緣於古代文化和哲學觀念的特殊性， 中國是世界上最早對地震進行觀察和研究的國家 ，也是惟一的擁有連續兩千多年詳細地震史料的國家 。遠古的中國， 日蝕和地震被人們緊緊地聯繫在一起，有什麼能比 「天塌地陷 」更危及人們生存的家園呢。特別是地震的成因長期被陰陽五行和天人感應解釋， 把上天懲誡和帝王責任聯繫在一起 ，於是朝廷對地震記錄、震後賑濟、官員懲處等事項自不敢怠慢。自秦漢皇帝頒布「日食地震，朕以不德 」的罪己詔之後 ，這個傳統一直延續到清朝，為世界絕無僅有 。於是，觀星佔地成為社會的企盼 ，天子自責變成政治的需要， 日食地震和政權穩定緊密地聯繫在一起 。
張衡的發明創造並不是個人的興趣使然 。兩任太史令 ，第一任 (公元 115— 120 年)觀天， 對西漢耿壽昌創製的渾天儀進行改進， 製成漏水轉渾天儀 (公元 117年 );第二任(公元 126— 132年)測地 ，創製了地動儀 (公元 132年)。地動儀的問世 ，既閃爍了他的睿智聰慧 ，及靈臺其他學者和工匠們的心血 ，也反映了當時的社會需要。資料顯示 ，張衡年間 (公元 78— 139年 )地震事件頻繁 ，自公元 105年後幾乎每年發生地震 1次 。他僅有的兩篇涉及自然現象的奏章——— 《日蝕上表 》和 《陽嘉二年京師地震對策》分別針對日蝕和地震。現在看來 ，張衡已經洞悉兩個自然現象的表象性特徵， 已經能夠根據地面的搖晃判斷出地震的發生 ，但還不能給予科學的解釋， 要藉助「天誡論 」針砭時弊：「妖星見於上 ，震裂著於下， 天誡詳矣 ， ……修政恐懼 ，則轉禍為福」。這種把自然現象與政治鬥爭聯繫起來的做法，對科學發展極為不利 ，也為他日後的仕途悲劇埋下了伏筆。
科學思想的誕生與張衡的貢獻
從另一方面看，地動儀的誕生已具有物質基礎 。隨著漢代科技水平的提高， 物質財富豐厚，懸掛物 ———天然驗震器已經普遍、大量地進入平常人家的生活 。從漢墓的壁畫 、漢畫像石 、漢代青銅器 和漢代的家具工具 中， 我們可看到形態各異 、與人們日常生活息息相關的懸掛物(圖 2)。比如奏樂用的特鍾、鑮 、鐸、編磬和編鐘，生產工具的懸垂、吊錘、紡線錘和吊桶 ，宮室和幄帳中的羽葆、流蘇 、方勝 、穿璧等垂飾璧翣， 庖廚中的吊籃、吊肉和樓闕懸掛的鮮魚， 還有用青絲和麻繩貫穿吊起來的銅錢等等 ， 舉不勝舉。令人嘆為觀止的是 ，漢代已經出現了用銅鏈懸掛的青銅器， 比如 1974年在湖南長沙出土的人形吊燈(圖 3)和 1968年在河北滿城出土的提鏈吊壺 (圖 4) 。從銅鏈的精工程度和總長度上看 ，它們搖晃的阻力很小，擺動周期也比較大 。因此它們對地震的反應 ， 無論是漢代還是今天的地震 ，都會有很高的靈敏度和很大的擺幅，實為天然驗震器的千年精品︖
這些懸掛物 ，對日常生活中頻繁出現的非地震性的振動(即垂直方向運動 )是沒有反應的，即便人們清楚地感到了地面的顫抖和顛簸 ， 它也不會晃動 。但對地震卻不然 ，由於張衡時代正值地震高活動期 ， 「地搖京師」 「地動山搖 」「旋又地坼」的現象頻頻出現 ，懸掛物的明顯反應也就自然地、反覆地見諸於人們生活中。特別要指出， 漢代 「起廬舍， 高樓連閣 」(《續漢書 》), 「造起大舍 ，高樓臨道」(《後漢書 》)和 「仙人好樓居 」已成時尚， 譙樓 、市樓、倉樓、望樓和碉樓等三四層高樓建築相當普遍 ， 類似於未央宮 、九廟 、靈臺 、闢雍等建在夯土臺上的大型高臺建築群 ，也堂而皇之地聳立在各郡國都城裡。對地震而言，高層建築的結構響應會大大超過地表 ，造成懸掛物的強烈搖晃和持久不停。像圖 3、4那種懸掛在高處的吊燈和吊壺，地震時出現十分劇烈地晃動是必然的結果 。於是
地震←→懸掛物搖晃
二者間表現出的大量的、反覆的 、穩定的對應關係， 具有明確的排它性， 極易被廣大群眾察覺而形成共識，更會因為地震時的極度恐懼而留下深刻印象 。眾所周知 ，人對自然現象的受眾度和認知性 ，古今中外沒有區別 。比如震後的群眾往往講不清楚地震的過程 ，但無一人會忘掉地震時懸掛物的擺動 、吊燈的搖晃，更不會對那種身不由己的強烈搖曳和物品晃動毫無察覺 。東漢時期的 「地搖京師 」, 「地動搖尊」 ， 「地動山搖 」, 正是古人對這個反覆出現的特殊現象的明確結論。因此， 把懸掛物的震時晃動推斷為誕生地動儀科學思想的物質基礎，應該是合理的。
一般而言，古代的科學儀器都是對宏觀自然現象的簡單模仿和縮微 ，比如圭表、漏壺、風標甚至渾儀。張衡的不同在於，他在模仿天然驗震器時創造性地做出了兩個重要的科學貢獻 ，使地動儀的科學地位和深遠影響變得格外突出 ：
(1)獲得了地震發生過的物質證據。天然驗震器的唯一缺點是不能保留運動痕跡，懸掛物晃動完畢 ，不會留下任何物質結果 ，人又不可能時刻監視懸掛物的運動。這個先天性缺陷是張衡第一個解決的 ，他設計的「龍首吐丸 」機構留下了懸掛物運動的記錄 。也就是說， 拿到了蟾蜍口中的銅丸， 就拿到了地震發生過的物質證據 。由此 ，天然驗震器升華成了一件科學儀器———懸垂擺式驗震器， 而人類的測震學正是從這個地方邁出了光輝的第一步 。張衡的這一步邁得很偉大， 直至 1894年前後人類才邁出了測震學的第二步 ———利用地震儀把靜止的實物證據變成了時程記錄圖， 一直使用到今天 。
(2)設計了觸發機構,解決了對微弱信號進行檢測和放大的技術途徑 。儘管地動儀利用了懸掛物的慣性 、具有良好的穩定性 ,但在地震波的微弱而低頻的作用下, 都柱的相對動量遠遠不足 ,直接靠它來驅動整個機構還是不行的 。張衡設計了一個觸發機構 ———關 ,用大質量體的 「都柱」巧妙地開啟小質量的關。這個動作所需的動量閾值是極其微小的 。於是,通過「施關 、發機 」兩個步驟 ,先後釋放了關和龍首處預置的位能 , 解決了靈敏度和信號放大的問題 。從專業上講, 「關」的存在是地動儀成功測震的一個極為關鍵性的技術措施,也是史料可靠性的一個強有力的證據 。這種觸發機制的設計思路在現代強地震儀上也要採用 ,是張衡的另一個重要的科學貢獻 。