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张衡地动仪在国际地震学界已被争议130年

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发表于 2008-11-1 16:11:26 | 显示全部楼层 |阅读模式
  一直以来,中国国家博物馆陈列的张衡地动仪被很多中国人理解为张衡的原作。除了历史学家,几乎没有人知道张衡在东汉末年制作的这一科学仪器至今还没有出土文物。
  作为中国地震局的标志、中国人民邮政的邮票、中学教科书上的内容、国礼用品,王振铎于1951年复原的张衡地动仪早已深入人心并在对外交流贫乏的年代成为中国人根深蒂固的民族骄傲。
  鲜为人知的是,在上世纪60年代,随着不断深入的国际学术交流,这个模型的偏谬和失误不断暴露出来,批评与否定渐趋激烈。1969年以来,中、日、美、荷、奥等国学术界发表了一系列的措辞严厉的论文。对模型的质疑和批评,不仅来自工作原理,有的甚至涉及中国科学史的真实性以及民族心态问题。
  这些颠覆性的观点促使中国的科学家重新认识和复原张衡地动仪。2008年9月,第一部用于校院科普教育的张衡地动仪在北京市史家小学安装并使用。
  张衡错了?
  -本刊记者/杨东晓
  鲜为人知的是,张衡地动仪在国际地震学界已经被争议了130多年
  如果不是2003年夏季的一天,冯锐在国家图书馆大厅一进门右手旁边的国图书店里发现了一本名为《张衡:科学与宗教》这部发行量并不大的哲学专书,这位上世纪80年代初在加拿大和美国学习工作过的改革开放后第一批海归、从事地震研究40年的学者、中国地震局地球物理研究所的研究员也许不会想到,在国际地震学领域围绕着中国地震学鼻祖、东汉科学家张衡的争论,是如此的繁多和尖锐。
  《张衡:科学与宗教》一书的作者奥地利人雷立柏曾是北大哲学系的博士,后在中国社科院访学。雷立柏在书中说道:“张衡的地动仪是华夏科学停滞特点的典型表现”,“《后汉书》的记载不一定是可靠的”。冯锐在这个夏天,最迫切的事情是要找到雷立柏,一张写满从社会科学文献出版社到北京大学哲学系,从北京大学再到中国社科院人名和电话号码的A4白纸,直到2008年秋天还安稳地夹在冯锐5年前在国图书店买到的那本《张衡:科学与宗教》里。
  雷立柏找到了,骑辆旧自行车摇摇晃晃地就从通州来找冯锐他们,在白石桥附近的地球物理所与冯锐和武玉霞见面。
  这次见面在5年之后,由冯锐和中国地震台网中心高级工程师、武玉霞讲述出来的版本带有各自的特色。
  冯锐说:“雷立柏很坦率,我们交流了各自在地震学方面的研究,雷立柏毫无保留地拿出他所看过的西方对于张衡地动仪研究与质疑的各种文献”。从这些文献中,冯锐看到了几位海外华人学者、日本地震学家关野雄以及美国科学院院士博尔特等人对收藏于中国国家博物馆的张衡地动仪模型的批评与否定。博尔特是冯锐在伯克利加州大学地质地球物理系作访问学者时的系主任,看到这样熟悉的权威也在质疑张衡地动仪,刺激的痛感就更加强烈。特别是博尔特在他《地震学入门》的张衡地动仪旁还画了一个颇似叫化子的张衡形象,很不以为然。他忽然想起了在美国的一件往事,博尔特和麦凯维利教授都曾经问过他“中国人是不是很爱喝酒?”“那当然了,李白斗酒诗百篇吗!”冯锐还这样回答过,没想到两位美国地震学家都说过:所以中国的地动仪就像啤酒桶一样。现在,冯锐才明白过来,原来他们对中国历史博物馆的地动仪模型早就有看法。
  武玉霞的回忆,使5年前的那次见面变得更加生动,她模仿着西方人式的夸张手势:“你们中国人就是喜欢把一粒芝麻”,她用右手拇指和食指比划了一个很小的空间,然后无限地张开了双臂“说成这  么大!”这使武玉霞的感情无法忍受,现在说起这个情景,她的眼圈还会泛红。
