张衡地动仪的科学复原模型

随着地球村时代的到来，世界上更多的人注意到了中国的张衡和他创制的地动仪。这不仅因为它是人类第一台地震仪器，创制年代早于西方验震器约1600年, 还因为地动仪成功地测到了千里之外的陇西地震，创造了一个1700多年前“京师学者咸怪其无征，后数日驿至，果地震陇西”的科学奇迹。突出的科学创新和巨大的时间差距，使得地动仪成为自然科学史中永恒的话题之一，而仪器的失传又为其增添了一抹神秘色彩。因此，自19世纪后期开始，各国科学家对地动仪的复原研究工作就没有间断过。

在地动仪的复原研究过程中，迄今已经提出了14个复原模型，实现了三次里程碑性的跨越：19世纪日本人服部一三，把文字史料变成了猜想图形；20世纪中国人王振铎先生，把猜想图形变成了展览模型；21世纪，由中国地震台网中心和河南博物院组成的科学复原课题组，把展览模型上升到了验震仪器。在一百多年的复原研究中，贡献最大、影响最大的是中国历史博物馆王振铎先生于1951年设计的地动仪复原模型。该模型在弘扬中国文化和开展国际交流方面起过积极的作用，其工作原理和外形也被编入我国的中小学教材，进行着传承式的宣传教育。但随着研究的深入和资料的丰富，这个模型却被国内外的学术界所否定。因为地动仪是地震学的一种专业仪器，复原模型在宏观上必须具有能够自动区分出地震和非地震的基本功能，否则就失去了所蕴含的科学价值和社会意义，甚至起到负面作用。而1951年的复原模型，恰在这一点上存在严重失误，张衡地动仪被复原成了报警器而不是验震器，以至于社会上流传的所有模型，包括中国历史博物馆的原件，都是不能工作的。

科技的发展，时代的崛起，需要科学的批评。张衡地动仪的科学复原势在必行。

2002年，在地震科学联合基金的资助下，张衡地动仪工作原理的研究开始起步。2004年，中国地震台网中心同河南博物院合作，开展了科学复原的研究工作。课题组本着“原理正确，结构合理，设计有据，逼近历史”的原则，同时从历史学、考古学、地震学、机械学、试验学和美术学六个方面开展研究。新模型于2005年4月先后通过了专家委员会的验收，以及由国家文物局和河南省政府组织的验收，并在河南博物院和北京海淀公共安全馆正式展出，已经产生了积极的社会反响，引起了广泛关注。2007年，定型小样的制作得到中国地震局震害防御司的专项资助。

新模型的外型及内部结构严格忠实于史料记载，在百余年来复原研究仅限于范晔《后汉书·张衡传》196个字的基础上，拓展挖掘出了早于《后汉书》70

至150年的7份史料，经逐字对比，共得238个字：

阳嘉元年，秋七月，史官张衡始作（候风）地动铜仪。

以精铜铸其器，圆径八尺，形似酒樽，其盖穹隆，饰以篆文、山龟鸟兽之形。樽中有都柱，傍行八道，施关发机；外有八方兆，龙首衔铜丸；下有蟾蜍承之。其机、关巧制，皆隐在樽中。张讫，覆之以盖，周密无际，若一体焉。如有地动，地动摇樽，樽则振，则随其方面，龙机发，即吐丸，蟾蜍张口受丸。丸声振扬，

司者因此觉知。虽一龙发机, 而其余七首不动，则知地震所起从来也。验之以事，合契若神，来观之者，莫不服其奇。

自古所来, 书典所记, 未常有也。尝一龙机发，而地不觉动，京师学者咸怪其无征，后数日驿至，果地震陇西，于是皆服其妙。自此以后，乃令史官记地动所从方起。

据此，课题组对含有明确地震学意义的结构、大小、反应、关系、应用和参数6个方面的记述进行了深入的研究，使史料信息定量化，提取出了地动仪的静态和动态参数；在试验室对悬垂摆、直立杆、自由杆3种工作原理进行了严格的试验，重现了陇西地震现象；利用历史地震、现代地震、灵台地基和陇西地震的研究结果，建立了检验地动仪模型的地震波动标准，为模型的设计和修改奠定了基础；确认内部结构由“柱、关、道、机、丸”5部分组成，使得复原更加科学和符合历史文献的记载。

