來源：科普中央廚房 | 北京科技報

文/記者 劉辛味 圖文編輯/陳永杰

采訪專家：

新媒體編輯/呂冰心

馮銳（中國地震臺網中心研究員，《地動儀科學復原》課題組組長）

中學課本里的張衡地動儀一直伴隨著各種爭議，為什么人們會混淆考古發現與復原模型？是根據什么原理復原的？地動儀能不能預測地震？

日前，一則關于“張衡地動儀從教材中刪除”的新聞曾引發熱議。其實除了張衡地動儀，很多中國古代科技成就都入選了中學課本，有一些也產生過爭議。張衡地動儀的復制品為何不能預測地震？指南針的始祖“司南”到底能不能指南？蔡倫是造紙術的發明人還是改進者？讓我們一起來考證一下。（更多精彩內容請看“中學課本里的中國古代科技”專題）

畫家繪制的張衡制作地動儀的想象圖（供圖 馮銳）

在歷史上，漢朝的張衡曾經發明了一個名為地動儀的裝置，這在史書上有明確記載，不過因為歷史的原因，今天我們看不到地動儀的的實物，后經過相關專家努力，張衡地動儀復制品終于出現。

但圍繞張衡地動儀的爭議一直不斷。張衡地動儀復制品為何不能預測地震？史書記載的有關地動儀預測的隴西地震是否存在？

張衡地動儀蜚聲中外也爭議不斷

最早關注到地動儀的不是中國人。1875年日本學者服部一三（I。 Hattori）首次嘗試了復原張衡的地動儀。同年，英國礦物學家米爾恩（John Milne）受邀前往日本任教，在到達日本前途經中國多個城市，了解了中國文化，也知道了日本學者的地動儀復原。后來米爾恩從地質礦物研究轉向了地震研究，并嘗試復原張衡地動儀。

米爾恩指出張衡地動儀是一種驗震器（Seismoscope），是指只對地震有反應的儀器，而非對一般振動都有反應的報警器。這讓地動儀有了非凡的意義。1883年，他出版了世界首部地震學專著，把中國史書中關于地動儀的內容翻譯成了英文，并介紹了他自己的模型，產生了很大影響。

張衡（圖片來自網絡）

1889年，一位德國天文學家在做天文觀測時，偶然監測到了日本熊本發生的地震。這次發現不僅證實了地震波的存在，而且是首次在遠距離記錄了地震的數據。他用的工具本來是測量重力變化的水平擺傾斜儀，米爾恩之后對這種儀器進行了改造——世界上第一臺現代地震儀誕生了。后來現代地震學逐步發展起來，米爾恩更是被譽為現代地震學的奠基人。

米爾恩和英國科技史專家李約瑟對地動儀的推崇，讓人們知道了原來中國早在1700多年就已經記錄了遠處的地震，肯定了地動儀的存在。史書記載公元132年是張衡完成建造地動儀的時間，132年也被公認為人類首臺地震儀器誕生的年份。

影響中國幾代人，在教科書中的地動儀模型是我國科技家、文物學復原專家王振鐸1951年在前人研究的基礎上復原的。復原目的也有為了配合宣傳中國古代文化和博物館陳列的需要，最終復原出的模型影響力前所未有。在很長時間以來都是我國古代科技成就的標志之一。

但是，從實際應用到科學原理上，此復原模型在學界一直有爭議。尤其是功能上不能驗震，成了很多人否定地動儀復原模型的主要原因。另外，由于舊版的教科書中沒有說明這是復原模型，讓很多人誤認為是考古發現。實際上，地動儀早已失傳。教學與宣傳的不足甚至讓人誤認為地動儀能夠“預測地震”，了解實際情況后讓人大呼“被教科書騙了幾十年”。

對于地動儀的復原研究從未停止。到2000年為止，國內外一共出現了13種張衡地動儀復原模型，遺憾的是都不能檢驗地震。這一問題讓地動儀的復原上升到了國家層面，“地動儀是中國古代科技的典范，把它工作原理直觀展演出來”。

2003年，來自國內9個權威機構，包括歷史、考古、地震、機械、美術學等35位專家組成團隊合作開始進行《地動儀科學復原》課題研究。

2008年，他們制成復原模型通過了國家驗收。目前沒有記錄新模型在真實地震情況下起到了作用，但至少在實驗室里，它經受住了專業地震實驗（包括模擬現實地震）的檢驗。

文獻中的地動儀是否真的存在？

很長時間以來，學者復原地動儀只能參考范曄《后漢書?張衡傳》中的196個字。這讓很多人質疑地動儀的真實性。其實，學界本身就有“孤證不立”的約定俗成。《地動儀科學復原》課題組組長、中國地震臺網中心研究員馮銳認為，“文字不豐富是歷史研究的普遍特點。稀少不能成為定論的依據。”