  通过查阅老师博尔特的一系列文献资料,冯锐又找到了被称为现代地震学创始人的英国人米尔恩与张衡的渊源。
  张衡从书中消失
  1868年的明治维新使得日本在19世纪中叶后,远远地走在了中国的前头。服部一三届时留学美国,8年后的1875年,24岁的服部一三从美国回到日本,这位懂汉字的年轻人首先绘制了张衡地动仪的外形,并用汉字在图画的四周抄下了《后汉书.张衡传》中的196个字,在日本传播地动仪的思想,这种行为与他的祖国是个地震多发国有关。
  第二年,英国工程学教授约翰.米尔恩受聘于东京帝国工程学院,他从英伦出发,徒步走过欧洲、俄罗斯和今天的蒙古入境中国。中国当时正是清朝光绪皇帝刚刚继位的时候,他在中国也是靠步行游历了北京、天津、扬州和上海后,才弃陆登舟漂洋过海到了日本。米尔恩在日本生活了20年,他对东方的游历以及中日同源的文化背景,使这位地质物探学者接触到了东方文化和张衡地动仪,并第一个向西方介绍张衡地动仪。米尔恩在向西方传播张衡地动仪时,已经意识到张衡是将都柱悬挂在仪器中央,利用物体的惯性来测定地震。1880年日本地震学会成立,服部一三任会长,米尔恩任副会长。
  米尔恩1883年在服部一三1875年描绘的张衡地动仪外形基础上,绘制了新的张衡悬垂摆式地动仪复原模型,10年后,米尔恩制成世界上第一部可在台站普遍架设的现代水平摆地震仪。又过了10年,1896年米尔恩回到英国,将他发明的地震仪安装于62个英联邦国家,并编制了全球地震报告,成为举世公认现代地震学的奠基人。米尔恩在全球各地架设地震仪,并于1933年记录下了中国汶川叠溪7.5级的大地震。
  不同于张衡地动仪只有验震功能,米尔恩地震仪还具有记录地震时间、方位、地震波形的作用。米尔恩在他的《地震和地球的其它运动》一书中提到张衡“悬挂都柱”的工作原理,在他的回忆录中讲过他曾受到启迪才于1880~1883年间进行了大量模仿和试验,并于1892~1894年发明了现代地震仪。米尔恩在自己所熟悉的牛顿、惠更斯、皮纳等对惯性和悬垂摆研究的基础上,发现张衡地动仪在1700多年前就已经运用了惯性原理。在这个科技发展史的链条中,米尔恩是古代张衡地动仪原理与现代地震理论相互衔接的重要一环。
  于是,这位西方人在首版于1883年的《地震和地球的其它运动》一书中首先介绍了张衡地动仪,他认定张衡所用的是悬垂摆并详细指出了地动仪中悬垂摆的作用。他复原的那部张衡地动仪高约3.5米。他在日本做模拟试验时,因为上悬挂点需要很高,竟然把二层楼房子捅了个洞来进行对比观测。此后,米尔恩又与他的同胞,一同受聘到日本的尤因、格林等人设计出他们首创的世界第一架地震仪,这架地震仪的悬垂摆高6米、重25公斤,下部用杠杆进行放大记录。
  米尔恩的《地震和地球的其它运动》一书是现代地震学的开山之作,至少再版过9次。在前4版中都有关于中国东汉科学家张衡及其对地动仪原理的介绍,并被作者奉为人类迈出的第一步。
  从第5版起,原书做过重大修订。他1913年去世发行第9版,由后人对该书做了修改,书中已经彻底删除了有关张衡及其地动仪的章节,在对地震仪器进行介绍时,一开头便从米尔恩地震仪讲起了。
  日本国内,对于地震仪原理的争论,也一直分为两派,除了米尔恩所坚持的悬垂摆原理,还有一派坚持遵循直立杆原理复原地动仪。
  王振铎的自我否定
  中国建筑师吕彦直是南京中山陵和广东中山纪念堂的设计者,早年留学法国,艺术上追求中西风格的融合,1917年,正在美国留学的吕彦直时年23岁,修改了米尔恩的地动仪复原外形图,使之更具中国传统文化特色。这是近代中国第一位思考过张衡地动仪工作原理的中国学者。
