地动仪

汉顺帝阳嘉三年十一月壬寅（公元134年12月13日），地动仪的一个龙机突然发动，吐出了铜球，掉进了那个蟾蜍的嘴里。当时在京师（洛阳）的人们却丝毫没有感觉到地震的迹象，于是有人开始议论纷纷，责怪地动仪不灵验。没过几天，陇西（今甘肃省天水地区）有人快马来报，证实那里前几天确实发生了地震，于是人们开始对张衡的高超技术极为信服。陇西距洛阳有一千多里，地动仪标示无误，说明它的测震灵敏度是比较高的。

东汉科学家张衡

历史故事：

汉章帝在位的时期，东汉的政治比较稳定。到汉章帝一驾崩，继承皇位的汉和帝才十岁，窦太后临朝执政，让她的哥哥窦宪掌握了朝政大权，东汉王朝就开始走下坡路了。

在这个时期，出了一位著名的科学家张衡。张衡是南阳人。十七岁那年，他离开家乡，先后到了长安和洛阳，在大学里用功读书。

当时洛阳和长安都是很繁华的城市，城里的王公贵族过的是骄奢淫逸的生活。张衡对这些都看不惯。他写了两篇文学作品《西京赋》和《东京赋》（西京就是长安，东京就是洛阳），讽刺这种现象。据说他为了写这两篇作品，经过深思熟虑，反复修改，前后一共花了十年工夫，可见他研究学问的精神是很认真严肃的。但是张衡的特长还不是文学，他特别爱好数学和天文研究。朝廷听说张衡是个有学问的人，召他到京里做官，先是在宫里做郎中，后来，担任了太史令，叫他负责观察天文。这个工作正好符合他研究的兴趣。经过他的观察研究，他断定地球是圆的，月亮是借太阳的照射才反射出光来。他还认为天好像鸡蛋壳，包在地的外面；地好像鸡

地动仪

“候风地动仪”

据学者们考证，张衡在当时已经利用了力学上的惯性原理，“都柱”实际上起到的正是惯性摆的作用。同时张衡对地震波的传播和方向性也一定有所了解，这些成就在当时来说是十分了不起的，而欧洲直到1880年，才制成与此类似的仪器，比起张衡的发明足足晚了一千七百多年。关于地动仪的结构，流行的有两个版本：王振铎模型（1951年），即“都柱”是一个类似倒置酒瓶状的圆柱体，控制龙口的机关在“都柱”周围。这一种模型最近已被基本否定。另一种模型由地震局冯锐（2005年）提出，即“都柱”是悬垂摆，摆下方有一个小球，球位于“米”字形滑道交汇处（即《后汉书·张衡传》中所说的“关”），地震时，“都柱”拨动小球，小球击发控制龙口的机关，使龙口张开。另外，冯锐模型还把蛤蟆由面向樽体改为背向樽体并充当仪器的脚。该模型经模拟测试，结果与历史记载吻合。那么，地动仪的内部结构究竟什么样子呢？有不少学者对此作过探讨。早在南北朝时，北齐信都芳撰《器准》，隋初临孝恭作《地动铜仪经》，都对之有所记述，并传有它的图式和制作方法。可惜的是唐代以后，二书均失传。今人的研究则以王振铎之说影响最大。王振铎根据前人的猜测，讨论了地动仪内部可能有的各种结构，最后推断都柱的工作原理与近代地震仪中倒立式震摆相仿。具体说来，都柱就是倒立于仪体中央的一根铜柱，八道围绕都柱架设。都柱竖直站立，重心高，一有地动，就失去平衡，倒入八道中的一道。八道中装有杠杆，叫做牙机。杠杆穿过仪体，连接龙头上颌。都柱倾入道中以后，推动杠杆，使龙头上颌抬起，将铜丸吐出，起到报警作用。地动仪用精铜制成，圆经八尺，合盖隆起，形似酒樽。表面作金黄色，上部铸有八条金龙，分别伏在东、西、南、北及东北、东南、西北、西南八个方向。龙倒伏，龙首向下，龙嘴各衔一颗小铜球，与地上仰蹲张嘴的蟾蜍相对。地动仪空腔中央，立一根铜柱，上粗下细。铜柱周围有八根横杆，称为“八道”，各与一龙头相连。铜柱是震摆装置，八道用来控制和传导铜柱运动的方向。在地动仪受到地震波冲击时，铜柱就倒向发生地震的方向，推动同一方向的横杆和龙头，使龙嘴张开，铜球下落到蟾蜍嘴中，并发出响声，以提示人们注意发生了地震及地震的时间和方向。一颗珠子放在平台上，如果将哪方稍微往下一按，珠于就向哪方滚动。又如我们点亮一支蜡烛，将它放在一张不平的桌子上，它总会向低的一方倒。地动仪就是根据这些简单的原理设计的。地动可以传到很远的地方，只不过太远了人就感觉不到了，但地动仪能准确地测到。但是中国科学家认定地动仪的工作原理应该是“悬垂摆原理”，即地动仪是利用了一根悬挂柱体的惯性来验震的，而非当今历史教科书所说的在仪器底部简单地竖立一根直立杆。

