防灾减灾宣传周｜关于张衡地动仪意义的讨论

防灾减灾宣传周

今年的5月12日是第13个全国防灾减灾日，主题是“防范化解灾害风险，筑牢安全发展基础”。5月8日至5月14日是防灾减灾宣传周，这一周，我们将每天与大家分享一则优秀文章或视频，希望能够提高大家对地震的了解，增强防灾减灾的意识和能力。

关于张衡地动仪意义的讨论

在地震观测史上，张衡于公元132年发明的地动仪无论如何是一座不能绕过的里程碑。很多教科书、公众读物，甚至科学著作，主要根据《后汉书》的记载，或者是根据李约瑟先生的介绍，指出这一发明属于一种检测已经发生了地震的“验震器”，并且比西方的类似发明早一千五百年以上。这一介绍基本上反映了张衡地动仪的实际地位。然而，由于在这一介绍中，我们习惯于单向地以近代地震仪作为参照来介绍这一探测地震的精巧装置，在不进行特别说明和仔细讨论的情况下，我们很可能低估了这一伟大发明的意义。

不少地震学家已经注意到了这一问题。傅承义先生在《地球十讲》一书中曾特别提到，张衡地动仪的发明，表明张衡已经了解地震是从远处一定方向传来的地面振动，而这是近代地震观测的一个基本原理。著名地震学家、美国加州大学伯克利分校布鲁斯·伯尔特（Bruce Bolt）教授在他早期的著作中，最初也是沿用“验震器”的思路以近代地震仪作为参照来介绍张衡地动仪的。然而在他后来的著作中，尽管仍对地动仪的灵敏度有所怀疑，却特别提到了公元138年地动仪检测到发生在甘肃省内的一次地震的记载。陈运泰院士在《数字地震学》一书中使用了完全相同的表述方式来介绍地震学发展史上的两个重要的历史事件，暗示它们具有同等重要的科学意义：公元138年张衡地动仪记录到陇西地震，“这是人类历史上第一次用地震仪器检测到远处发生的、但在仪器所在地无感的地震”；1889年在波茨坦记录到日本的一次地震，“这是人类历史上第一次用近代地震仪记录下远震”。

对于当时位于东汉首都的张衡地动仪来说，陇西地震的震中距为千华里的数量级。表1是柏杨先生在《中国人史纲》一书中给出的十八世纪清王朝从北京到各地驿站的官定行程，其中包头到喀什为普通的商旅行程。“限期”以驿站传递文书时马匹的普通速度为标准，“加急”则大多用于军事行动。“加急”通常通过两个机制的结合实现，一是将马匹奔跑的速度设置到极限：“驿马往往因狂奔过度而倒毙”；二是进行驿站处不同马匹之间的“无缝连接”：下一驿站听到来自上一驿站的驿马的铃声后，立即上马奔驰，“当后马追及前马，两马相并时，马足不停，即在马上将文书交递”。从表1还能看出，里程相同，行程、日数并不一定相等，这主要取决于沿途的交通条件。按照柏杨的估计，“那虽然是十八世纪清政府时的规定，但这种情况可以追溯到纪元前三世纪跟匈奴人作战时代，在交通方面，二千年间只有稍稍的改进，很少突破性的变化”。《后汉书》中关于陇西地震的记载，与表1中的数据大体吻合，“后数日驿至，果地震陇西”，“数日”给出了地震信息送达的特征时间。

表1 清时期北京到各地驿站的官定行程

（引自柏杨《中国人史纲》）

显然，在那个以驿马为信息传递的主要手段的时代，对于一个幅员辽阔的国家而言，张衡地动仪的重要意义在于利用地震波作为信息载体实现了地震信息传递速度数量级的增加，这是地震灾害监测方式的一个革命性进步。翁文灏先生的诗准确地指出了张衡地动仪的这一重要意义：“地动陇西起，长安觉已先，微波千里发，消息一机传”。尽管地动仪不象现代地震仪那样有精确的时间服务系统，“监测人员”还是可以在地震之后“很快”知道有地震发生，其时间延迟取决于地震波的传播时间；尽管这只是粗略的信息，但与驿马信息相比，却几乎可以说是“实时”的了。