与1951年王振铎先生的复原模型相比，新模型的不同之处在于：

·在深入研究史料的基础上，将工作原理由直立杆改为悬垂摆；

·考证了“都柱”的基本词义，在液压振动台上对原大框架结构的悬挂“都柱”，进行了严格试验。证实了“悬垂摆”只对水平运动有反应，对垂直运动不反应，具有强抗干扰功能。特别是对5次真实地震记录（3个地震事件）的震例检验，实现了合理验震；

·考证了汉代加工铸造的技术水平，结合史料研究的结论，得出内部结构由“柱、关、道、机、丸”5部分组成；

·根据20世纪70年代末的灵台考古资料，进一步对当年置放地动仪的灵台地基、建筑、结构等等做了现场调查，按照史料文字的明确记载和限定，将散放的蟾蜍改为仪器的器足。新模型的蟾蜍，除具有保留测震的物质证据、撞击发声的功用外，还具有支撑樽体、提高稳定性、便于仪器的调节等作用；

·在深入研究史料的基础上，详细考证了中国传统文化理念，将早期模型中倒置的全龙改为龙首，樽体的基形也由圆壶改为符合史料记载和汉代特征的温酒樽，同时对迄今能掌握到的国内外全部汉代酒樽的直器壁圆径、高度、顶盖弧度、整体高度、器足高度等一一进行了测量，根据统计结果确定出了复原模型内外结构的几何尺寸；

·造型设计遵循“科学合理、有文物依据”的简单原则。顶部的凤鸟——代表阳，古人的太阳崇拜；穹隆的顶盖——苍天。史料有“形似酒樽，其盖穹隆”，张衡有“天体于阳，故圆以动”“天转如车毂之运也，周旋无端”（《浑天仪注》），说明古人朴素的仿生观的运用；四灵的纹饰——青龙、白虎、朱雀、玄武四神或四灵。分别代表东西南北四方，或春分、秋分、夏至和冬至四个节气，是中国早在新石器时代就逐渐形成的一种文化。四灵同太阳神鸟一样, 在苍天中围绕太阳呈逆时针翱翔；口含火球的八龙——创世神烛龙，盘古的原型，龙首一旦吐丸，

寓意该方位的大地不会再平静；篆文和八卦——古代表示8个方向的标志，为震（东）、巽（东南）、离（南）、坤（西南）、兑（西）、乾（西北）、坎（北）、艮（东北）。同时也表示世间万物的哲学关系；八个蟾蜍——代表阴，古代的月亮神；海浪水纹——海水承托大地的古宇宙观。庄子有“海水三岁一周流，波相薄则地震”，即海浪相碰就引起地震。张衡有“天地各承气而立，载水而浮”的浑天观。所以中国的古代地球模型只有天穹、大地、海水三层结构；平底和铭文——张衡持“天圆地平”观点[30]。作者在底边特加铸了一圈铭文，既是艺术需要，亦为共勉：科学研究，永无止境。

·在深入研究史料的基础上，结合国内外近期的学术研究结果，澄清了史料所述“果地震陇西”的震例，应该是公元134年12月13日（阳嘉三年十一月壬寅）的陇西地震，震中在汉阳（今天水）一带。对长期误传的138年金城-陇西地震，应予明确更正。

新模型在研制期间，得到了丁国瑜、滕吉文院士，郭增建、孙机、卢兆荫研究员的悉心指导。参加工作的单位有中国地震台网中心，河南博物院，中国地震局地球所、地壳所，国家博物馆，北京工业机械自动化所，兰博雕塑等7个单位。此外，国家文物局所属的5个博物院（故宫、国家、河南、西安、上海博物院），中国社会科学院考古所，河南省考古所、河南省地震局等单位都安排了相关的专家进行了指导。正是他们的不吝赐教和大力支持，科学复原才成为现实。

目前，新模型的优化和完善工作已经完成，青铜定型小样已在北京史家胡同小学科技馆展出，引起了中国科技馆、公共安全馆及其他科普教育展馆的注意。张衡地动仪的科学复原论文已经在《地震学报》《中国地震》《自然科学史研究》《中原文物》等学术刊物发表。课题组诚恳地期待着各方的批评和指导。