2008年8月5日，受国家“张衡地动仪科学复原”课题组委托，山西夏县宇达青铜文化产业园宇达集团成功铸造完成“张衡地动仪”。其造型设计由清华大学美术学院雕塑系王培波教授等完成，新模型用优质青铜精心铸造，将在新落成的中国科技馆展出。

据悉，国家“张衡地动仪科学复原”课题组由中国地震台网中心、清华大学美术学院、国家博物馆、北京机械工业自动化所、河南博物馆等多学科的专家组成，中国地震台网中心研究员、地震学家冯锐任课题组组长。

有网友在微博上发帖，称历史教科书中人所熟知的张衡地动仪其实是上世纪50年代的复原模型，1800年前的地动仪到底是啥模样早已无据可查。科普作家方舟子则发文，称张衡当年建造的地动仪“很可能和今人复原的那些模型一样，仅仅是个摆设”。中国地震台网中心研究员冯锐昨天对此表示，2005年复原成功的地动仪模型确实可以监测地震。

1951年复原的地动仪模型

1951年复原的模型

曾参与2005年版地动仪模型复原的中国地震台网中心研究员冯锐昨天表示，新的地动仪复原模型对地震是有反应的，这一点已得到多名院士专家的鉴定。“方舟子对地震这个领域并不了解。”冯锐说，他们利用在真实发生的地震中记录下来的地震波波长，以此为依据控制特殊振动台，完成对地动仪复原模型的检验。这是地震的“复现”，而不是简单的“模拟”。冯锐表示，如果要监测真实发生的地震，须建设地基等配套设施，然后将地动仪复原模型放在上面，但这样的监测实验耗资巨大，选址等问题也不好解决，“我们正在朝这个方向努力”。对于方舟子提出质疑的陇西地震，冯锐表示，据史料推测，这次地震发生在公元134年。冯锐强调，这些史料都是经专业的历史地震学专家审核过的。因年代久远，部分史料存在偏差在所难免，但当年陇西曾发生地震的结论没有问题。

都柱，候风地动仪最主要的部分就是都柱。其结构未知。仅从外形看应该是一个柱子。这是毫无疑义的。关键是那个柱子如何候风。当它候到来风之后又是如何知会关去发机的呢？把它仅仅想成一个粗大的柱子是不是太天真了？都字的一个解释是“天子所宫曰都。”可以理解为“那个谁都管的‘头头’住的地方叫都”。如果地动仪的主管是候风“君”，它住在那个地方是不是可以叫“都”哇？如果候风君的宫殿是一个柱子的外型。把它叫“都柱”应该没有不可以的地方。以前解释都柱为“大柱子，粗大的柱子”这没有什么不对的地方。都柱看上去确实又高又粗（相对）。就像你看见某处的一个水塔或带有除尘的大烟筒。你一定不会反对水塔里边有提水的动力设备，不会反对烟筒里边有除尘、降低有害气体的净化设备。这样你也不会反对都柱里边有候风设备。又见“宫曰都”之宫乃一统称。故知都柱绝非一实芯吊柱也。都柱居中因“中有都柱”。因此推知其里必有候风设备。都，大也。天子所宫曰都。柱，直立之木曰柱。引申凡直立着皆曰柱。如河中之山曰底柱。筝之支柱曰筝柱。宫，垣内群室之总名。古者周垣之内统名曰宫。中，不偏之谓中。口象四方，一竖界其中。央四方之中曰央。