  1934年毕业于燕京大学研究生院的王振铎,是中国现代史上第一位严肃认真地复原张衡地动仪模型的人。这位搞文史考古的青年人,在1936年,时年24岁,画出了自己复原的第一部张衡地动仪模型图样。在今天能够看到的设计资料中,他的悬垂摆含在外壳内部,比米尔恩的更加“形似酒樽”。
  王的这篇论文发表在《燕京大学学报》上,论文中配了外观设计图以及内部结构图。那段时间王振铎正处在从燕京大学研究院历史专业毕业,接下来任职北平研究院史学研究所的过渡时期里,这一年对于张衡地动仪的复原思考,完全是出自他个人的爱好。他参考了中外各方面的典籍,其中就有范晔的《后汉书》以及英国人米尔恩关于张衡地动仪的设计资料。在地动仪机理方面,他认可并采纳了米尔恩悬垂摆原理。
  在王振铎论文发表一年之后,日本地震学家原尊礼按照直立杆原理也设计了一尊他所理解的张衡地动仪,1939年日本地震学家今村明恒也设计了一尊直立杆原理的地动仪,并按照直立杆的原理进行了实验。因直立杆的倾倒方向与地震射线方向垂直,有悖于史书对地动仪的记载,于是便不再做后续研究。
  新中国成立后,王振铎任文化部文物局博物馆处处长,为了配合中国古代灿烂文化的宣传以及博物馆陈列需要,他开始考虑复原张衡地动仪。这一次,王振铎否定了自己1936年的设计,根据后汉书中“中有都柱”的记载并借鉴原尊礼的直立杆原理,用了一年时间,于1951年设计并复原出木质的张衡地动仪模型。
  正是这一部直立杆模型,在日后遭遇到地震学界的诟病,并因之认为错在张衡。
  成为争议中心
  在那个特殊的年代,王振铎的概念模型受到了空前的关注,它也表明了20世纪50年代中国对于科学研究和普遍的知识水平。它是新中国唯一一件张衡地动仪宣传模型,1952年《人民画报》介绍了成功复原的事迹、1953年被作为中国特种邮票选印发行、随之而来的是被写入全国中小学教科书。至今,它还是中国地震局的标志。不仅如此,它还多次作为中外文化交流的重要载体在各国和地区展出,甚至以国礼的形式赠送给世界。它甚至作为人类文明的化身,摆在联合国世界知识产权组织总部,与象征美国当代航天科技的、从月球带回的岩石并排展出。
  王振铎没有想到,它的这项工作教育并激励了几代中国人,木质模型被大多数中国人误以为是完全定论的、不可更改的唯一模型,甚至被当作出土文物来仿制和收藏,尤其是教科书中并没有说明这是一件后人的复原作品,因此更多的人从学生时期,就以为那是张衡的原作,并将直立杆原理和倒立酒瓶子熟记在心。
  国际社会在上世纪60年代,再次把眼光投向这部直立杆的地动仪,随着不断深入的国际学术交流,这个模型的偏谬和失误不断暴露出来,批评与否定渐趋激烈。1969年以来,中、日、美、荷、奥等国学术界发表了一系列的措辞严厉的论文。
  日本学者关野雄1972年用理论计算否定了直立杆原理,荷兰斯莱斯维克美国人赛维于1983年指出了王氏模型与《后汉书》不符,从而也否定了直立杆原理。英国的中国科技史学家李约瑟院士是张衡科技发明的积极推崇者,他指出的也是,该模型与史书的几处不符;美国地震学家博尔特院士没有质疑过张衡地动仪,他指出的问题集中在1951年模型身上:中国目前最流行的地动仪模型工作原理模糊,模型简陋粗糙,机械磨擦大大降低了灵敏度,对地震的反应低于居民的敏感,其作用应予以质疑,而且利用铜丸的掉落方向来确定震中也是不确定的。
