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候風地動儀的簡稱 Seismoscope short |
| 候風地動儀的簡稱。 東漢 天文學家 張衡 所發明的世界上最早的地震儀。用銅鑄造，形如酒樽，頂上有凸起的蓋，周圍有八個竜頭對準八個方向，每條竜的嘴裏含着一個小銅球。對着竜嘴有八個銅蛤蟆，昂頭張嘴，蹲於地上。哪裏發生地震，對準那個方向的竜嘴就會張開，嘴裏的銅球就落到銅蛤蟆的嘴裏。《後漢書·張衡傳》：“ 陽嘉 元年，復造候風地動儀……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。” |
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| 候風地動儀的簡稱。東漢天文學家張衡所發明的世界上最早的地震儀。用銅鑄造，形如酒樽，頂上有凸起的蓋，周圍有八個竜頭對準八個方向，每條竜的嘴裏含着一個小銅球。對着竜嘴有八個銅蛤蟆，昂頭張嘴，蹲於地上。哪裏發生地震，對準那個方向的竜嘴就會張開，嘴裏的銅球就落到銅蛤蟆的嘴裏。 |
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候風地動儀是漢代科學家張衡的又一傳世傑作。在張衡所處的東漢時代，地震比較頻繁。據後漢書．五行志記載，自和帝永元四年（公元92年）到安帝延光四年（公元125年）的三十多年間，共發生了二十六次大的地震。地震區有時大到幾十個郡，引起地裂山崩、江河泛濫、房屋倒塌，造成了巨大的損失。張衡對地震有不少親身體驗。為了掌握全國地震動態，他經過長年研究，終於在陽嘉元年（公元132年）發明了候風地動儀──世界上第一架地震儀。
據《後漢書．張衡傳》記載，候風地動儀“以精銅鑄成，圓徑八尺”，“形似酒樽”，上有隆起的圓蓋，儀器的外表刻有篆文以及山、龜、鳥、獸等圖形。儀器的內部中央立着一根銅質“都柱”，柱旁有八條通道，稱為“八道”。道中安有“牙機”。儀體外部周圍鑄有八條竜，頭朝下，尾朝上，按東、南、西、北、東南、東北、西南、西北八個方向布列。竜頭和內部通道中的發動機關相連，每個竜頭嘴裏都銜有一個銅球。對着竜頭，八個蟾蜍蹲在地上，個個昂頭張嘴，準備承接銅球。當某個地方發生地震時，地動儀內部的“都柱”就發生傾斜，觸動牙機，使發生地震方向的竜頭張開嘴，吐出銅球，落到銅蟾蜍的嘴裏，發生很大的聲響。於是人們就可以知道地震發生的方向。
漢順帝永和三年（公元138年）二月初三日，地動儀的一個竜機突然發動，吐出了銅球，掉進了那個蟾蜍的嘴裏。當時在京城的人們卻絲毫沒有感覺到地震的跡象，於是有人開始議論紛紛，責怪地動儀不靈驗。沒過幾天，隴西（今甘肅省東南部）有人飛馬來報，證實那裏前幾天確實發生了地震，於是人們開始對張衡的高超技術極為信服。隴西距洛陽有一千多裏，地動儀標示無誤，說明它的測震靈敏度是比較高的。
據學者們考證，張衡在當時已經利用了力學上的慣性原理，“都柱”實際上起到的正是慣性擺的作用。同時張衡對地震波的傳播和方向性也一定有所瞭解，這些成就在當時來說是十分了不起的，而歐洲直到1880年，纔製成與此類似的儀器，比起張衡的發明足足晚了一千七百多年。
關於地動儀的結構，目前有兩個版本：王振鐸模型，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（見上圖）。這一種模型最近已被基本否定。另一種模型由地震局馮銳提出，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酒樽改為背嚮酒樽並充當儀器的腳。該模型經模擬測試，結果與歷史記載吻合。 |
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| 候風地動儀是漢代科學家張衡的又一傳世傑作。在張衡所處的東漢時代，地震比較頻繁。據《後漢書·五行志》記載，自和帝永元四年（公元92年）到安帝延光四年（公元125年）的三十多年間，共發生了二十六次大的地震。地震區有時大到幾十個郡，引起地裂山崩、江河泛濫、房屋倒塌，造成了巨大的損失。張衡對地震有不少親身體驗。為了掌握全國地震動態，他經過長年研究，終於在陽嘉元年（公元132年）發明了候風地動儀──世界上第一架地震儀。 |