这种地震信息传递速度数量级的增加和监测方式质的变化，是否在当时的防震减灾中起到了现实的作用，亦不能简单地采用今天的情况作为思考问题的参照来回答。张衡地动仪记录到的几次破坏性地震是否真正对东汉政府的救灾行动有所帮助，并没有史料记载。张衡在陇西地震之后不久就去世了，地动仪后来在战乱中下落不明。地动仪只能给出一个地震发生的大致方位，而无法给出地震或者地震灾害的详细情况；按照伯尔特教授的说法，由于P波和S波的问题以及P波初动方向的问题，它甚至可能连正确的方位都难于确定。这些都是事实。不过，把思考问题的参考系平移到东汉，地震作为一种灾害，其现实的破坏与其对王朝和民间的心理打击是同等重要的；也许后者更为重要，因为当时的主流观点认为，地震与“天”有着不可分割的联系。因此，极大地提高探测这种不可预知的重大自然灾害信息的速度，其重要性十分明显。一个可能的场景是，当惊慌失措的地方官员战战兢兢地报告地震灾情的时候，皇帝冷静地告诉他们，不用着急，朕早就知道了。朝廷“自此以后乃令史官记地动所从方起”，决不是因为京师的知识分子从“咸怪其无征”转变为“皆服其妙”——对于汉王朝，这一点几乎毋庸置疑。之所以有这样的机构设置，显然并不是因为学者们“皆服其妙”，而是张衡地动仪的实际意义确实受到了高层的关注。

伽利略把望远镜对准木星的时候，他的望远镜便不再仅仅是一个光学玩具。同理，张衡地动仪开始记录远方传来的地震信号的时候，地动仪便不再仅仅是一个单纯的机械装置。这是张衡地动仪的一个特别值得强调的意义。如果简单地以近代地震仪为参照，过于强调张衡所发明的不过是“验震器”，因为它不能记录到地面运动的全过程，那么张衡地动仪的确仅仅是一个非常原始的机械装置，它工艺的精巧并不能补偿科学思路的简陋。但是，如果考虑到不是“地震地面运动的全过程”、地震信息的收集和传递才是地震监测的最实质性的问题，那么张衡地动仪在地震监测方面的进步便是划时代的。从这个意义上说，只有在一个验震器具有与张衡地动仪相当的灵敏度、以至至少可以记录到当地的或区域性的地震、它也确实记录到了地震、并且确有可信的历史记录的条件下，这一验震器与张衡地动仪之间的差别才不是本质性的。仅有设计原理上的“相似”，还不足以使一个验震器和张衡地动仪相提并论。而从收集地震信息的角度说，张衡地动仪与现代地震仪之间，却并没有本质性的差别：有了宽频带数字地震记录之后，人们才开始注意到，实际上没有任何一种近代地震仪有资格说能够记录到地面运动的“全过程”，他们所记录的，无一例外地都是地面运动的一些频段内的信息；有了地震波形的合成和反演这些现代地震学概念之后，人们才明白，在以“峰值”、“到时”、“初动”为主要词汇的近代地震学研究中，也没有哪一项成果是靠研究“地面运动的全过程”得到的；按照“经典”概念，张衡地动仪无论如何无法进入“地震仪”的行列，它只配被“边缘化”为地震仪前身的“验震器”，然而，用宽频带数字地震学的语言说，张衡地动仪被作为一种“地震仪”实际上也没有什么不妥，它的不同不过是两点：第一、它缺少一个“内置”的时间服务系统，第二、它具有一个与众不同的传递函数。

以近代地震仪、特别是摆式模拟地震仪为参照来讨论张衡地动仪的意义，很容易过于强调张衡地动仪“不能记录到地面运动的全过程”，而这恰恰不是张衡地动仪的限度，而是我们自己的思路的限度。如果说张衡地动仪提醒我们，收集和传递地震和地震灾害的信息，除了近代地震仪、特别是摆式模拟地震仪的设计思路之外，还早有其他的思路，那么近年来随着科技的发展和社会的进步，人们越来越多地注意到这些“其他的”思路、有些甚至是“另类”的思路的现实性。地震烈度的实时监测和速报，在日本等地早已投入常规运转，其设计思路与我们熟悉的近代地震台网有着很大的不同。非连续GPS观测所记录的，同样不是“地面运动的全过程”，但是用这些记录却可以反演出地震震源的很多信息，例如地震位错的分布。利用卫星遥感信息获取地震灾情资料的研究和应用，正在引起越来越多的专家的注意。利用民用通讯网络进行地震灾情信息的速报，在一些地区已提上灾情监测的日程。全面禁止核试验条约（CTBT）现场核查技术中一次性“硅地震仪”的设计思路，则几乎就是张衡地动仪的“芯片版本”。现代社会的发展对地震信息的传递速度和地震信息的内容提出了新的要求，也同时给这种信息传递提供了新的技术条件和新的方式。在这样的背景下，重新审视我们司空见惯的“标准”说法，可以明显地看到张衡地动仪的意义，恐怕是被我们大大地低估了。那“隐在樽中”的“牙机巧制”，也许将是科学史研究中永远的不解之谜，然而，张衡地动仪穿越千年的历史，却仍在启发着今天的科技创新的思路。

作者：

中国地震局地震预测研究所所长、研究员 吴忠良

来源：中国地震局