张衡发明的地动仪上有几条龙,张衡地动仪的传说是真的吗?张衡地动仪是中国古代科技的代表,入选中小学历史课本,被中国地震局当作标志沿用几十年,是联合国世界知识产权组织总部中的陈列品。
《后汉书》记载为证:“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,傍行八道,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,寻其方面,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。”当然,现在有很多人都想复原地动仪都不是很成功,因此就开始有人怀疑其真实性。但是,由于现代技术和古代技术的巨大差别,不能因此就怀疑张衡地动仪的真实性。
但是,张衡地动仪从来就没有出土过,课本上的照片只是考古学者王振铎(1912-1992年)于1951年设计的模型,设计所依据的是仅仅是《后汉书·张衡传》中196个字的描述,现在的课本已经增加了“模型”两字。
对张衡地动仪的复原研究早已有之,早期的有1875年的日本人服部一三、1883年的英国人米尔恩等人。王振铎是较早的国内研究者,也是较有影响力的一位,他所复原地动仪的核心原理是“直立杆”。
“直立杆”原理如下图所示,中间有个直立的杆子,地震时的震动会令其倾倒,然后触动某一个方向的开关,这跟人们在家里地板上倒立一个啤酒瓶报告地震是一个道理。
但这种“直立杆”有两个致命的问题,一是方向没准,这跟地动仪能判定地震方位的说法相悖;二是不能筛选出地震的震动,如果地动仪敏感到能检测出远处地震的极微弱震动,甚至人们没有感觉时就能触发(这是古籍的说法),那地动仪附近的脚步震动,略远处的打夯等都应会触发地动仪动作。
“直立杆”结构早在18世纪就已经被严格的地震学计算、实验室试验和地震检验所淘汰,它根本就不具有可行性。
张衡地动仪研究专家、中国地震局地球物理研究所冯锐研究员在文中说到“对这个普遍宣传的测震直立杆,主管单位和设计人居然在几十年间从来没有做过一次科学实验去检验,便列入我国中小学课本中一代又一代昏昏昭昭地讲了半个多世纪,讲者与听者实际上都是处于一种似是而非的满足、似明又暗的迷茫中,背离了科学实践的基本原则。
为了演示测震效果,近年来的一些单位甚至发展到在模型内部安放电器和弹簧结构来造假,难怪有的老师惊呼:不知道成千上万的教师是如何讲解地动仪的。”
中国地震学奠基人府斝义院士曾在1976年当面告诉王振铎先生,称他的设计有致命错误,英国李约瑟院士、美国地震学家博尔特院士、日本地球物理学家力武常次等都撰文批评了这个模型。直立杆模型在学术界已经被彻底推翻了,死得透透的了,但它依然在课本上坚挺地存在着。
2003年10月,冯锐研究员牵头组织了9个单位的地震学家、历史学家、考古学家、自动化学家、美术家的专题研究组,经过5年的研究,设计出了一个新的复原模型。与王振铎的“直立杆”原理不同,冯锐研究员采用是是“悬垂摆”原理,简单地说,“直立杆”相当于倒立的啤酒瓶,而“悬垂摆”相当于家里的吊灯。
“悬垂摆”对人们的脚步和打夯等垂直震动不敏感,对地震的横向波动敏感,它的抗扰性能更好,在验震方面比“直立杆”更科学。冯锐团队在研究“悬垂摆”模型时使用了大量“剪切性力源”等现代科学概念和方法,终于做出了新模型。