张衡发明的地动仪可以捕捉到前震么？

张衡地动仪新释

本刊在2014年第二期曾发表过《我们也曾仰望星空——怀念张衡》一文，并放在了本刊官方博客上。这篇文章介绍了张衡生平及其文学、科学成就，也谈了作者对张衡地动仪的一些理解，读者张羲之先生读后，寄来稿件，谈到了他对地动仪的看法。经张先生同意，本刊将稿件原文在此发表，欢迎读者朋友们提出宝贵意见（目前主要的几种地动仪复原方案附于文后）。

张衡地动仪新释

人们认为张衡地动仪只是一台记录地震的仪器,然而由以下的讨论，应考虑为一台预报仪器。

张衡只做一台记录仪器是没有意义的，只有做预报器才能使人们逃生。回到《后汉书》的记叙进行讨论。

《后汉书》中说，“如有地动,尊则振龙，机发吐丸”,地动,是什么地方动，是本地动还是他地动?如有地震,这个“有”字,只是说有,不肯定是在什么情况有,可能是在仪器动作之后有,这就是未来时态；如果地震之后,仪器才有动作,这就是进行时态。是地动了然后机器动作,还是机器动作了而随后地动，这些问题有待讨论。地动和机器动作,是一一对应关系，还是其他对应,也有文章。

《后汉书》说，“尝一龙机发，而地不动，京师学者咸怪其无征，后数日驿至，果地动陇西。”

龙动了，而地不动，说明地动与机器动作,不是一一对应，而“后数日驿至，果地动陇西”，地动和机器又对应上了，然而，对应的不是本地，而是他地，而对应的时间不是即时，而是延时（数日之后驿至）。

关键是延时,是数日之后驿至，所有研究地动仪专家认为，是地动仪先接收到地震波，而驿马慢了传报。是这样吗？其实这是先入为主的判断。

汉代的驿马有一日500里，一日800里快驿，一天可到，何用数日？数日最少也有四天。

更不用说，还有飞鸽传书，刘邦与项羽作战，张骞出使西域，都用飞鸽传书方法传递消息，苏武也是用大雁传输方式报告汉帝，如此数小时便可把地震消息传至洛阳。

因此，不能以“后数日驿至”，作为张衡地震仪是接收到陇西地震波而作用的。

这是一个非常重要的判断，断定地震仪是否有预报功能的根据。

那么，地震仪为什么有预报功能的呢？要从它的结构讨论。

《后汉书》说，地震仪，圆径八尺，内置都柱。八尺约三米，按黄金分割算，它的高度约四米多，又说形似酒樽，就是说，它像一个蒙古包的东西，内设都柱，都柱就是皇宫里的柱子，傍行八道，就是说有八条滑道，宫中柱子，直径约30公分，牙机巧制，这就是控制龙口吐珠的装置。

这样，地动仪的构造，大概是蒙古包内立一根柱子，柱子与八条滑道相接，仪器外装八龙，龙口含珠，珠之吐出由锁定控制。

傍行八道，没有说，什么物体能在八条滑道上行走，如果在这个关键点上有记载，就可以大白于天下了。什么东西可以在滑道上行呢？球，只能是一个球。

到这里，张衡的地动仪就可以制作出来了。不论王振铎,还是冯锐，他们的地动仪都不是张衡的仪器原理。

这样简单的仪器，能预报地震吗？能。

这样的仪器，就是地倾斜仪，也是一台接收地震波的接收器。

这台仪器，不是放在地下室内，而是放在灵台的高地上，因为高度越大，晃动越厉害，地而稍有倾斜，顶上倾斜就大，晃动也同于此理，设想地面在慢慢的倾斜过程中就孕育地震，当到某一界点，地震就发生了。

地动仪动作时所对应的地震，应该不是后来驿马所报告的的地震，而是这个大地震的前震。

据统计有百分之三十的大地震都有前震，海城地震有前震，玉树地震有前震，即使唐山、汶川地震也有前震，只是专家不去认真研究罢了，这就是说，有三成的地震是可以预报的。张衡地动仪可以接收前震信息，而做出预报功能，今天的地震仪，也可以完全作为预报地震的工具，其关键是捕捉前震，这是海城预报地震给我们留下的宝贵经验。

