候风地动仪的发明

2013年04月17日

    候风地动仪是世界上第一架测验地震的仪器，中国东汉时期天文学家张衡于汉顺帝阳嘉元年（公元132年）制成，它比欧洲出现地震仪的时间要早一千五百年左右。候风地动仪用精铜制成，直径2.7米，其外形像一个大型酒樽。在樽的外面相应地设置8条口含小铜珠的龙，每个龙头下面都有一只蟾蜍张口向上。任何一方如有地震发生，该方向龙口所含铜珠即落人蟾蜍口中，由此便可测出发生地震的方向。

    《后汉书·张衡传》详细记载了张衡的这一发明：“阳嘉元年，复造候风地动仪，以精铜铸成。员径八尺，合盖隆起，形似酒尊，饰以篆文山龟鸟兽之形。中有都柱，旁行八道，施关发机。外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蜍，张口承之。其牙机巧制，皆隐在尊中，覆盖周密无际。如有地动，尊则振，龙机发，吐丸而蟾蜍衔之，振声激扬，伺者因此觉知。虽一龙发机，而七首不动，寻其方向，乃知震之所在。验之以事，合契若神。自书典所记，未之有也。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。”

    显然，所谓候风地动仪，是用来测报地震的仪器。围绕这一名称，学界曾有不同意见。一种认为候风地动仪包括了候风仪和地动仪两种仪器，“候风仪”是用于测风的，“地动仪”才是用于测地震的。另一种观点则认为，所谓“候风”，即是“候气”，古人认为地震是由于地“气”变动所引起的，所以叫“候风地动仪”。从引文来看，“候风地动仪”应为一件仪器，而不是两件。这里把它作为一件仪器进行介绍。

    根据引文，“候风地动仪”制成于东汉阳嘉元年（132年），是用精铜铸造的。仪体形状就像汉代酒樽。樽上装饰有篆文山龟鸟兽之形，樽的内部立一根铜柱，张衡称之为都柱。都柱周围有八条滑道，称为“八道”。仪体的外部装有八条龙，分布在八个方位，龙口各含铜丸一个，龙头下方各放置一个张口向上的铜蛙（蟾蜍）。仪体内部装有机关，与体外龙头相连，一旦发生地震，机关被触发，龙口打开，铜丸落入铜蛙口中，发出声音，使掌管人知晓，并能判明地震来源的方向。

    显然，地动仪是利用物体惯性制成的仪器。张衡通过自己巧妙的设计，使地震时仪体与都柱之间产生相对运动，利用这一运动触发仪内机关，从而将地震报出。张衡地动仪的灵敏度很高，《张衡传》列举了一个具体例子：曾有一次，地动仪朝向西边的那条龙突然吐丸，但当时洛阳城里并无震感，人们议论纷纷，都说地动仪不可靠。过了几日，送信人来到洛阳，报告说甘肃发生了大地震，大家这才信服了地动仪的精妙。

    那么，地动仪的内部结构究竟什么样子呢？有不少学者对此作过探讨。早在南北朝时，北齐信都芳撰《器准》，隋初临孝恭作《地动铜仪经》，都对之有所记述，并传有它的图式和制作方法。可惜的是唐代以后，二书均失传。根据后汉书里的195个字，考古学家王振铎花了5年的时间，结合英国科学家的地震理论，于1951年复制出候风地动仪。今人的研究则以王振铎之说影响最大。王振铎根据前人的猜测，讨论了地动仪内部可能有的各种结构，最后推断都柱的工作原理与近代地震仪中倒立式震摆相仿。具体说来，都柱就是倒立于仪体中央的一根铜柱，八道围绕都柱架设。都柱竖直站立，重心高，一有地动，就失去平衡，倒入八道中的一道。八道中装有杠杆，叫做牙机。杠杆穿过仪体，连接龙头上颌。都柱倾入道中以后，推动杠杆，使龙头上颌抬起，将铜丸吐出，起到报警作用。

    中国历史博物馆陈列的张衡地震仪模型，就是根据王振铎的设计复原的。