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| 復造候風地動儀。——《後漢書·張衡傳》 |
一種觀測地震的儀器,東漢張衡所造,今失傳 A kind of earthquake observation instruments, made of the Eastern Han Zhang Heng, this lost |
| 一種觀測地震的儀器,東漢張衡所造,今失傳。如：復造候風地動儀。——《後漢書·張衡傳》。 |
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世界上第一架測驗地震的儀器。中國東漢時期天文學家張衡於漢順帝陽嘉元年（132）製成，候風地動儀用精銅製成，直徑2.7米，其外形像一個大型酒樽。地動儀裏面有精巧的結構，主要為中間的都柱（相當於一種倒立型的震擺）和它周圍的八道（裝置在擺的周圍的8組機械裝置）。在樽的外面相應地設置8條口含小銅珠的竜，每個竜頭下面都有一隻蟾蜍張口嚮上。如果發生較強的地震，都柱因受到震動而失去平衡，這樣就會觸動八道中的一道，使相應的竜口張開，小銅珠即落入蟾蜍口中，由此便可知道地震發生的時間和方向。據史料記載，候風地動儀曾成功地記錄了138年發生在甘肅的一次強烈地震，從而證明了它的準確性和可靠性。
在中國科學史上，沒有什麽比候風地動儀更為引人註目。它的發明者是東漢大科學家張衡。
《後漢書·張衡傳》詳細記載了張衡的這一發明：
“陽嘉元年，復造候風地動儀，以精銅鑄成。員徑八尺，合蓋隆起，形似酒尊，飾以篆文山龜鳥獸之形。中有都柱，旁行八道，施關發機。外有八竜，首銜銅丸，下有蟾蜍，張口承之。其牙機巧製，皆隱在尊中，覆蓋周密無際。如有地動，尊則振，竜機發，吐丸而蟾蜍銜之，振聲激揚，伺者因此覺知。雖一竜發機，而七首不動，尋其方向，乃知震之所在。驗之以事，合契若神。自書典所記，未之有也。嘗一竜機發，而地不覺動，京師學者鹹怪其無徵，後數日驛至，果地震隴西，於是皆服其妙。自此以後，乃令史官記地動所從方起。”
顯然，所謂候風地動儀，是用來測報地震的儀器。圍繞這一名稱，學界曾有不同意見。一種認為候風地動儀包括了候風儀和地動儀兩種儀器，“候風儀”是用於測風的，“地動儀”纔是用於測地震的。另一種觀點則認為，所謂“候風”，即是“候氣”，古人認為地震是由於地“氣”變動所引起的，所以叫“候風地動儀”。從引文來看，“候風地動儀”應為一件儀器，而不是兩件。這裏我們把它作為一件儀器進行介紹。
根據引文，“候風地動儀”製成於東漢陽嘉元年（132年），是用青銅鑄造的。儀體形狀就像漢代酒樽。樽上裝飾有篆文山龜鳥獸之形，樽的內部立一根銅柱，張衡稱之為都柱。都柱周圍有八條滑道，稱為“八道”。儀體的外部裝有八條竜，分佈在八個方位，竜口各含銅丸一個，竜頭下方各放置一個張口嚮上的銅蛙（蟾蜍）。儀體內部裝有機關，與體外竜頭相連，一旦發生地震，機關被觸發，竜口打開，銅丸落入銅蛙口中，發出聲音，使掌管人知曉，並能判明地震來源的方向。
顯然，地動儀是利用物體慣性製成的儀器。張衡通過自己巧妙的設計，使地震時儀體與都柱之間産生相對運動，利用這一運動觸發儀內機關，從而將地震報出。張衡地動儀的靈敏度很高，《張衡傳》列舉了一個具體例子：曾有一次，地動儀朝嚮西邊的那條竜突然吐丸，但當時洛陽城裏並無震感，人們議論紛紛，都說地動儀不可靠。過了幾日，送信人來到洛陽，報告說甘肅發生了大地震，大傢這纔信服了地動儀的精妙。
