圖1 新發掘出來的7種有關地動儀的史料記載
圖2 1975年靈臺考古發掘（a）靈臺遺蹟的平面圖
圖2 1975年靈臺考古發掘(b）所發現的安放地動儀的房間
圖３ 1931年李善邦請翁文灝先生題詩的地動儀圖畫懸掛在鷲峰地震臺
地動儀的短暫工作和失傳存在著深刻的社會背景。當然，世界看重的畢竟是張衡邁出的地震科學的第一步——突破性的學術思想和發明，絕不是具體測到了幾個東漢的地震
□馮銳
近期，社會上出現了一種徹底否定張衡地動儀的極端觀點。該觀點認為地動儀不過是個「無用的擺設」，戲稱「禮器」，史書中的隴西地震是「編造的故事」，100多年來各國科學家的所有復原模型也都「不過是藝術品擺設」。
這種觀點把地動儀作為「偽科學」來鞭撻，質疑張衡地動儀的真實性，視復原研究為「地動儀的歷史泡沫」，把嚴肅的學術研究搞成鬧劇。如果地動儀的基礎知識始終在國內處於迷茫態，科學的輝煌被浮躁的嘈雜玷汙，還豈談世界公認。縱觀歷史，首先肯定地動儀價值的本就源自海外：1875年，首屆日本地震學會會長服部一三；1883年，現代地震學之父——英國人約翰·米爾恩第一個向世界介紹地動儀：「人類第一架地震儀器是中國人張衡發明的。」他特別對隴西地震的成功測震予以翻譯介紹。他深入研究了地動儀，並為這類特殊的儀器起了個英文名詞——Seismoscope（驗震器），在張衡科學實踐的啟迪下發明了現代地震儀。就這樣，張衡地動儀在隨後100多年一直被西方學界作為「中國驗震器」加以研究和推崇，它的復原模型和美國探月的巖樣作為人類文明進步的標誌，並列擺放在世界智慧財產權組織總部供人們景仰。
地動儀的真實性和科學地位本是早有定論、毋庸置疑的。為解決目前的迷茫認識，看來有必要走回歷史，補上該補的課。
史料記載不是孤證
範曄從南北朝宋文帝元嘉九年（公元432年）開始撰《後漢書》，歷時13年完成，其中的《張衡傳》196個字一直是介紹地動儀的經典依據。不過對於重大事件的認定，學界有「孤證不立」的約定俗成。新的研究中，在發掘和擴展歷史典籍上取得了一些進展：從東漢末年至範書之前的320餘年間，東漢史書共有13部，迄今有幸留下的完整或不完整的史書共9部，其中另外記有地動儀文字的是西晉司馬彪公元306年的《續漢書》，東晉袁宏公元376年的《後漢紀》以及範曄《後漢書·順帝紀》。與範書相比，《續漢書》的時間提早了140年，文字量增加到238個字。相比之下，技術內容更加準確和豐富的是《後漢紀》，還不是大家常引用的《後漢書·張衡傳》。這些文字分布在國家圖書館的最早的7份善本裡（圖1）。後來，又在南北朝（陳）虞荔（公元561年）的《鼎錄》中發現了有關地動儀的16個字。上述共254個漢字，是祖先留下的珍寶，也是新版地動儀復原研究的史料依據。
由此，地動儀史料的「孤證之慮」可以排除。如無充分證據，切不可輕易否定其真實性和可靠性，這是個原則問題。文字不豐富，是歷史研究的普遍特點。歷史越久遠，文字越稀少。但是稀少不能成為否定論的依據，不能用近代史和現代史的標準來要求古代史。恰恰在這點上，所有的否定論者都沒有利用和研究新資料，都在史料面前發生動搖而止步不前。
考古結果有旁證