  王振铎受到的最强且不留情面的质疑,来自他的老友、中国地震学的奠基人傅承义院士,1976年傅承义曾当面向他指出1951年木质模型的原理性错误,在他们的一次聊天中,傅承义甚至脱口而出,房梁下吊块肉都比你那个模型强。这并不是傅承义情急之下的失口。在地震学家的眼里,所有的悬挂物都是良好的天然验震器,它们一晃动就是地震了,不地震不会晃动。事实上,根据汉代出土文物,考古学家们的确已经发现,悬挂物体在汉代的生活已经是如此普遍。中国国家博物馆孙机研究员发现,汉代的人们,已经能够看到悬挂状的编磬和编钟、吊锤、纺线锤和吊桶,庖厨中的吊篮、吊肉和楼阙悬挂的鲜鱼。
  在中国国内,复原地动仪的科学性只在学界内开展,社会上出现的负面影响并没有人出面澄清。比如,地震发生时,没有人知道观察吊灯,流行于民间的地震报警是一只只倒立的酒瓶子,并且以为这就是张衡的智慧之处。
  在国外发表了多篇有关该模型的学术论文时,国内仍只限于对1951年模型的大量科普宣传,直到21世纪初年,才有地震学专业的研究用数据来证明张衡的智慧。
  复原张衡地动仪
  -本刊记者/杨东晓
  这个地动仪,和国家博物馆的地动仪有着本质区别
  冯锐这几个月来频繁地往北京西五环外的古城工厂跑,眼看着6年的心血就要聚成一部张衡地动仪复原模型了,他急切地说:“你看,我现在就像一个监工,天天跑这儿来催进度,”那台能够模拟地震波的振动台还没有最后完成调试。调试完毕后,这部振动台连同地动仪将送往北京市重点小学史家胡同小学,“学校新学期等着安装,大车不能跑的话,我们就是半夜12点上路,也得给学校送去。”
  张衡的地动仪不科学?
  这台按比例微缩、能够正常工作的模型,它的外壳也不再是中国人已经熟悉的、现在还画在历史课本中的造型,它以一个全新的造型体现了东汉时期的审美。否则它还是与国家博物院陈列的“张衡地动仪”展品一样,只是个令人争议并质疑的概念模型。
  奥地利学者雷立柏的观点是100多年来外国所有批评中最尖锐的,他认为这一被中国人视为国粹的东西,不是科学,它的失传正说明了它的不科学,它的失传也说明张衡地动仪没有给后人什么启发和思想,张衡之后欧洲各国的地动仪跟张衡毫无关系,因此在历史上有张衡没张衡,都是一样的。
  在冯锐这样以地震研究为事业的人看来,无疑是当头喝棒。事实上,早在雷立柏之前,国际地震学界对于张衡地动仪的科学性甚至东汉年间以张衡为代表的中国科技史的质疑就没有停息过。
  冯锐几乎在同一时期遇到了对于张衡地动仪的种种质疑。第一个疑问来自于中国地震台网中心高级工程师、《防灾博览》编辑武玉霞。2002年冯锐接受她的约稿,定期给该刊物写科普文章。他写的前三篇都是介绍测震学最基本原理的。第一篇解释一个谚语“地震没地震,抬头看吊灯”;第三篇是讲述地震期间人们通常用啤酒瓶子报警“别看瓶子小,地震跑不了”。
  武玉霞拿到这两篇初稿后,发现了一个问题,第一篇“抬头看吊灯”的理论依据是地震波对悬垂摆原理发生的影响,而第三篇“倒立啤酒瓶子”运用的是“直立棍原理”  它的歪倒完全可以来自门外过汽车的震动、关门等非地震影响,不过是一种蹩脚的报警器罢了。
  简单说:地震波是以水平晃动为主的,它完全不同于爆炸、关门、跺脚所产生的垂直波动。验震器必须具有“只有地震我才动,不是地震我不动”的特殊功效才能发挥作用,张衡的伟大正是发明了这种验震器,才对现代地震学的发展做出了历史性贡献。因此只有“吊灯原理”才能验震,“啤酒瓶原理”是不能验震的。
  随后,雷立柏就在第二年的夏天出现了,他的观点第一次是出现在国家图书馆书店的一部名为《张衡:科学与宗教》的哲学专著上。2003年夏天,冯锐在国图书店发现了这本书,雷立柏尖锐的观点,引起了他的注意。冯锐同时将雷立柏的这本书介绍给了武玉霞。
  这个夏天的所有巧合,促使冯锐这位地震学和理论地球物理学研究员走上了一条他自己从没想过的“理论与实践”相结合的道路。
  数理计算,是成功的