那麽，地動儀的內部結構究竟什麽樣子呢？有不少學者對此作過探討。早在南北朝時，北齊信都芳撰《器準》，隋初臨孝恭作《地動銅儀經》，都對之有所記述，並傳有它的圖式和製作方法。可惜的是唐代以後，二書均失傳。今人的研究則以王振鐸之說影響最大。王振鐸根據前人的猜測，討論了地動儀內部可能有的各種結構，最後推斷都柱的工作原理與近代地震儀中倒立式震擺相仿。具體說來，都柱就是倒立於儀體中央的一根銅柱，八道圍繞都柱架設。都柱竪直站立，重心高，一有地動，就失去平衡，倒入八道中的一道。八道中裝有杠桿，叫做牙機。杠桿穿過儀體，連接竜頭上頜。都柱傾入道中以後，推動杠桿，使竜頭上頜擡起，將銅丸吐出，起到報警作用（如圖1所示）。
王振鐸的推斷得到了廣泛贊同。中國歷史博物館陳列的張衡地震儀模型，就是根據王振鐸的設計復原的。但是，也有學者提出不同意見。中國科學技術大學李志超就曾對倒立擺結構提出過異議，他以全新的視角，提出了自己對候風地動儀的理解（參見李志超，《天人古義》，河南教育出版社，1995年版）。
李志超認為，從文獻角度來看，漢代字書《釋名》解釋“柱”，說“柱，住也”，表明柱字原義是建築中不動的支撐件。由此，倒立擺結構不得稱“柱”，衹合稱錐。“都”是集總之義，說明不是孤柱，應該還附帶八套機關，而立錐卻衹能是光桿。這樣，僅由“都柱”這一名稱來看，倒立擺之說也不能成立。
李志超進一步指出，倒立錐的設計使原文所述其他一切部件皆成畫蛇添足。尤其是龐大的銅尊，毫無道理可言。再者，從物理評價角度來看，任何測量儀器的性能一般都可用兩個互相矛盾的指標表徵：靈敏度和穩定度。倒立錐的設計正好突出了精密計量技術這一主要矛盾。例如，為提高地動儀的靈敏度，就要把倒立錐的錐底做得很小，使之形成一個錐尖，但很小的錐尖承受巨大的重力壓強，在不可避免的微小震動作用中必將逐漸形成不可逆的變形，其趨嚮是錐尖下面的支承面形成坑窩，錐尖變得圓滑。這一過程不可逆，而且是加速的。這樣，倒立錐最終要倒下來，不管有無地震。如果為提高穩定度，將錐尖做成寬到實際不變形，那它的靈敏度必然很低，感知量比人所能察覺的還要大，地動儀也就失去了它的存在價值。
在這些分析的基礎上，李志超提出了自己的設計：與王振鐸設計相仿，底座和尊仍然是連地的剛體，都柱是可動的慣性體，但不再是倒立結構，而是處於穩定的平衡態。都柱有八個伸出的底腳，其下設八個青銅硬球，球下面是尊的底。球的上下都用堅硬青銅作墊，要足夠平滑。這樣一旦發生地震，尊將隨地移動，而都柱由於與尊底座間摩擦力小而不能隨尊移動，於是二者之間産生相對運動，觸發機關，使竜將銅丸吐出。
都柱的尺寸推想為高一丈、直徑二尺，這可與總體協調。都柱與尊一樣，都有足夠的重量，這樣纔可以從地震獲取充足的能量，不愁“施關發機”所必需的力不夠大。另外，尊的巨大質量能起到屏蔽作用，減少都柱受到的幹擾，防止誤報。地動儀的全部“牙機巧製”則裝設在都柱及其座腳上，這樣符合“都”字本義。銅尊是一個帶蓋的大桶，尊的側壁上對稱地設八個圓孔，孔的直徑略小於銅丸，孔外飾以竜首，孔即為竜的喉，喉外為竜舌，舌有淺窩以置銅丸，銅丸靠在喉孔上，既不會掉入尊內，又把喉孔蓋緊了。竜首和竜體都衹是裝飾浮雕。一旦地震，都柱與尊發生相對位移，“施關發機”，竜機將銅丸推出，落入蟾蜍口中，起到報警作用。為了改善蟾蜍的聲學效應，還可以考慮在蟾蜍腹內另設響器，如方響之類，這可以更接近原文所描述的“振聲激揚”的效果。原文中提到的“牙機巧製”，李志超將其復原為兩級放大杠桿。而所謂“關”，則被設計成分立橫棒，一端頂緊前級杠桿的輸入端，一端頂緊尊的上沿。“關”的作用在於當都柱與尊發生相對位移時觸發放大杠桿。李志超的復原設計，詳見圖2。
