张衡候风地动仪的原理复原研究.docVIP

、 [ 文章编号 ] 100124683 (2003) 0420358219 张衡候风地动仪的原理复原研究 冯 锐 武玉霞 (中国地震局地震信息中心 ,北京 100045) 摘要 候风地动仪复原研究的分歧源于工作原理不清 ,影响到外形复原的合理性和对地动 仪科学地位的公正评价 。针对百年来悬垂摆和直立杆这两种基本原理的猜测 ,作者从现代地震 学的角度出发 ,对验震器的特点《、后汉书》的记载 、都柱结构与运动 、陇西历史地震 、洛阳的烈度 以及洛阳地震台的现代地震记录图等进行了研究 。认为候风地动仪的工作原理是悬垂摆 ,触发 地动仪运动的是瑞利面波 ,共振起到放大作用 。长期流行的直立杆原理 (曾一度被误称为“倒立 摆”) 是不合理的 。 关键词 : 张衡 候风地动仪 验震器 悬垂摆 直立杆 考古 [ 中图分类号 ] P315 [ 文献标识码 ] A 引言 东汉科学家张衡于公元 132 年创制了候风地动仪 ———世界上第一台验震器 ,大约在公 元 312～418 年 (东晋末年) 失传 。南北朝 (公元 420～479 年) 范晔著《后汉书·张衡传》用 196 个字做了记述 ,得以永传 。 鉴于地动仪同中国四大发明之一的司南 ———指南针分别是人类在地震学和地磁学的首 0 创仪器 ,在科学发展史中具有很高的地位 ,国内外的研究一直未停 。宋 、元 、清便有江少虞 、 周密 、倪正 、何王秀 、文廷式等 ,近代有服部一三 、Milne ,J . 、吕彦直 、王振铎 原尊礼 、今村明 恒 、关野雄 、刘昭民 、Sleeswyk 和 Sivin 等 。最早对工作原理进行过研究的是二位地震学家 ———英国人 Milne John (于 1883 年) 和日本人 原尊礼 (于 1937 年) ,他们一致认为地动仪利 用了物体的惯性 ,但前者推断是悬垂摆 ,后者推断是直立杆 ———简单直立的杆在地震时的倾 倒触发了仪器的工作 。不过 ,囿于对中国古文理解和当时条件的限制 ,他们都没有对《后汉 书》和中国历史地震做过任何正面的分析 、考证与研究 ,仅是经验性的猜测 。120 年来 ,这两 种猜测一直作为两种可能的工作原理被延传下来 。 我国考古学家王振铎先生对候风地动仪的复原做了重要贡献 ,他在 1936 年曾按悬垂摆 原理做过复原 (王振铎 ,1936) ,后否定 ( 王振铎 ,1963a ; 1963b) ; 1951 年又遵循 原尊礼 1937 年的直立杆原理并参照服部一三 1875 年绘制的外形制作了一个卵状的八条龙模型 (图 1 ,王 [ 收稿日期 ] 2003206230 ; [ 修定日期 ] 2003208201 。 [ 项目类别 ] 地震科学联合基金项目(104133) 。 [ 作者简介 ] 冯锐 ,男 ,生于 1941 年 ,毕业于中国科学技术大学 ,博士生导师 ,研究员 ,从事地震学、地球内部物理学和 地学层析成像等领域的研究。Email : rfeng - cn @yahoo . com. cn 振铎 ,1963a) ,存于中国国家博物馆 ,印在 1953 年的中国特种邮票 ( 特 7) 上 ,流传甚广 ,常用 做中国地震学界的徽记 。至此 ,直立杆原理 (曾一度被误称为“倒立摆”) 便一直居于主导地 位 ,似成定论 ,亦收入到学校的教材中 。但随着研究的深入和 50 多年间大量秦汉青铜器的 出土 , 卵状模型在原理和外形上的偏谬已渐明显 ,有必要重新认识 。事实上 ,作为一件地震 学的专用仪器 ,对这个模型既未做过理论计算和仪器检测 ,也从没有作为一架真正的验震器 应用过 , 故地震学界一直未从严格的科学性上接受过它 ( 例 Bolt , 1978 ; Sleeswyk 等 ,1983 ;博尔特 ,2000) 。 李善邦 , 1981 ; 图 1 两种对应的地动仪模型 (a) 悬垂摆模型 (王振铎 ,1936) ( b)“倒立摆”模型 (王振铎 ,1963) Fig11 Two opposite reconstructed model of the Zhang Hengπs seismoscope 地动仪的高度学术地位与复原模型的不合理性出现了强烈的反差 ,一些尖锐的否定观 点相继出现 。奥地利的雷立柏认为 (2000) :张衡地动仪的科学价值非常有限 ,彻底失传的仪 器与地震学的后来发展毫无关系 ,而且《后汉书》的记载不一定可靠 ,中国人把张衡地动仪视 为“国宝”和“国粹”, 它更多象征着一个向往 ( desideratum) , 而不是代表一个完满的实现 (fulfillment) 。即使没有张衡的地动仪 ,世