虽然学界早有争论张衡地动仪是否科学的事情。但我们普通人了解到地动仪存在争论还是2016年,新的统编教材上把地动仪的介绍删除了。于是很多人说,张衡的地动仪是假的,不符合科学道理。那么到底是什么情况呢?
王振铎先生复原地动仪
很多人都知道,以前教材上的地震仪模型是1951年王振铎先生根据自己的理解制造的模型。这个模型一直伴随我们很多人成长。但我们不知道的是,这个模型既不是张衡地动仪的再现,也不能探测地震。这个模型完全不能实现文献中记载的张衡地动仪的功能。
在这样的情况下,教科书中还用这种模型来描写地动仪,显然是不合适的。此外,人们对地动仪的真实样子和原理依然存在很大的争议,因此教科书也难以正确描述地动仪的基本构造和原理。从教科书上暂时撤下来,也是合理的。
地动仪模型
于是,各界又响起了更激烈的争吵声。甚至很多人,直接攻击说历史记载有错误,张衡根本没有发明地动仪。方舟子就在文献记载中找到了“最大的漏洞”:“但是这个记载很成问题。按《后汉书·张衡传》所说,地动仪建成于阳嘉元年(公元132年),张衡卒于永和四年(公元139年)。在此期间,《后汉书》只记载发生过一次陇西地震,那就是永和三年(公元138年)的地震。一般认为地动仪检测的就是这次地震。但是《后汉书·五行志》说得很清楚,这次的陇西地震在京师是有感的,破坏很严重,‘裂城廓,室屋坏,压*人’,京师学者不会对地动仪的机关发动感到奇怪,与《张衡传》的故事矛盾。可见地动仪检测的不可能是这次地震。”
是不是真如方舟子所说,地震仪测到地震的记载是有问题的呢?不一定!中国地震局兰州地震研究所的郭安宁就找到了合理的解释。在唐朝以前,中国很多朝代,包括汉朝是存在两京的。他说,陇西地震有震感的是西京长安,而张衡和皇帝实际上是在东京洛阳。这样就能很好地解释了两段文字都提到了京城,震感却又截然不同的原因。因此,我们应该相信古人,不至于在史书上给张衡编造出一个伟大发明来。
冯锐复原的地动仪
至于地动仪真实的样子,目前已无从考证。但基本原理,还是有迹可循的,基本就是利用惯性原理探明地动。国内外很多人都对地动仪的原理进行了探讨,并制作出了各种模型。总结起来主要有三种:悬垂摆、倒立摆和直立柱。其中,中国地震局的冯锐提出的悬垂摆模型,得到了实践的验证。该模型被放到了中国科技馆展览,并在中央电视台制作了专题节目。似乎,地动仪的模型已经确定了。但争论并未停止,很多学者都提出了不同意见,也确实挑出了冯锐模型的很多漏洞。
网络图片,立柱模型
大家争论最多的就是“都柱”,一般翻译成大柱子。冯锐认为,要想灵敏感应到地震并触发机关,立柱不能太粗。经过现代地震知识和物理知识复杂计算得出结论,满足要求的立柱最多也就1.89米高、1.5毫米粗,这铜丝也算不上大柱子啊。另外,如果立柱太敏感也不行,如果地面车马的振动都能触发机关,也会误报。所以冯锐先生认为立柱模型不成立。而倒立摆模型,需要借助近代技术手段(如弹簧等)才能实现,张衡不太可能发明弹簧。因此,这个模型也不成立。借此冯先生提出了悬垂模型,简单说就是一个吊着的大柱子,一有地震就会碰上机关。很多学者都认为,悬着的不能称为柱子。反正是很多的争论。
冯锐制造的地震仪模型
作为外行的我,也无限向往当年张衡的伟大构想。曾经多次构想地震仪的可能样子,并提出了两种可能的结果。一种是入地“都柱”模型,一种是地桩 都柱模型。
所谓入地“都柱”,就是深埋地下的大柱子,露头部分伸入地动仪内部。如果地震发生,虽然表面感受不到振动,但深埋地下的大柱子应该可以收到地震波(纵波)的振动,并把这种振动传导到露头部分,从而触动机关。或者地表振动,带动地动仪振动,但都柱基本不动,从而碰触机关。前者可以检测地震波的纵波,后者可以检测地震波的横波。这两种设想是否合理,我不是地震研究专业人士,也没有做过实验,希望有识之士可以给与解释或印证。
如果前一种模型摆动幅度过小,不足以触发机关,或者振动幅度过大造成两面的机关都被触动。还可以把埋入地下部分和露头部分分开,埋入地下的是一个大地桩,地上部分是一个比较粗的立柱,一般振动不会造成立柱歪倒。但一旦发生地震,地桩先感受到振动,露头部分歪斜,带动立柱歪斜直至歪倒触发机关。这个模型的好处是检测地下的地震波纵波,不会被地表振动所影响。同时,即使地桩会来回摆动,都柱应该只会倒向地震传过来的方向(不会制作模拟图,有画的不对的,各位可以脑补动图)。但不知一定强度的地震波是否可以带来地桩和立柱的振动和歪倒。
自绘的模型,猜测
请大家勿笑,虽然不一定科学,但我们努力印证也算是为再现中华古代文明出一份力吧。最后总结一句,目前没有证据证明张衡地动仪不存在,我们相信是存在的,但真实的样子还有待考证。