為了與原文“竜機”的說法一致，李志超把推動銅丸的杠桿設計成竜形，讓它的下面有兩條腿（圖上沒有表示出來，因為是在垂直圖畫方向上重疊着的）站在轉軸上，尾巴橫折又上翹，構成受控的牙。它的上身有兩衹“手”，是執行自鎖功能的。設置自鎖機構的目的是為了實現原文所說的“雖一竜發機而七首不動”。李志超稱該機構為竜鎖。其結構如圖3所示，是一個懸吊水平環，該環用八條垂直細鈎吊在尊沿上，又用八條水平細鈎牽着都柱，所以衹能作小角度轉動，但足夠自由。環上有16個小立柱，每一對小立柱對着一竜的雙“手”，竜“手”是裝在竜體前的一對爪，爪是有斜縫的掌面，在嚮前運動時嵌入竜鎖小柱，並撥動竜鎖轉一個小角度，於是其餘七對小柱與對應的竜爪偏離，就把它們閉鎖住了。在整復時，落丸竜“手”被推復位，也把竜鎖帶動復位。
李志超對這一設計的靈敏度做了定量估算。他指出：假定柱與尊的相對平移量為0.01毫米，用杠桿作200倍放大，得2毫米，這就足以控製機牙了。都柱的運動産生滾動摩擦，摩擦係數量級為0.001，這樣，剋服摩擦促成相對運動的大地加速度要大於0.001g（g為重力加速度），近似為10毫米／秒2。以此加速度獲得0.01毫米位移需要0.05秒。這些數字都是粗數，僅供半定量估算，其中0.01毫米是機構設計的主導數據，地震學靈敏性標志是10毫米／秒2，這是三級烈度的弱震數據。加速度延時0.05秒的設想有些保守，此數增加則位移量將以倍數平方增加，足以彌補其他數據之不足，如機牙寬度增大、杠桿放大量減少等。由此，張衡的地動儀對於烈度為三級的弱震，是可以測報出來的。
根據這樣的分析，對張衡地動儀關於震源方向的測報就可以加以討論了。從現代地震學知識來看，地震過程復雜多變，前震後震強弱不同，方向也相異，要尋找震源衹可能從多個臺站的記錄依時間差推算，這在古代是不可能的。但是張衡的地動儀在設計中的確考慮了方向因素，“尋其方面，乃知震之所在”，就反映了這一點。這也並非完全不可能。如果候風地動儀做到了感知微震（1—2級），它應對遠處震中傳來的初波（p波）敏感。初波的地面移動方向與震源方向一致，是縱嚮波，所以竜吐丸的方位應能顯示一定量的方向信息。當然，這並非絶對，因為為了減少誤報，地動儀的靈敏度也會有一定限製，這樣，當地震的前鋒縱彼不夠強時，地動儀可能會對之無動於衷，但後繼橫波卻有可能把銅丸震落，這樣落丸方向與震源就沒什麽關係了。
李志超還討論了地動儀的其他設計方案，經過分析比較，他認為圖2所示的都柱推動牙機控製方案，從其內涵與史料呼應來說，較為完備。他據此設計製作了一個縮小簡化的雙道模型，尺寸為原大的五分之一，衹有左右相對兩臂的機關係統，前後面為有機玻璃板，便於演示觀察。該模型很靈敏，完全證實了他的分析。
候風地動儀是中國古代一項重要的科學發明，它比歐洲出現地震儀的時間要早一千五百年左右。但由於實物的失傳以及原始文獻記載的簡略，使得今人對其內部結構有不同的理解，這是正常的。但無論如何，張衡的地動儀具有很高的靈敏度，這是大傢一致的意見。在此基礎上，通過精心的分析考證、廣泛的學術討論以及合理的模擬實驗，這個問題一定能夠得到解决。
新地動儀
相關詞條：張衡、地動儀、地震儀 |