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| 據《後漢書·張衡傳》記載，候風地動儀“以精銅鑄成，圓徑八尺”，“形似酒樽”，上有隆起的圓蓋，儀器的外表刻有篆文以及山、龜、鳥、獸等圖形。儀器的內部中央有一根銅質“都柱”，柱旁有八條通道，稱為“八道，還有巧妙的機、關。樽體外部周圍有八個竜頭，按東、南、西、北、東南、東北、西南、西北八個方向布列。竜頭和內部通道中的發動機關相連，每個竜頭嘴裏都銜有一個銅球。對着竜頭，八個蟾蜍蹲在地上，個個昂頭張嘴，準備承接銅球。當某個地方發生地震時，樽體隨之運動，觸動機關，使發生地震方向的竜頭張開嘴，吐出銅球，落到銅蟾蜍的嘴裏，發生很大的聲響。於是人們就可以知道地震發生的方向。 |
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| 漢順帝陽嘉三年十一月壬寅（公元134年12月13日），地動儀的一個竜機突然發動，吐出了銅球，掉進了那個蟾蜍的嘴裏。當時在京城（洛陽）的人們卻絲毫沒有感覺到地震的跡象，於是有人開始議論紛紛，責怪地動儀不靈驗。沒過幾天，隴西（今甘肅省天水地區）有人飛馬來報，證實那裏前幾天確實發生了地震，於是人們開始對張衡的高超技術極為信服。隴西距洛陽有一千多裏，地動儀標示無誤，說明它的測震靈敏度是比較高的。 |
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據學者們考證，張衡在當時已經利用了力學上的慣性原理，“都柱”實際上起到的正是慣性擺的作用。同時張衡對地震波的傳播和方向性也一定有所瞭解，這些成就在當時來說是十分了不起的，而歐洲直到1880年，纔製成與此類似的儀器，比起張衡的發明足足晚了一千七百多年。
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。（詳見參考資料） |
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1700多年前，地動儀神秘消失，它的模樣和工作原理成為千古謎團。
2004年8月，河南博物院與中國地震臺網中心組成課題組，聯合研究張衡地動儀新的復原模型。
目前，這項課題取得重大進展，課題組用“懸垂擺原理”取代了傳統的“直立桿原理”。
2005年4月16日，這一科研成果得到了來自中國科學院、國傢博物館、中國地震局等單位的地震學和考古學專傢的肯定。專傢們認為：這臺復原地動儀首次把概念模型還原成了科學儀器，使之真正有了驗震功能。
驗收
地動儀復原模型把概念模型復原成了科學儀器
4月16日上午，河南博物院《天地經緯》專題陳列廳，由地震學、考古學、機械工程學等相關學科的專傢組成的驗收委員會，開始對用挑剔的眼光註視着地動儀復原模型（1/3小樣）。
當日下午，驗收組的7位專傢經過激烈討論，最終認為：新模型首次把概念模型復原成了具有驗震功能的科學儀器，邁出了復原研究的歷史性一步。這個驗收意見意味着，新復原的地動儀通過了階段性成果驗收，後續工作衹需對某些技術細節做進一步優化，對外觀做出最終確定。
河南博物院副院長田凱對此感觸頗深：“我們不僅在復原一件儀器，也在找尋1000多年前那位偉大科學家‘求實疾虛’的科學精神……”
心願
一定要讓地動儀模型“動”起來
1998年，河南博物院新館建設過程中，田凱負責主持《河南古代文化之光》陳列。佈置漢代展廳需要展示張衡的地動儀，當時最權威的模型陳列在原中國歷史博物館裏，它是王振鐸先生於1951年設計的，這臺卵狀體上含有8條飛竜的模型，已成為地動儀的“標準形象”。
河南博物院請蘇州天文儀器研究所按王振鐸的模型重新復製了一個木製模型，並提出“能否讓地動儀動起來”，得到的回答是：不可能，即使是中國歷史博物館裏陳列的那臺也不能檢測地震。但對方可以在模型下面人為地安上一個裝置，讓它動起來。