地震界，不用再说“上天容易，下地困难”了，应理直气壮地说，地震有三成可以预报，如果更结合其他手段及宏观观测，则应有百分之五十的胜率。

结论：张衡地动仪不只是接收地震波的仪器，也有可能预报的作用，同样，地震仪也可以预报地震，关键是捕捉到前震。

张羲之先生手绘的地动仪结构示意图

张羲之先生手绘的地动仪报警机制示意图

龙口打开的四种可能：

1、地面倾斜。

2、接收到地震纵波，樽体震动，顶球下滑。

3、接收到次声波，樽体震动，顶球下滑。

4、接收到不被人类感知的三级或四级前震，顶球也可能下滑。

补充：张衡的地动仪，像是一个人戴上一顶尖顶的帽子，（如清朝官员帽子），帽顶放一圆球，当地面倾斜，或震动，球沿不同滑道滚下，打在下方挡板上，打开龙口中的锁扣，吐出丸子。

又，震区的居民，可在酒杯上放一块玻璃片，上放滚珠，一旦地面晃动，珠子掉下，打在地板上，便知地振动了。

目前主要几种关于张衡地动仪的复原模型及原理：

1王振铎复原的地动仪

近现代以来，各路地动仪的复原专家，都对“中有都柱，傍行八道，施关发机”进行研究，其重中之重，又集中在对“中有都柱”的理解，概括起来有两种：“悬挂于顶部的柱子”和“立于底部的柱子”。

地动仪复原专家王振铎先生于1936年绘制地动仪草图时，认为“都柱”是从地动仪的顶部悬挂下来的一根柱子，当受到震动时，柱子摆动，从而触发机关，即所谓的“悬垂挂原理”。不过在1951年，他复原制作的地动仪模型，根据的却是“直立杆原理”，即“都柱”是一根上粗下细的直立铜杆，就像一个倒置的啤酒瓶，立于地动仪底部，只要受到震动，就会倒下，从而触发其它机关。王振铎先生做这样的改变，有他理解上的变化，首先他认为“都柱”即为柱子，自然应立于仪器底部才符合文献记载；其次他认为地动仪里“傍行”的“八道”即八条轨道无法与悬挂的柱子相匹配，因为地震是多向的，柱子的运动方向是随机的，而“八道”规定只有八个方向，有可能“八道”会扭曲柱子原来摆动的方向，从而无法准确测量出地震的方位；其三他认为悬垂的柱子是重物，在摆动的过程中，由于惯性较大，有可能会触动相对的两组龙机。

不过，王振铎的地动仪模型并没有做过理论计算和仪器检测，也没有真正应用过，1976年唐山大地震时，该仪器毫无反应，成为人们质疑它的一大理由。同时，根据“直立杆原理”复原出来的地动仪模型，有一个很大的缺陷：无法对非地震的干扰震动做到不反应。也就是说，只要仪器周边有动静，比如有人在周边跺跺脚，柱子可能就会倒下。因此对依照“直立杆原理”复原出来的地动仪，质疑否定的声音一直不断。

王振铎复原的地动仪原理图

王振铎复原的地动仪外形图

2、冯锐复原的地动仪

2005年，中国地震台网中心研究员冯锐等人经过缜密的计算和考证，认为张衡地动仪的“都柱”应该是“悬垂式”的，最重要的是该模型不会受非地震的震动的干扰，尤其不会受到自地面传来的垂直震动的影响，而只会对地面水平运动的震动有反应。

简要说来，冯锐版地动仪模型是在悬垂的空心的“都柱”下面设置一个小球，位于八条轨道组成的“米”字形滑道交汇处，冯锐先生理解了“施关发机”的“关”是门栓的意思，不过他却把它设计成了一个小球，地震时，这个小球会掉下来，滚落轨道之中，击发控制一个类似于杠杆的机关，拨动顶部龙口里的球，掉入下面的蛤蟆口中。该模型出来后，学界普遍认为比较接近于文献记载，但在对原理的理解方面和一些细节方面仍然受到质疑。

