老专家高度“还原”张衡地动仪

胡宁生所制地动仪内部构造图

近日，82岁的天文仪器专家胡宁生通过严密的理论分析与复杂的模拟实验，成功“复原”了张衡候风地动仪机械原理模型。中科院自然科学史研究所和中国科学技术史学会的专家在南京对该复原模型进行论证，认为该模型是目前对原文记载还原度最高、未用到古人完全无法企及的现代技术，且原理也很科学的复原方案。

现有模型遭遇瓶颈

在中国国家博物馆，摆放着一件神秘的古代候风地动仪的复原模型。据史书记载，候风地动仪为汉代著名科学家张衡所制。传说某天，地动仪上的巨龙口内所含铜丸突然掉落。数日后快马来报，龙头所指的陇西地区果真发生大地震。这台精妙的仪器是人类第一台地震仪器，为古代通讯不便时预测地震起到了重要作用，其精妙的原理和功效备受世人赞叹。

可惜的是，在西晋末年，候风地动仪彻底消失，今人无缘再见地动仪的原貌，关于地动仪的外形只有片语留存在西晋时的《后汉书·张衡传》中：“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。”

虽然张衡的候风地动仪不知所踪，但古今中外许多学者均注意到了中国的张衡和他创制的地动仪。为再现古代惊世之器，日本明治时期的著名学者服部一三曾将文字记载的外观画成图纸，却没能再现地动仪的神奇功效。英国地震学家米伦根据张衡地动仪的记载和服部一三的图纸，于1892年制成一部高3.5米的悬垂摆地震仪，并将候风地动仪的科学原理展现给世界。除此以外，曾经的复原模型多达十几部。

然而，纵观这些复原仪器，要么是设计得过于“简单”而实现不了地动仪测震的功能，要么就是设计得过于“先进”而引进了现代机械学的原理。现存放在中国国家博物馆的地动仪模型是著名史学家王振铎于1951年设计的，该模型的工作原理和外形得到国内认可，我国的中小学教材及其他宣传材料中出现的均是该模型。但随着研究的深入和资料的丰富，这个模型的弊端也逐渐曝露。因为地动仪是地震学的一种专业仪器，复原模型必须能够自动区分出地震和非地震，否则就失去了所蕴含的科学价值和社会意义。而几乎所有的复制品遇到近处震动，如大批人走动或地面施工等均有反应，这一缺陷成为地动仪复制的瓶颈。

迄今还原度最高的地动仪

近日，原中国科学院南京天文仪器研制中心的老专家胡宁生，根据原始文献的记载，通过严密的理论分析与反复的模拟实验，克服了地动仪复原中的瓶颈问题，重新“复原”了张衡地动仪机械原理模型。

据《后汉书》记载，地动仪的内部 “中有都柱”。“都柱”即为立柱。此前许多学者曾认为“立柱式”不可行，因为想要达到高灵敏度，“立柱”需做得“细如发丝”，而这么细的柱子根本立不起来。因此，以往的复原模型多抛弃记载中的立柱式，采用悬垂摆的方式。而胡宁生采用被抛弃的立柱式，集中解决正确设计立柱这一问题。复原模型的核心部件由一根近2米高、直径为80毫米的空心铝管组成。它的“玄妙”之处在于立柱的着地处。胡宁生说：“打个比方，整个立柱就像一根被削过的铅笔，笔芯被削得很细，但是笔尖处我们将它弄平。”

其次，为满足监测震动所需的灵敏度，立柱“着地处”的要求非常高，甚至连肉眼看不见的一粒灰尘都会产生影响；此外，着地处在立柱多次倾倒后，需保证边缘不能被丝毫压凹，否则多次测震后立柱将无法直立。因此立柱的着地接触面必须精益求精，丝毫失误都会导致测震失败。为此，胡宁生设计的复原模型的着地处为凹面，这样既便于竖立，又保证即便有灰尘等异物也会落进凹陷区，不会对模型造成影响。此外，立柱下的支撑面也采用极硬的轴承钢板，保证着地件与支撑件经过数次“接触”后双方都不会变形。

再次，由于未经平衡处理而偏重的立柱会向四周乱倒，因此立柱的重心必须精确调整到着地处中心的正上方。在模拟实验中，胡宁生地动仪下方的底盘用可控的加速度控制器给出轻轻的推动力，能够实现立柱倒下去的方向就是应有的方向。倒下后，模型外部的小球随之落下。该模型实现了即使多人在地动仪旁边跳跃也不会让立柱倾倒这一复原难题，使地动仪真正实现测震的功效。

不过，由于强地震波在超过约600公里以后就不会按照直线传播，因此该地动仪的验震距离在600公里以内。而且，受惯性影响，试验中会有约10%的误差，使立柱倒向地震的相反方向。此外，在实际测震中，地动仪只能测定地震发生的大致方向，不能精确定位地震位置。当然，张衡设计的地震仪也做不到这一点。

业内专家高度评价复原技术

由于候风地震仪仅靠文字流传下来，因而后人的复制难免添加了各种科学想象和推测。但是这种科学想象的复原对中国文化的传承与传播是有积极意义的。虽然胡宁生的地震仪复原模型中使用了高强度材料等现代技术产品，然而中国科学技术大学教授李志超认为：“现代人复原古人的技术不可能做到一模一样，当今材料的运用也不可避免。但是必须尊重当时的知识背景和技术背景，对器物的物理分析要符合当时的状态。”中科院自然科学史研究所研究员孙小淳指出：“在吸取了之前各种复原方案的经验后，这次的复原模型无论从外形还是原理，都更接近文献记载。”

此外，中国科学院自然科学史研究所研究员胡维佳表示：“过去王振铎的立杆模型遇到了困难，所以有人采用‘悬摆’模型。现在胡先生的模型，等于又把话语权拉回‘立柱’模型，与古籍记载更加符合。而且通过胡先生细致的研究和试验，解决了‘立杆’模型原来遇到的问题。”（李 戈）