【中学课本里的中国古代科技】有关张衡地动仪，你为什么觉得被教科书骗了？

科普中央厨房 | 北京科技报

2019-01-23

中学课本里的张衡地动仪一直伴随着各种争议，为什么人们会混淆考古发现与复原模型？是根据什么原理复原的？地动仪能不能预测地震？

编者按：

日前，一则关于“张衡地动仪从教材中删除”的新闻曾引发热议。其实除了张衡地动仪，很多中国古代科技成就都入选了中学课本，有一些也产生过争议。张衡地动仪的复制品为何不能预测地震？指南针的始祖“司南”到底能不能指南？蔡伦是造纸术的发明人还是改进者？让我们一起来考证一下。（更多精彩内容请看“中学课本里的中国古代科技”专题）

文/记者刘辛味图文编辑/陈永杰

新媒体编辑/吕冰心

采访专家：

冯锐（中国地震台网中心研究员，《地动仪科学复原》课题组组长）

▲画家绘制的张衡制作地动仪的想象图（供图冯锐）

在历史上，汉朝的张衡曾经发明了一个名为地动仪的装置，这在史书上有明确记载，不过因为历史的原因，今天我们看不到地动仪的的实物，后经过相关专家努力，张衡地动仪复制品终于出现。

但围绕张衡地动仪的争议一直不断。张衡地动仪复制品为何不能预测地震？史书记载的有关地动仪预测的陇西地震是否存在？

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张衡地动仪蜚声中外也争议不断

最早关注到地动仪的不是中国人。1875年日本学者服部一三（I. Hattori）首次尝试了复原张衡的地动仪。同年，英国矿物学家米尔恩（John Milne）受邀前往日本任教，在到达日本前途经中国多个城市，了解了中国文化，也知道了日本学者的地动仪复原。后来米尔恩从地质矿物研究转向了地震研究，并尝试复原张衡地动仪。

米尔恩指出张衡地动仪是一种验震器（Seismoscope），是指只对地震有反应的仪器，而非对一般振动都有反应的报警器。这让地动仪有了非凡的意义。1883年，他出版了世界首部地震学专著，把中国史书中关于地动仪的内容翻译成了英文，并介绍了他自己的模型，产生了很大影响。

▲张衡（图片来自网络）

1889年，一位德国天文学家在做天文观测时，偶然监测到了日本熊本发生的地震。这次发现不仅证实了地震波的存在，而且是首次在远距离记录了地震的数据。他用的工具本来是测量重力变化的水平摆倾斜仪，米尔恩之后对这种仪器进行了改造——世界上第一台现代地震仪诞生了。后来现代地震学逐步发展起来，米尔恩更是被誉为现代地震学的奠基人。

米尔恩和英国科技史专家李约瑟对地动仪的推崇，让人们知道了原来中国早在1700多年就已经记录了远处的地震，肯定了地动仪的存在。史书记载公元132年是张衡完成建造地动仪的时间，132年也被公认为人类首台地震仪器诞生的年份。

影响中国几代人，在教科书中的地动仪模型是我国科技家、文物学复原专家王振铎1951年在前人研究的基础上复原的。复原目的也有为了配合宣传中国古代文化和博物馆陈列的需要，最终复原出的模型影响力前所未有。在很长时间以来都是我国古代科技成就的标志之一。

但是，从实际应用到科学原理上，此复原模型在学界一直有争议。尤其是功能上不能验震，成了很多人否定地动仪复原模型的主要原因。另外，由于旧版的教科书中没有说明这是复原模型，让很多人误认为是考古发现。实际上，地动仪早已失传。教学与宣传的不足甚至让人误认为地动仪能够“预测地震”，了解实际情况后让人大呼“被教科书骗了几十年”。

对于地动仪的复原研究从未停止。到2000年为止，国内外一共出现了13种张衡地动仪复原模型，遗憾的是都不能检验地震。这一问题让地动仪的复原上升到了国家层面，“地动仪是中国古代科技的典范，把它工作原理直观展演出来”。

2003年，来自国内9个权威机构，包括历史、考古、地震、机械、美术学等35位专家组成团队合作开始进行《地动仪科学复原》课题研究。

2008年，他们制成复原模型通过了国家验收。目前没有记录新模型在真实地震情况下起到了作用，但至少在实验室里，它经受住了专业地震实验（包括模拟现实地震）的检验。

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文献中的地动仪是否真的存在？

很长时间以来，学者复原地动仪只能参考范晔《后汉书•张衡传》中的196个字。这让很多人质疑地动仪的真实性。其实，学界本身就有“孤证不立”的约定俗成。《地动仪科学复原》课题组组长、中国地震台网中心研究员冯锐认为，“文字不丰富是历史研究的普遍特点。稀少不能成为定论的依据。”