两项关键技术

1、 “地动摇尊，尊则振，则随其方面，龙机发，即吐丸”。该技术是测报地震纵波的关键。由“机、关巧制”结构来完成。如图

地震纵波使尊体同向移动，关端触及顶柱（相对不动）而后移，连杆上端反向移动而发机，龙口张开铜丸落下。完成报震。

2、 “虽一龙发机, 而其余七首不动”。该技术是定向功能的关键。由“尊中有都柱，傍行八道”的特殊结构来完成。如图

当发机铜丸落下，接着顶柱脱离都柱下落，此后其余七关不受都柱影响而“七首不动”。

合并图册

大多数中国人耳熟能详的地动仪的故事诞生的时间并没有那么久远——直至1950年代，这个故事中的地动仪才被“制造”出来，并进入教科书中。直到数十年后，它被重新发现与“制造”。

一代又一代的中国学生，从老师那里听到这个生动的故事：东汉时期的科学家张衡发明了地动仪，这个地动仪像一个酒樽，内部有一个细长竖直的杆直立在正中间，地震时，这根直杆会倒向地震的方位，击落那个方位的龙首，龙口就会张开，吐出一颗铜丸，正落在下面的铜青蛙的口中，于是观察者就会判断出哪个方位发生了地震。

这个地动仪的故事被当作中国伟大科技发明的典范。但大多数学生，甚至包括讲述这个故事的老师们并不知道，他们一代一代传承下来的这个故事诞生的时间并没有那么久远——直至1950年代，这个故事中的地动仪才被“制造”出来，并进入教科书中，演变成几代人的集体记忆。

以上所谓两个关键技术也是错误的。

正确的三项。1都柱候风技术。2牙机技术，3巧制运用。

候风地动仪：衡名之。常简称为“地动仪”。候风二字具略。候风乃地动仪之原理冠名，以别同类非候风之物。此名直译白话为：“等候风来的地动仪”。隐能测风。风来作甚？此风非彼风。地动仪所候之风乃是地震带来的风。今日曰地震波是也。候来之后作甚？利用其告知者也。故候风乃是利用地震波报告地震的仪器。(古人认为气之动者为风，同时认为地下阳气破地面之阴气而出为震。可见候风之风的意思是十分明了的。)候，约期相待曰候。伺望曰候。迎送之官曰候人。候有等待之意。本义:守望;侦察风，气之动者为风。引申为像风一样不见不识且有感的飘移者。伺望，有守望，察看之意。伺 sì观察，侦候：窥伺。伺机。伺察。伺应（ying ）（等候响应）。震：地下阳气破地面之阴气而出。其声霹雳足以振物。地动曰地震。；然气动为风。所以候风者也。

牙机巧制：牙机乃地动仪之敏器也。其能微致而发。又可返而复还，重达其敏。无需揭盖。外龙复衔之时，牙机即合。此甚妙也。地动仪能地不觉动而发。是由其结构而来。关连至牙机之一部，牙机联至龙首，使其口可开合。开则吐，合则衔。其机关一体，关匿于道，围于候风之轮，几乎相毗邻。巧制乃利用牙机吐丸之力为制。巧者技能精良。引吐丸之机制候风之回，使之不能反吐。以为一龙发机。此今之反馈也。旧曰“回授”。牙，牡齿为牙。象牙。这个牡字在此有“公”的意思。又长者为牙，短者为齿。可判断，牙机之名出于此处。必有一个较长的直形物，且极易被发动。机，触而即发为机。见上一条。牙，像牙者，牙机，像牙者触而即发的机关。齿，牙之短者曰齿。巧，技能精良曰巧。凡机之巧者莫如工。故谓之巧。引申凡不拙者皆曰巧。制，限定，约束，管束：『广韵』禁制也。又，太后临朝曰制。回，去而复返曰回。另居于惯性，回之后必反向而至。

