对此，《科技日报》（2018年1月15日）引用的学者评价是非常客观的：具有监测地震方向功能的张衡地动仪在历史上是真实存在的，只是目前还没能完成复原工作。【23】并且，根据以往的研究，可以预见，在未来成功复原张衡地动仪的难度也是相当大的。

3.后人不能科学严谨地复原张衡地动仪的原因。

国内外学术界在复原张衡地动仪时，学者依据的文献基本上都不超出范晔所撰的《后汉书·张衡传》的范围。其他相关史料，也没有提供更多的关键技术。【24】长期以来，年代久远、史料不详、缺乏出土文物一直是复原张衡地动仪的最大障碍。

19世纪以来，随着科技的进步，国内外地震仪器也得到不断改进和发展，已经由古代地震仪（验震器），经历机械杠杆放大地震仪、光杠杆放大地震仪、电子放大地震仪等时代，发展成了现代的反馈式地震仪、数字地震仪、网络化地震仪。为什么至今尚未成功地复原张衡地动仪呢？这的确是一个值得研究的非常有趣的问题。

张衡是一个“全面发展”的人物。即使在全世界范围内，也很难找到张衡这样的全才学者，没有向张衡一样“心灵手巧”的人。比如，考古学家和地震学家，往往没有绘画基础，设计图纸困难；或者不了解复杂深刻的机械知识，形成模型困难；甚至动手能力差，不能用实际验证自己的理论，等等。而善于动手的工程师，又往往缺乏地震学的专业的基础，或者不擅长研究理解史料。

现代学者和张衡时代的思维方式也不同，往往倾向于借助（声光电等）现代技术，实现某种功能；很难像张衡一样，缺乏很多技术手段，只能思考如何将机械的某些潜力发掘到极致，实现常人难于想象的功能。

必须指出的是，整体来说，绝对不能认为张衡地动仪的技术水平高于后世乃至现代的地震仪，它在当时是最先进的，甚至到18世纪仍是遥遥领先的；但是与现代地震仪比起来，在功能、效率、观测精度和稳定性等方面，缺陷也是很明显的，已经落伍了不止一两个时代。如今人们复原它，已经没有减灾方面的迫切需要。因此，某些专业顶尖人才，或许不愿或者没有机会参与研究；而试图复原地动仪者，所投入的精力和专注程度，可能远远比不上当时的张衡。最典型的实例是，王振铎在成功“复制”地震仪传统模型后，在几十年的时间里都没有做过任何严谨的科学实验，对仪器的功能进行验证和改进，只是发表了两篇论文。【4】其他研究和参与复原地动仪的人，所投入的时间和精力，很可能还比不上王振铎。

在手工技术时代，长时间的专注与投入是工匠必须具备的基本素质。随着时代的发展，机会和诱惑太多，人们已很难长年静下心来专注于一件事情或一样产品，精益求精地去琢磨，去打磨。可以说，时代缺少工匠精神，也是不能成功复原张衡地动仪的重要原因之一。

四、结论

张衡开创了人类使用仪器观察地震的历史。地动仪具备验震器的基本功能，能够指示地震的来向。地动仪构思之巧妙，制作之精密，功能之强大，都超出了很多人的认知和想象，所以不断有人对其真实性提出质疑甚至否定。有充分的史料证明：张衡地动仪的独特构思和巧妙设计是不容质疑的。并且，从专业和客观的角度来看，所有的怀疑否定都是站不住脚的。

张衡之所以能发明具有如此神奇功能的地动仪，有赖于他处于时代发达的时代，生活文化环境优越；张衡本人善于“机巧”，“通五经，贯六艺”，具有丰富深厚的学识和洞察、思考能力；曾担任太史令，具有职务上的便利；具有超强的动手能力，秉持“约己博艺，无坚不钻”的精神，长期心无旁骛地探索和实践。

除了年代久远、史料不详、缺乏出土文物，地震仪失传的主要原因可能是因为内部构造巧妙而复杂，维修和复制困难。现代人不仅学识和才能不如张衡全面，还可能是因为缺乏脚踏实地、心无旁骛、精益求精的“工匠精神”。

曾经让人“皆服其妙”的张衡地动仪绝不是徒有虚名，张衡和他的地动仪将永远是中国自然科学史上的骄傲。

参考文献

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22 郭元鹏，“张衡地动仪从课本删除”体现敬畏历史和科学态度[J].甘肃教育,2018(20):21.

23 李艳，张衡地动仪真伪引争议 你看到那个是“假货”[N]， 科技日报，2018年1月15日

24 刘剑飞，删除张衡地动仪是因噎废食[J].甘肃教育,2018(20):21.

作者简介：

张丽芳，高级工程师。毕业于中国科技大学地球物理专业。现于北京市地震局防震减灾宣教中心从事防灾减灾科普宣传工作。先后负责北京市财政项目6项，中国科协项目1项，承担中国地震局任务性项目3项，参加4部防震减灾科普教程读本的编写工作。

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