冯锐复原的地动仪原理图

1、该模型将“都柱”设计成了“悬垂摆”。

2、理解了“施关发机”中的“关”是“门栓”的意思，并将其设计成了“都柱”下含着的小球。

3、当地震发生时，“都柱”摆动，小球滚落到“傍行八道”中一条轨道之中，触动连接小球的杠杆，推动高处龙嘴里的小球掉落。

4、该模型并没有对“施关发机”中的“机”做出具体准确的阐释，而是笼统理解成了一个由杠杆控制的机关。

5、于安君先生在《张衡地动仪原理重新研究》一文中如此评价此复原模型：“此模型的设置过程简言之为：施丸发丸。如果去掉其八只龙头及八只衔丸及倒L型的‘机’，只提高铜关的高度，让铜关上的‘丸’直接落击蟾蜍口内，此无疑会大大简化此仪器的制造，难道古人在避简就繁，此模型的‘机’，‘衔丸’以及‘龙首’等有多余之嫌。不能恰当而贴切地按史料设置，似乎有些过于‘进步’于当时和史料。”

3、于安君复原的地动仪

于安君先生，陕西岐山人，宝鸡景观艺术雕铸厂（原岐山县新王朝文物复制厂）厂长，青铜器复制专家。本刊2014年第二期有专文介绍其人及复原的地动仪。

2009年，宝鸡市减灾办原主任周可兴先生找到于安君，请他依照冯锐复原的地动仪模型结构，复原制造一尊地动仪，放置于其筹建的大型地震主题公园里。商、周易帜时期的几次岐山历史大地震，是中国和世界上有明确史料记载的最早的破坏性地震。在宝鸡兴办一个地震主题公园，可以吸引国内外广大地震科学工作者、爱好者和志愿者来这里共襄防震减灾大计、共克地震预报难关。

于安君对此非常重视，认真研究冯锐课题组报告中的地动仪模型结构和对比《后汉书》等文献关于地动仪的记载之后，于安君认为冯锐课题组提出的地动仪模型并不完全符合文献记载，有些地方甚至对文献的理解有错误。于是，他决定自己来复原一个符合张衡制作原理的地动仪模型。

于安君也赞同“都柱”设计是“悬垂挂式”的，但与以往人们对“中有都柱，傍行八道，施关发机”的理解重点放在“中有都柱”不同的是，他将理解重点放在了“施关发机”之上。他通过“抠字眼”的方式，认为“关”在古文献中的意思是“门栓”，这一点与冯锐先生理解一致，但与冯锐先生笼统将“机”理解成一个类似于杠杆的机关不同，于安君明确指出了“机”的意思是“弩机”。在他看来，冯锐版地动仪模型的核心意思是通过一个球去控制击发另一个球，这是“施丸发丸”，而不是文献中所说的“施关发机”。依照这样的原理制作出来的地动仪模型在结构上会与张衡的原件有很大的差别。

于安君版地动仪模型与冯锐版最大的不同之处在于：于安君将“关”用一根铜棍设计成了一个卡在“都柱”中、竖着的“门栓”，能起到锁定都柱首冲方向的作用，可以达到文献中所说的“虽一龙发机，而七首不动”的效果。而在与都柱平行、靠近龙口处设置了一个一整套的弩机装置系统。这样，当震波传来时，“都柱”因惯性而摆动，当摆动到八条轨道的某条之时，“门栓”就卡在轨道之中，等于说是锁住了“都柱”的惯性方向，同时该“门栓” 引发龙头弩机系统，铜丸掉入仪器下方的蟾蜍口内。

于安君复原的地动仪原理图

1、该模型将“都柱”设计成了“悬垂摆”。

2、理解了“施关发机”中的“关”是“门栓”的意思，并将其设计成了“都柱”下含着的门栓状的小棍。

3、理解了“施关发机”中的“机”是“弩机”的意思，并在仪器顶部设置了这么一个弩机系统。

4、地震发生时，“都柱”摆动到某个方向，门栓状小棍卡在轨道之中，防止了“都柱”的再次摆动，同时通过杠杆，触发弩机系统，推动龙嘴里的小球掉落。

对于于安君复原的地动仪模型，兰州市地震博物馆原馆长王增甲先生做了这样的评价：“潜心考证分析了史料典籍记载，对比研究了当时的技术水平和古汉语用字含义，在关键部件上，作了原始的理解，作出了令人信服和相对圆满的解说，并成功制造了可以实际运作的结构模型，撰写了《张衡地动仪原理重新研究》的学术论文”。

文章编辑：秦风、木图

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