此还得补充一点施关发机的解释。

施关发机怎么读关于张衡的候风地动仪的记载有“施关发机”。它应该怎么读呢？

施关发机的解释不一。但是，没有一种解释得天衣无缝。施关发机的施关究竟是什么意思，这决定了它的读音。一般施字解释为展开时，虽然也能够说得通，还是显得牵强。毕竟施关说是展开关，不大合适。因为，毕竟关是个精铜的横杆没有必要再行展开什么。于是乎只好把关和候风部件之间的缝隙定义为关间隙。这下子就说得通了。这时，施关就是展开这个关间隙。说得通不见得行得通。人家是施关发机。你是先施关，然后在发机。那么，究竟这个施字怎么讲才合理（合乎张衡地动仪的理）。其实，施字还有一个讲法。当其读音为yi（易）时，作为“延而及之”讲。按照这个意思就可以说得通，且十分顺当。请注意，记载是“中有都柱，傍行八道，施关发机。”现在从头讲一遍，是“中有都柱，（内悬候风，）傍行八道，（通关巧，）施关发机。（（候风）延而及（之）关，（则）发机。”它的白话是：“地动仪的中央有一个都柱（专有名词），柱里边有一个候风摆，都柱的周围有八条通道，里边通过有关和巧制部件之一部。当候风摆摆及关端时，即行发机。可见摆之微，发之速。不然怎么能赶在第一波时发机？（波前之后即行发机。）难怪合契若神。因此，施关发机应该读作“yi（四声）关发机”。附：波前是一个专有名词。解释为：波在介质中传播时，某时刻刚刚开始位移的质点构成的面，称为波前。它代表某时刻波能量到达的空间位置，它是运动着的。波前与射线成正交。因此，使用射线或波前来研究波是等效的。根据波前的形状一般可以把波分为球面波、平面波，柱面波等。地震波的波前可以理解为，下一个时刻地震波就到来了。地动仪接受纵波的水平分量的能量。第一波可以使地动仪正确反应地震源的方位。

中有都柱傍行八道施关发机的记载是说 什么的？中有都柱是有都柱且都柱不会动。疑问来了，那它是怎么会候风呢？候风部件在何处？接下来是傍行八道。这告诉你，都柱旁开辟了八道，此乃为接口。再下来是施关发机。告诉你侯风部件在此靠近关 并且是运动到关处，推动关去发机。这十二个字就是说地动仪是如何发机吐丸的。并且还告诉了你是在什么地方什么结构里进行的。现在应该说中有都柱不动，内有候风下探，开辟八道容关，相互接近，震时“风”动及关发机。明白这个记载的含义了吧？

1934年，燕京大学研究生院历史专业的学生王振铎诞生了复原史书中记载的张衡地动仪的念头，他认真地研究了史书的记载，在1936年，画出了第一套自己复原的地动仪模型图稿。这套图纸中，他按照《后汉书·张衡传》中所说“形似酒樽”记载设计了它的外形，但对于内部结构，由于史料中只有区区196字，语意模糊，他遵从了英国地震学家米尔恩1883年《地震和地球的其他运动》一书中阐述的“悬垂摆”的结构原理。也就是从地动仪的上部垂下来一根摆，用以并判明地震方向，并控制相应机关。

1936年，王振铎在第20期《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，并手绘了一套内外结构图样做论文的配图。

毕业后的王振铎担任了国立中央博物院筹备处专门设计委员，对于中国古代科技史中张衡地动仪的复原思考，不仅是他个人的爱好，同时也开始了他成长为博物馆学家和古代科技史学家的起点。

王振铎发布论文和内部结构图一年之后，1937年日本地震学家萩原尊礼也发布了他复原的张衡地动仪论文。不同于王振铎，萩原尊礼提出了直立杆原理，也就是在地动仪中间，放置一个倒立的直杆，地震时，直杆倒下，从而触发相应的机关。

中日两国在复原地动仪上的文化争论还没开始，两国之间就爆发了战事，于是，孰是孰非，就没了下文。又过了两年，日本地震学家今村明恒设计的地动仪也问世了，他延用了萩原尊礼的直立杆原理，并在直杆的下面放了三个弹簧，因为了有弹簧的复位工作，其原理近似悬垂摆，但问题是，至今还没有发现东汉应用弹簧的记载。在今村明恒进行的实验中，由于直立杆的倾倒方向与地震射线方向垂直，有悖于史书对地动仪的记载，所以，他就没有做后续研究。