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在中國科學史上，沒有什麽比候風地動儀更為引人註目。它的發明者是東漢大科學家張衡。
《後漢書·張衡傳》詳細記載了張衡的這一發明：
“陽嘉元年，復造候風地動儀，以精銅鑄成。員徑八尺，合蓋隆起，形似酒尊，飾以篆文山龜鳥獸之形。中有都柱，旁行八道，施關發機。外有八竜，首銜銅丸，下有蟾蜍，張口承之。其牙機巧製，皆隱在尊中，覆蓋周密無際。如有地動，尊則振，竜機發，吐丸而蟾蜍銜之，振聲激揚，伺者因此覺知。雖一竜發機，而七首不動，尋其方向，乃知震之所在。驗之以事，合契若神。自書典所記，未之有也。嘗一竜機發，而地不覺動，京師學者鹹怪其無徵，後數日驛至，果地震隴西，於是皆服其妙。自此以後，乃令史官記地動所從方起。”
顯然，所謂候風地動儀，是用來測報地震的儀器。圍繞這一名稱，學界曾有不同意見。一種認為候風地動儀包括了候風儀和地動儀兩種儀器，“候風儀”是用於測風的，“地動儀”纔是用於測地震的。另一種觀點則認為，所謂“候風”，即是“候氣”，古人認為地震是由於地“氣”變動所引起的，所以叫“候風地動儀”。從引文來看，“候風地動儀”應為一件儀器，而不是兩件。這裏我們把它作為一件儀器進行介紹。
根據引文，“候風地動儀”製成於東漢陽嘉元年（132年），是用青銅鑄造的。儀體形狀就像漢代酒樽。樽上裝飾有篆文山龜鳥獸之形，樽的內部立一根銅柱，張衡稱之為都柱。都柱周圍有八條滑道，稱為“八道”。儀體的外部裝有八條竜，分佈在八個方位，竜口各含銅丸一個，竜頭下方各放置一個張口嚮上的銅蛙（蟾蜍）。儀體內部裝有機關，與體外竜頭相連，一旦發生地震，機關被觸發，竜口打開，銅丸落入銅蛙口中，發出聲音，使掌管人知曉，並能判明地震來源的方向。
顯然，地動儀是利用物體慣性製成的儀器。張衡通過自己巧妙的設計，使地震時儀體與都柱之間産生相對運動，利用這一運動觸發儀內機關，從而將地震報出。張衡地動儀的靈敏度很高，《張衡傳》列舉了一個具體例子：曾有一次，地動儀朝嚮西邊的那條竜突然吐丸，但當時洛陽城裏並無震感，人們議論紛紛，都說地動儀不可靠。過了幾日，送信人來到洛陽，報告說甘肅發生了大地震，大傢這纔信服了地動儀的精妙。 |
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那麽，地動儀的內部結構究竟什麽樣子呢？有不少學者對此作過探討。早在南北朝時，北齊信都芳撰《器準》，隋初臨孝恭作《地動銅儀經》，都對之有所記述，並傳有它的圖式和製作方法。可惜的是唐代以後，二書均失傳。今人的研究則以王振鐸之說影響最大。王振鐸根據前人的猜測，討論了地動儀內部可能有的各種結構，最後推斷都柱的工作原理與近代地震儀中倒立式震擺相仿。具體說來，都柱就是倒立於儀體中央的一根銅柱，八道圍繞都柱架設。都柱竪直站立，重心高，一有地動，就失去平衡，倒入八道中的一道。八道中裝有杠桿，叫做牙機。杠桿穿過儀體，連接竜頭上頜。都柱傾入道中以後，推動杠桿，使竜頭上頜擡起，將銅丸吐出，起到報警作用。(圖左)
王振鐸的推斷得到了廣泛贊同。中國歷史博物館陳列的張衡地震儀模型，就是根據王振鐸的設計復原的。但是，也有學者提出不同意見。中國科學技術大學李志超就曾對倒立擺結構提出過異議，他以全新的視角，提出了自己對候風地動儀的理解（參見李志超，《天人古義》，河南教育出版社，1995年版）。