張衡地動儀置於京師洛陽城南2裡的靈臺進行觀測。中國社會科學院考古所於1975年對靈臺地基進行考古發掘，我們又對測震的地質條件作了3次現場踏勘。地動儀置放在靈臺西側的第二層平臺的兩間觀測室的北間，室內長10m，寬2.2m，高出地面2m，該房間的地面處理很特殊，是靈臺唯一的鋪設了兩層2×2漢尺大方磚的地面，屬穩定承載地動儀所需（圖2）。高臺狀的地基對地震波有結構性放大作用，加速度可能接近1gal，對測震十分有利；房間寬度不到九漢尺，僅容「圓徑八尺」的地動儀，故蟾蜍只能為器足；根據對臺基土樣的分析，可推算出地動儀的總重僅為幾噸。此外，史書還清楚地記載下來，靈臺的編制共42人，實施6項觀測：「十四人候星，二人候日，三人候風，十二人候氣……」不知道「候風地動儀」項目是否屬於三位「候風」者之責，抑或兼顧的任務。
史載儀器「形似酒尊，其蓋穹隆，飾以篆文、山龜鳥獸之形……下有蟾蜍承之」。我國自1962年後出土了幾十件漢代酒樽，有的還鐫刻著「酒尊」二字的銘文，故其基本形制在1991年以後已經定論。共分三種類型，其中的溫酒樽11件恰恰都具有穹隆狀頂蓋，下有器足承託，表面有山龜鳥獸的紋飾，幾乎活脫脫地展現出史書對張衡地動儀的描述。從物理學上看，這種造型上小下大，無須任何改動就已非常適合於懸垂擺工作，穩定性也十分好。這說明，史料記載得到了考古發掘和出土文物的支持。
《鼎錄》中有一段信息令人關注：「張衡制地動圖，記之於鼎，沉於西鄂水中。」漢代的西鄂就是張衡的故裡（今河南省南陽市臥龍區石橋鎮）。銅鼎是否還在，有待今後證實。
地動儀的發明旨在監測地震
漢代，地震被認為是蒼天對皇帝失當的懲戒和警示。因此，地震的發生緊緊地把百姓安危和政權穩定連在一起。社會需要一種儀器，能對天地合一的災異實現神聖的知曉、明示和解脫，為國事佔卜兇吉，即所謂「觀祲象、察妖祥」——觀測自然、辨明兇吉。地動儀的發明究竟是為監測地震還是作為祭神禮器之用，不難判明。
地震與非地震運動的關鍵性差異：非地震運動以微弱的垂直向「顫抖、顛動為主」，地震波卻以強烈的水平向「搖動、晃蕩為主」。迄今，人類只發現了兩種天然結構可用於驗震——懸掛物和液體表面——「不是地震它不動，只有地震它才晃」，靈敏度遠遠高於人。研究表明，張衡地動儀正是採取了懸掛「都柱」的辦法，利用物體慣性去測震。我們從史料對地震的描述「地搖京師」，地動儀的「柱、關、道、機、丸」結構，以及「地動搖尊，尊則振，龍機發，吐丸」的反應次序等等，可以判定地動儀確實是為監測地震而設計的儀器，結構簡單合理。一旦發生地震，會像所有的懸掛物一樣自然搖晃，只是更加靈敏和穩定。從現代科學來看，它並不神秘和不可知，只是有個逐漸深化的研究過程，不要把前人復原模型的某些不足混同於歷史原件。
地動儀驗震思想的出現並非空穴來風，是對客觀現象的質樸模仿。東漢時代，人們日常生活中存在大量的懸掛物，如吊錘、編磬、編鐘、吊籃和懸掛的字畫等，舉不勝舉；那時的社會還有好居高樓的遺風餘韻，三四層樓房很普遍。於是地震時高層建築的結構放大響應會使所有懸掛物的搖晃、擺動、震蕩更加明顯和持久，從而被人們注意到它們與地震之間的穩定對應關係，成為誕生科學思想的物質基礎。「地震沒地震，抬頭看吊燈」，今天的人們難道不是採取同樣的辦法來檢驗地震嗎？
古籍文字是科學實踐的經驗總結