“我們展出的是科學儀器不是玩具，這樣做是對觀衆的欺騙。所以當時衹能造一個不能動的模型，但這個情結在我心裏一直存留了好多年。”田凱說。
6年後，瞭解到國傢地震局和國傢博物館的研究人員正在做復原工作。2004年8月，河南博物院與中國地震臺網中心簽訂了合作協議，組成了課題小組，共同復原張衡地動儀。
解謎
找到“垂懸擺原理”
該課題的負責人是中國地震臺網中心馮銳研究員。馮先生表示，1700多年前的地動儀究竟如何工作是首先須破譯的謎團，深入研究證實，地動儀應該是“懸垂擺原理”而不是王振鐸模型的“直立桿原理”。
幾十年來，國內外地震學界對王振鐸模型的否定意見一直沒有停。更有近現代西方學者認為張衡地動儀之所以失傳，是因為它沒有達到科學的要求，它不是個科學的東西。馮銳說：“看到這些嚴厲的批評以後，我們纔感到問題的嚴重性。”
歷時1年多，課題組最終確認了地動儀的工作原理應該是“懸垂擺原理”，而不是“直立桿原理”。
評價
這是一次重大跨越
地動儀的歷史資料，最著名的是《後漢書·張衡傳》中的記載，衹有196個字。早期的復原工作都是據此開展的。馮銳的課題組把資料的考證和利用擴大到《續漢書》、《後漢紀》等古代文獻，但相關文獻的總字數也不過231個。這些資料，使他們復原的史料根據更加充分。
在研製過程中，馮銳還采用了一些新技術、新方法，即利用洛陽地震臺接收到的現代隴西地震記錄，算出模擬的隴西歷史地震的波動效應，然後把數據輸入計算機，再控製特殊的振動臺完成洛陽地面震動過程的復現，用這種運動信號對振動臺上的復原模型進行檢驗和改進。
驗收組的專傢們認為：新模型對4次實際地震事件已經實現了良好的驗震反應，邁出了從概念模型到科學儀器的關鍵性一步，研究工作突破了古代科學儀器復原的傳統模式，是一次重大的跨越。
驗收會結束後，中科院地質與地球物理所的滕吉文院士說：“地動儀是中華文明留給人類的寶貴文化遺産，各國科學家都在嘗試復原，如果我們不把這件事做好，那就是罪過。從原理上和製作過程上講，這臺復原模型符合史料記載，符合張衡的基本思想……這臺地動儀復原模型代表了現代人的認識，它在現階段是最好的。” |
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2008年8月5日，受國傢“張衡地動儀科學復原”課題組委托，山西夏縣宇達青銅文化産業園宇達集團成功鑄造完成“張衡地動儀”。其造型設計由清華大學美術學院雕塑係王培波教授等完成，新模型用優質青銅精心鑄造，將在新落成的中國科技館展出。
據悉，國傢“張衡地動儀科學復原”課題組由中國地震臺網中心、清華大學美術學院、國傢博物館、北京機械工業自動化所、河南博物館等多學科的專傢組成，中國地震臺網中心研究員、地震學家馮銳任課題組組長。 |
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據學者們考證，張衡在當時已經利用了力學上的慣性原理，“都柱”實際上起到的正是慣性擺的作用。同時張衡對地震波的傳播和方向性也一定有所瞭解，這些成就在當時來說是十分了不起的，而歐洲直到1880年，纔製成與此類似的儀器，比起張衡的發明足足晚了一千七百多年。
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。（詳見參考資料）
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)
結構分析
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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- n.: seismograph as invented by the Chinese scientist Zhang Heng in A.D. 132
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