李志超認為，從文獻角度來看，漢代字書《釋名》解釋“柱”，說“柱，住也”，表明柱字原義是建築中不動的支撐件。由此，倒立擺結構不得稱“柱”，衹合稱錐。“都”是集總之義，說明不是孤柱，應該還附帶八套機關，而立錐卻衹能是光桿。這樣，僅由“都柱”這一名稱來看，倒立擺之說也不能成立。
李志超進一步指出，倒立錐的設計使原文所述其他一切部件皆成畫蛇添足。尤其是龐大的銅尊，毫無道理可言。再者，從物理評價角度來看，任何測量儀器的性能一般都可用兩個互相矛盾的指標表徵：靈敏度和穩定度。倒立錐的設計正好突出了精密計量技術這一主要矛盾。例如，為提高地動儀的靈敏度，就要把倒立錐的錐底做得很小，使之形成一個錐尖，但很小的錐尖承受巨大的重力壓強，在不可避免的微小震動作用中必將逐漸形成不可逆的變形，其趨嚮是錐尖下面的支承面形成坑窩，錐尖變得圓滑。這一過程不可逆，而且是加速的。這樣，倒立錐最終要倒下來，不管有無地震。如果為提高穩定度，將錐尖做成寬到實際不變形，那它的靈敏度必然很低，感知量比人所能察覺的還要大，地動儀也就失去了它的存在價值。 |
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在這些分析的基礎上，李志超提出了自己的設計：與王振鐸設計相仿，底座和尊仍然是連地的剛體，都柱是可動的慣性體，但不再是倒立結構，而是處於穩定的平衡態。都柱有八個伸出的底腳，其下設八個青銅硬球，球下面是尊的底。球的上下都用堅硬青銅作墊，要足夠平滑。這樣一旦發生地震，尊將隨地移動，而都柱由於與尊底座間摩擦力小而不能隨尊移動，於是二者之間産生相對運動，觸發機關，使竜將銅丸吐出。
都柱的尺寸推想為高一丈、直徑二尺，這可與總體協調。都柱與尊一樣，都有足夠的重量，這樣纔可以從地震獲取充足的能量，不愁“施關發機”所必需的力不夠大。另外，尊的巨大質量能起到屏蔽作用，減少都柱受到的幹擾，防止誤報。地動儀的全部“牙機巧製”則裝設在都柱及其座腳上，這樣符合“都”字本義。銅尊是一個帶蓋的大桶，尊的側壁上對稱地設八個圓孔，孔的直徑略小於銅丸，孔外飾以竜首，孔即為竜的喉，喉外為竜舌，舌有淺窩以置銅丸，銅丸靠在喉孔上，既不會掉入尊內，又把喉孔蓋緊了。竜首和竜體都衹是裝飾浮雕。一旦地震，都柱與尊發生相對位移，“施關發機”，竜機將銅丸推出，落入蟾蜍口中，起到報警作用。為了改善蟾蜍的聲學效應，還可以考慮在蟾蜍腹內另設響器，如方響之類，這可以更接近原文所描述的“振聲激揚”的效果。原文中提到的“牙機巧製”，李志超將其復原為兩級放大杠桿。而所謂“關”，則被設計成分立橫棒，一端頂緊前級杠桿的輸入端，一端頂緊尊的上沿。“關”的作用在於當都柱與尊發生相對位移時觸發放大杠桿。
為了與原文“竜機”的說法一致，李志超把推動銅丸的杠桿設計成竜形，讓它的下面有兩條腿（圖上沒有表示出來，因為是在垂直圖畫方向上重疊着的）站在轉軸上，尾巴橫折又上翹，構成受控的牙。它的上身有兩衹“手”，是執行自鎖功能的。設置自鎖機構的目的是為了實現原文所說的“雖一竜發機而七首不動”。李志超稱該機構為竜鎖。其結構如圖3所示，是一個懸吊水平環，該環用八條垂直細鈎吊在尊沿上，又用八條水平細鈎牽着都柱，所以衹能作小角度轉動，但足夠自由。環上有16個小立柱，每一對小立柱對着一竜的雙“手”，竜“手”是裝在竜體前的一對爪，爪是有斜縫的掌面，在嚮前運動時嵌入竜鎖小柱，並撥動竜鎖轉一個小角度，於是其餘七對小柱與對應的竜爪偏離，就把它們閉鎖住了。在整復時，落丸竜“手”被推復位，也把竜鎖帶動復位。