地動儀是地震學的一個專業儀器，僅對史料作文字解讀（即訓詁）遠遠不夠，必須完成地震學的專業解讀才能理解深層的技術內涵。新的研究中有個自律原則：嚴謹地對比不同古籍文字，對技術部分（包括對隴西地震的反應）的每一個字和每個字的排列順序都不能動。
專業解讀的結果是，其中的5條內容具有明確的地震學意義，並可以推算出3個限制性參數。這些內容涉及到地動儀的幾何尺寸、內部結構的（柱、關、道、機、丸）五部分、對地震波的水平響應和機械牽動次序、與地震的關係、實際測震的反應效果。所推算出的3個限制性參數分別是：儀器外徑和通高分別為2～3米；地面位移量2～4毫米；隴西地震6.5～7.0級，震中距500～700千米，洛陽的烈度為Ⅲ+～Ⅳ，加速度約1gal。這些內容已經涉及測震學上的特殊細節，多項參數彼此吻合，能夠與現代地震學的理論與觀測事實符合。這說明，史料文字客觀地、準確地記載了儀器的內部結構，如實地寫清了所發生的現象。儘管，張衡本人並不會也不可能理解其中的物理機制和參數關係。
這些文字確實曾令國內外很多地震學家震驚和折服，至少在300年前還在全球找不到一篇能與之媲美的論文，以至於在19世紀末現代地震學起步的時候，還只能先從分析張衡地動儀開始，並驚嘆張衡已經取得檢測遠震的成功經驗。這是中國第一篇含有大量明確信息的科學論文。其內容大大超出一般人的知識水平，沒有想像的空間，不是文學家和史學家可以杜撰編寫的東西，是非經實踐絕寫不出的、即真知來源於實踐的產物。說實話，如果不作科普宣傳和解釋，今天500個人中幾乎碰不到一位能用正確的文字把現代地震儀的內部結構、動作次序、對地震的反應特點、運動方向與震中的關係寫出來的高手。而我們面前的200餘字的史料卻做到了。
當然，它是古文，實踐的次數畢竟有限。最常見的誤解有二：「哪地震往哪掉球」、「能測震中」。正確的解讀應該是：小球掉落在地震的方位上 （即在震中距很大的前提下，可以指向地震，但也有背向的情況），史料文字正是「尋其方面」並沒有說「尋其方向」。此外，震中位置也不是一臺儀器能解決的，需要靠臺網的交切來確定。細讀史料後有理由相信，張衡本人同樣也是只知道地震而不知道震中的，也是在被「京師學者鹹怪其無徵」的「數日」責問後才從驛報中得知發生於隴西的。事情看似不盡完美，其實非常合理。正是因為史料中含有這些連現代單臺地震儀也確定不下來的問題，反倒證明了史料記載是客觀而準確的，描述了地動儀的真實工作過程，反倒說明了古人在隴西地震中確實取得了與今日完全相同的體驗，所以儀器的真實性才能被國際地震學界接受和承認。
隴西地震及其觀測是確切的
早期誤傳的地動儀監測到公元138年隴西地震，已經被改正為公元134年12月13日的隴西地震。後一事件早於1983年便收入我國地震學的權威目錄《中國地震歷史資料彙編》，蘭州地震研究所的歷史地震專家又於1989年分析過它與地動儀的關係，新的研究進一步從更大的範圍即不同史料的記載差異、對隴西地震的描寫、歷史背景、張衡的生平、張衡的詩文、漢代地名考、地震烈度衰減等等作了深入研究，支持前人的推斷。為慎重起見，對地震事件還進行了嚴格的「實證後驗」，即根據地震影響場可以重複的特點，對以後的類似事件進行了驗證對比。