《地動儀科學復原》課題組進行深入文獻挖掘后，發現了在東漢末年至范曄成書之前的320余年間，東漢史書共13部，至今有幸留下9部。雖然有的史書不完整，但其中有4部史書《續漢書》、《后漢紀》、《后漢書?順帝紀》和《鼎錄》豐富了地動儀的描述，將文字量擴充至254個字。

《續漢書》、《后漢紀》、《后漢書?順帝紀》和《鼎錄》豐富了有關地動儀的描述（供圖 馮銳）

除了找到新的文獻，他們還發現了考古旁證。歷史上，張衡曾在洛陽南郊的“靈臺”進行觀測，這是中國最早的國家天文臺。早在1975年，中國社會科學院考古研究所就對這里進行過考古挖掘，發現了放置地動儀的房間。復原團隊在2003年后對靈臺的地震地質條件做了3次現場踏勘，發現房間地面處理較為特殊，剛剛能容下“圓徑八尺”的地動儀，而且高臺地基對地震波有結構性放大的作用，對測震有利。

早期爭議的另一個焦點在于“隴西地震”是否存在。《后漢書》中提到在京師（洛陽）的人并無反應，后接到了隴西地震的消息，即驗證了隴西地震。人們從132年到張衡死去的139年的古書中找到了7次地震記錄。其中只有138年明確指出了“金城-隴西”地震，讓人們認為地動儀檢驗的就是這次地震。但其他史書記載的地震現象卻與《后漢書》中不符，這些記載均是洛陽地區反應劇烈。

對于這一問題，馮銳團隊擴大范圍挖掘史料，結合歷史背景，古籍地名、張衡生平和詩文，得出了地動儀檢驗的是134年的隴西地震。作為專業的地震學者，馮銳團隊對地震事件進行了嚴格的“實證后驗”，即根據地震波動場具有可重復的特點，在同樣觀測精度的條件下，可以采用其他類似事件進行對比。他們對比了清代詳細記錄的5次隴西地震，震級范圍與烈度衰減在合理區間——洛陽人無感或剛有感覺。又復核了現代地震的記錄，從理論上計算了134年地震數據，符合史料敘述。

馮銳復制的地動儀（供圖 馮銳）

當然，現在的技術還難以還原古代地震。有科技史研究者就認為使用清代和現代數據不能反映當時的狀況。但至少多種證據表明了地動儀的真實性。

對于地動儀的失傳，有人認為其無效而成為擺設。馮銳結合了漢代的社會背景給出了否定解答。他發現，在地動儀問世后的時代，皇帝遵從的政治思想是“本朝論”，會因地震而罷免高官。這種情況出現了12次之多且均是地動儀發明之后，張衡本人也受到牽連，被排擠出京，“隨著張衡政治地位的下降，地動儀的失傳是必然的。”

張衡地動儀復制品為何不能預測地震？

地動儀是利用慣性檢驗地震的裝置，在學界沒有分歧。但對于復原地動儀，各方爭議最大的就是對地動儀原理的復原，也就是為什么地動儀感受到地震后能按方向讓龍嘴中的小球落下。百年的研究工作集中在史料中的8個字，“中有都柱，傍行八道”。馮銳介紹，這里有兩層意思，一是根據古語“都柱”為大柱子；二是至少有一端具有水平運動的自由度。

百余年間，中外學者提出了幾十種復原方案，在核心原理上其實只有對“都柱”解釋后設計的四種方案——直立桿、倒立擺、懸垂擺和自由柱。王振鐸模型即采用直立桿，就像一根豎起筆尖朝下的鉛筆，但這種模型會受各種振動影響隨機倒下而達不到驗震的目的。本來這種設計早已被學界拋棄，近些年又有學者嘗試“復活”直立桿，僅作為一種學術探討，還未得到完全驗證。

張衡地動儀的直立柱模型

倒立擺模型最初由日本人設計，是在直立桿的基礎上在下部安裝彈簧，理論上能夠驗震，但因為漢代工藝水平還達不到制作彈性鋼鐵的程度，被學界否定。自由柱則是我國學者李志超提出，在一個柱下放入多個銅球，因其靈敏度過低也被淘汰。

馮銳復制地動儀的工作原理（供圖 馮銳）

物理學上，懸掛物體能更好驗證地震波的水平運動，由此提出了懸垂擺模型，這也是米爾恩最初提出的方案。如今中國科技館中的地動儀利用的正是馮銳設計的懸垂擺模型，將關鍵落在“檢驗地震”上，此模型經過了實驗室多項專業測試。團隊又經過考據，重新設計了更符合古文的外觀，此復原地動儀成為了“終極版”。盡管這一方案仍受爭議，比如用現代知識復原古代科技不合理，但自馮銳團隊2012年完成了1：1青銅地動儀原型鑄造后，再沒有大規模的復原工作。

“真實”的地動儀仍是個迷。