《地动仪科学复原》课题组进行深入文献挖掘后，发现了在东汉末年至范晔成书之前的320余年间，东汉史书共13部，至今有幸留下9部。虽然有的史书不完整，但其中有4部史书《续汉书》、《后汉纪》、《后汉书•顺帝纪》和《鼎录》丰富了地动仪的描述，将文字量扩充至254个字。

▲《续汉书》、《后汉纪》、《后汉书•顺帝纪》和《鼎录》丰富了有关地动仪的描述（供图冯锐）

除了找到新的文献，他们还发现了考古旁证。历史上，张衡曾在洛阳南郊的“灵台”进行观测，这是中国最早的国家天文台。早在1975年，中国社会科学院考古研究所就对这里进行过考古挖掘，发现了放置地动仪的房间。复原团队在2003年后对灵台的地震地质条件做了3次现场踏勘，发现房间地面处理较为特殊，刚刚能容下“圆径八尺”的地动仪，而且高台地基对地震波有结构性放大的作用，对测震有利。

早期争议的另一个焦点在于“陇西地震”是否存在。《后汉书》中提到在京师（洛阳）的人并无反应，后接到了陇西地震的消息，即验证了陇西地震。人们从132年到张衡死去的139年的古书中找到了7次地震记录。其中只有138年明确指出了“金城-陇西”地震，让人们认为地动仪检验的就是这次地震。但其他史书记载的地震现象却与《后汉书》中不符，这些记载均是洛阳地区反应剧烈。

对于这一问题，冯锐团队扩大范围挖掘史料，结合历史背景，古籍地名、张衡生平和诗文，得出了地动仪检验的是134年的陇西地震。作为专业的地震学者，冯锐团队对地震事件进行了严格的“实证后验”，即根据地震波动场具有可重复的特点，在同样观测精度的条件下，可以采用其他类似事件进行对比。他们对比了清代详细记录的5次陇西地震，震级范围与烈度衰减在合理区间——洛阳人无感或刚有感觉。又复核了现代地震的记录，从理论上计算了134年地震数据，符合史料叙述。

▲冯锐复制的地动仪（供图冯锐）

当然，现在的技术还难以还原古代地震。有科技史研究者就认为使用清代和现代数据不能反映当时的状况。但至少多种证据表明了地动仪的真实性。

对于地动仪的失传，有人认为其无效而成为摆设。冯锐结合了汉代的社会背景给出了否定解答。他发现，在地动仪问世后的时代，皇帝遵从的政治思想是“本朝论”，会因地震而罢免高官。这种情况出现了12次之多且均是地动仪发明之后，张衡本人也受到牵连，被排挤出京，“随着张衡政治地位的下降，地动仪的失传是必然的。”

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张衡地动仪复制品为什么不能验震？

地动仪是利用惯性检验地震的装置，在学界没有分歧。但对于复原地动仪，各方争议最大的就是对地动仪原理的复原，也就是为什么地动仪感受到地震后能按方向让龙嘴中的小球落下。百年的研究工作集中在史料中的8个字，“中有都柱，傍行八道”。冯锐介绍，这里有两层意思，一是根据古语“都柱”为大柱子；二是至少有一端具有水平运动的自由度。

百余年间，中外学者提出了几十种复原方案，在核心原理上其实只有对“都柱”解释后设计的四种方案——直立杆、倒立摆、悬垂摆和自由柱。王振铎模型即采用直立杆，就像一根竖起笔尖朝下的铅笔，但这种模型会受各种振动影响随机倒下而达不到验震的目的。本来这种设计早已被学界抛弃，近些年又有学者尝试“复活”直立杆，仅作为一种学术探讨，还未得到完全验证。

▲张衡地动仪的直立柱模型

倒立摆模型最初由日本人设计，是在直立杆的基础上在下部安装弹簧，理论上能够验震，但因为汉代工艺水平还达不到制作弹性钢铁的程度，被学界否定。自由柱则是我国学者李志超提出，在一个柱下放入多个铜球，因其灵敏度过低也被淘汰。

▲冯锐复制地动仪的工作原理（供图冯锐）

物理学上，悬挂物体能更好验证地震波的水平运动，由此提出了悬垂摆模型，这也是米尔恩最初提出的方案。如今中国科技馆中的地动仪利用的正是冯锐设计的悬垂摆模型，将关键落在“检验地震”上，此模型经过了实验室多项专业测试。团队又经过考据，重新设计了更符合古文的外观，此复原地动仪成为了“终极版”。尽管这一方案仍受争议，比如用现代知识复原古代科技不合理，但自冯锐团队2012年完成了1：1青铜地动仪原型铸造后，再没有大规模的复原工作。

“真实”的地动仪仍是个迷。

参考文献：

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冯锐. 地动仪的历史真实和科学价值[J]. 现代物理知识, 2011(1):59-63.

冯锐, 武玉霞. 张衡候风地动仪的原理复原研究[J]. 中国地震, 2003, 19(4):358-376.

冯锐. 地动仪的发明及历史继承[J]. 科学, 2014, 66(4):45-49.

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