其一，對比了清朝有過極其詳細記載的5次隴西地震。結果表明：這些地震的震級在7.0～7.5，都在洛陽產生了相似的結果——人員無感或者剛剛有感。震級範圍和烈度衰減都在合理區間。其二，覆核了近年洛陽地震臺對幾次隴西地震的現代記錄圖，證實了洛陽的震相確實為地震面波，以近東西方向的晃動為主，圍繞在震中的方位上，符合史料敘述的特點。其三，又根據洛陽臺對3次現代隴西地震的記錄數據，計算出了理論的「134年隴西地震的復原地震圖」，其位移和最大加速度的數量級符合史料現象。其四，在實驗室利用振動臺控制技術「復現」了前述靈臺地面運動和其他的地震記錄，進而對新的1：1的地動儀復原模型作實際檢測，均獲良好成功。這就證實了一件事，如果按照史料的結構進行測震，隴西地震現象能夠得到重現。
面對這些結果，不難承認：古代儀器的歷史真實與科學性是統一的。
早在30餘年前，中國地震學的奠基人李善邦先生就講過，史料所述的地動儀「驗之以事，合契若神」雖有誇張但不無道理，暗示地動儀的測震不只隴西一次。因為測震儀器對於突發性地震的瞬間反應非常短暫，一般也就幾秒鐘，很難被觀測者現場抓到。但是，史料文字卻對儀器反應過程的記述非常準確到位，故僅有隴西一次地震實踐是說不通的。李先生曾估計至少對公元133年的京師地震也有過反應，當地人都有感，也許沒有「地不覺動」的隴西地震那麼精彩而不為史載罷了。
儀器的失傳存在社會背景
懷疑地動儀真實性的另一個誤區，以「失傳」來認定它是「無用的擺設」，混淆了儀器自身的科學性與應用中的社會問題。
張衡的科學實踐超越了時代，但思想認識順從了迷信。他試圖借地震之機，改善朝綱。公元133年地震後，他曾上書：「妖星見於上，震裂著於下，天誡詳矣，可為寒心。今既見矣，修政恐懼，則轉禍為福。」從此，開始了中國因地震而查處高官的歷史先河，且愈演愈烈，直到東漢滅亡。顯而易見，地動儀的出現及特有的驗震功能，對高官們造成了嚴重威脅，蘊涵兇兆。當公元134年成功測到隴西地震、且又有高官「以地震免」之後，剛升遷為侍中的張衡也就變成滿朝文武的詛咒對象，視他「終為其患，遂共讒之」。至此，張衡的人生道路逆轉。在公元136年地震次日，順帝再下「罪己詔」後，張衡即被排擠出京師，直到公元139年降職為尚書回京，數月後長逝。他逝前公元136年2月、137年5～12月、138年2～6月和139年4月雖然多次地震，且強度很大，史料卻再無地動儀的隻言片語。隨著張衡政治地位一落千丈，地動儀的冷落和湮滅是必然的，最後失傳於東漢末年戰亂中。
不難看出，地動儀的短暫工作和失傳存在著深刻的社會背景。當然，世界看重的畢竟是張衡邁出的地震科學的第一步——突破性的學術思想和發明，絕不是具體測到了幾個東漢的地震。遺憾的是張衡與伽利略、哥白尼等世界巨人一樣，在輝煌成就之後都於悽風苦雨中結束了人生。
地動儀的科學價值和歷史作用
如果把張衡的偉大貢獻狹義地理解成做了一個地動儀，那無論如何是低估到底線了。他的偉大在於：在人類面對地震災害只能被動挨打之時，他第一個站出來採取科學儀器的辦法實施觀測和研究，從此人類手中才第一次有了工具，能夠站立在災害面前，第一次認識到腳下的地動和地震的源發地是有一定距離並與晃動方向有某種關係的。隱喻了「震中、震中距、波動偏振面」的原始概念。第二，也是最重要的，他開創了一個「如何在運動系統當中測量自身運動」的科學途徑——利用慣性，以及實現這種測量所需的觸發機構——「施關發機」。雖然他同所有的偉大創新者一樣，並不會在一開始就完全理解其中的機理，但是他實踐了，成功了。他的科學實踐，實際上是在對波動過程進行著動力學的觀測，因此其科學水平就遠遠超過了同時代的所有的以靜態測量為基準的儀器（比如表、渾天儀、漏壺等），以至於到了18世紀、19世紀上半葉，在全世界還找不到任何一臺測震儀器（包括水銀驗震器）能夠與之相比，人們欲繼續前進，必須也只能先向張衡學習。