李志超對這一設計的靈敏度做了定量估算。他指出：假定柱與尊的相對平移量為0.01毫米，用杠桿作200倍放大，得2毫米，這就足以控製機牙了。都柱的運動産生滾動摩擦，摩擦係數量級為0.001，這樣，剋服摩擦促成相對運動的大地加速度要大於0.001g（g為重力加速度），近似為10毫米／秒^2。以此加速度獲得0.01毫米位移需要0.05秒。這些數字都是粗數，僅供半定量估算，其中0.01毫米是機構設計的主導數據，地震學靈敏性標志是10毫米／秒^2，這是三級烈度的弱震數據。加速度延時0.05秒的設想有些保守，此數增加則位移量將以倍數平方增加，足以彌補其他數據之不足，如機牙寬度增大、杠桿放大量減少等。由此，張衡的地動儀對於烈度為三級的弱震，是可以測報出來的。
根據這樣的分析，對張衡地動儀關於震源方向的測報就可以加以討論了。從現代地震學知識來看，地震過程復雜多變，前震後震強弱不同，方向也相異，要尋找震源衹可能從多個臺站的記錄依時間差推算，這在古代是不可能的。但是張衡的地動儀在設計中的確考慮了方向因素，“尋其方面，乃知震之所在”，就反映了這一點。這也並非完全不可能。如果候風地動儀做到了感知微震（1～2級），它應對遠處震中傳來的初波（P波）敏感。初波的地面移動方向與震源方向一致，是縱嚮波，所以竜吐丸的方位應能顯示一定量的方向信息。當然，這並非絶對，因為為了減少誤報，地動儀的靈敏度也會有一定限製，這樣，當地震的前鋒縱波不夠強時，地動儀可能會對之無動於衷，但後繼橫波卻有可能把銅丸震落，這樣落丸方向與震源就沒什麽關係了。
李志超還討論了地動儀的其他設計方案，經過分析比較，他認為圖2所示的都柱推動牙機控製方案，從其內涵與史料呼應來說，較為完備。他據此設計製作了一個縮小簡化的雙道模型，尺寸為原大的五分之一，衹有左右相對兩臂的機關係統，前後面為有機玻璃板，便於演示觀察。該模型很靈敏，完全證實了他的分析。
候風地動儀是中國古代一項重要的科學發明，它比歐洲出現地震儀的時間要早一千五百年左右。但由於實物的失傳以及原始文獻記載的簡略，使得今人對其內部結構有不同的理解，這是正常的。但無論如何，張衡的地動儀具有很高的靈敏度，這是大傢一致的意見。在此基礎上，通過精心的分析考證、廣泛的學術討論以及合理的模擬實驗，這個問題一定能夠得到解决。 |
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| 關於地動儀的結構，目前流行的有兩個版本：王振鐸模型（1951年），即“都柱”是一個類似倒置酒瓶狀的圓柱體，控製竜口的機關在“都柱”周圍。這一種模型最近已被基本否定。另一種模型由地震局馮銳（2005年）提出，即“都柱”是懸垂擺，擺下方有一個小球，球位於“米”字形滑道交匯處（即《後漢書·張衡傳》中所說的“關”），地震時，“都柱”撥動小球，小球擊發控製竜口的機關，使竜口張開。另外，馮銳模型還把蛤蟆由面嚮樽體改為背嚮樽體並充當儀器的腳（見上圖）。該模型經模擬測試，結果與歷史記載吻合。 |
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- n.: seismograph in ancient China
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