受到歷史和科學發展的局限，中國的先人們一直到了19世紀末仍然沒有意識到張衡發明的深刻意義，從南宋的周密、清朝的何琇到1833年的阮元，「餘終不信有其事」的痼疾就像吸了鴉片一般擺脫不掉。讀一讀史，便會看到有多少個「NO」傳染到今天。處於工業化革命的海外學者卻在努力研究著張衡：1875年日本人服部一三按照《後漢書》196個漢字首先繪製了復原圖；同在日本的英國人米爾恩又把這些漢字逐一地翻譯成英文去理解；米爾恩在1880～1883年間對地動儀的潛心研究，使他確信張衡利用了懸垂擺原理，指出：「張衡地動儀的價值絕不僅僅在於它是一個古老的發明，更重要的在於，它竟以極其相近的思路留給了現今時代的科學儀器以許多有意義的啟迪。」在歷經52種模擬試驗後，米爾恩將張衡的慣性測量思想從懸垂擺結構逐漸演繹、轉化、發展成水平擺，終於在1894年發明了現代地震儀，隨後便布設全球地震臺網，實現了現代地震學的飛躍。他於1897年在臺灣臺北架設了日本本土外的第一臺儀器，至今還保存於臺灣「國立自然博物館」。全球現代地震學的歷史也就從1900年算起。看看今天所有的天然測震、工業測震、月球和海底測震，甚至於老人身上攜帶的「計步器」，無一例外全部是張衡科學發明的後續衍生。
國人的歷史課終於在1917年補上，中山陵的設計者呂彥直繪製了張衡地動儀外觀圖。1931年9月，為紀念我國自行建設的第一個地震臺——北京鷲峰地震臺的建立，地質調查所所長翁文灝先生題詩「地動隴西起，長安覺已先」，李善邦有「東漢張衡作地震儀，開科學之先河，繪其圖，呈請翁文灝先生題句，置之鷲峰，以志景仰」懸掛在地震臺內（圖3）。11年後，李善邦研製出了中國第一臺地震儀。1936年，王振鐸按照懸垂擺原理繪製了他的地動儀復原模型。中國的地震科研工作在急步地追趕國際先進水平。
100多年來，為什麼張衡地動儀會被國內外如此關注並不斷研究呢？
復原地動儀並不是要替代現代地震儀和監測臺網。說到底，只是為了從科學上研究一下，按照史料記載做出一個古代地動儀，結構簡樸，原理明晰，試一試，看一看，能不能實現高精度驗震。讓我們走進地震發展史的長河裡，儘可能地靠近源頭，和先哲進行超越時空的思維對話。使公眾對張衡的科學實踐有更加具體而深刻的認識，由此會得到無窮的思想啟迪，我們的公眾和孩子們能夠從中學到許多地震科學的基礎知識，感到由衷的親切和光榮，激發自己像張衡那樣為人類的進步作出自己的新貢獻。
張衡已經遠去，但他探索自然規律勇於創新的精神將永不泯滅。百年來的復原研究就像奔流的河水一般，接替了前一波的浪花後，又愉悅地推湧著下一波。就這樣，人們從歷史走來，向未來走去，留下一片永恆的歡樂。
（本文由《現代物理知識》編輯部推薦，作者系中國地震局地球物理研究所研究員）
《科學時報》 (2011-01-03 A3 觀察)