  和所有不知水深水浅一步踏进复原张衡地动仪领域的人一样,冯锐首先找到的史料,也是在张衡死后259年才出生的范晔在《后汉书》中对于地动仪记载的196个字。这196年字中,只有“圆径八尺”是个定量的概念,也就是说,张衡当年的地动仪的直径是当时的八尺,以当时的一汉尺等于23.5厘米换算一下,就能得到张衡地动仪的直径,再根据“形似酒樽”一句,查阅各种资料的结果表明,汉代酒樽的高与直径的比例大体在1.5:1。
  通过梁思诚《中国古代建筑史》一书中汉朝柱子的分析,“都柱”的高度也算出来了。通过这些数据进行定量计算的结果是,1800多年前张衡那部地动仪都柱摆动的固有周期至少在1.67~2秒以上。要验证这一结果,对于冯锐这样的专业工作者来说具有便利的条件,他调来了1985年以后陇西地震传至河南省洛阳地震台的地震波记录图,不出所料,从陇西到洛阳的地震波果然主要是瑞利面波,周期以2~5秒为主。
  计算所得的结果,不仅固有周期与真实地震波优势周期吻合,而且触发仪器的波动震相也与瑞利面波吻合,这说明了一点,张衡地动仪的确是运用悬垂摆原理制成的。张衡对于悬垂摆的运用的确早于西方1600多年。而且其都柱高度也已经通过计算验证了出来。
  冯锐完成了基本数据的验证后,2003年1月发表了论文《地动仪的否定之否定》,明确指出了国内最流行的王振铎复原模型(也称“传统模型”)的原理性错误。不过,那时的冯锐并没有开展后续工作的思想准备,更没有设想过工作原理被彻底改变之后,地动仪的内部结构究竟会是怎样,还能不能复原出来。这篇论文中的结尾部分,能看到无限的怅惘:“我们现在还没有能力对张衡地动仪的悬垂摆原理的施关发机、牙机巧制,做出更具体的复原。正如在赞美断臂的维纳斯雕像时不愿给她添臂加膀一样,宁可欣赏这种超越时代的缺憾美,而把古典文化的无穷魅力保留给我们的后代。”
  冯锐没有想到,他的观点受到了中国地震局的重视,支持他与国家博物馆合作加大理论研究力度,中国地震学专业委员会的专家们还先后两次听取了他的报告,明确支持彻底否定王振铎模型的工作原理。冯锐和武玉霞遂于2003年10月在中文核心期刊上发表了长篇论文《张衡候风地动仪的原理复原研究》,公布了更加严谨的学术研究结果。
  冯锐更不知道,几乎在他们发表论文的同时,发生在河南博物院的另一个故事:2003年10月21日,中央政治局常委李长春视察河南博物院时,停在那部与国家博物院同一款式、不会动的木制“张衡地动仪”的面前,发出感慨,作为中国历史上如此辉煌的技术为什么只有一个外壳而不能工作?“地动仪是中国古代科学的典范,要把工作原理直观展演出来。”李长春一语既出,河南博物院受到极大鼓舞。张文军院长、田凯副院长马上行动起来,他们一定要找到一位能够复原张衡地动仪的人来,让象征中国古代科学的仪器能够正常工作,不再只是通过人为控制才能达到“表演”效果。
  于是,河南博物院在多种报刊和互联网上贴出了“招标公告”  期盼有人对张衡地动仪“科学地表现内部原理、构造,使之能与观众进行长期互动式演示”。
  突然有了一线光明
  中国国家博物馆研究员、国家文物鉴定委员会委员李先登曾经随“中国古代科技展”到日本访问,1988年的展出经历,成了现年8旬的李先登老人心头的一块病痛。他还记得,这次展览期间吸引了上百万日本观众来参观,展厅里一进门就是一部原大的张衡地动仪模型,这尊地动仪直径在1米6以上,高达2米2左右,这架庞然大物上八只龙首中的铜丸,无论怎么都不会动,也掉不下来。实在是没有办法,于是在给观众表演的时候,是用一根棍把那个铜丸捅下来的。
  看到了河南博物院的这一“招贤榜”,李先登意识到这正是一个改变人们对地动仪看法的机会,它应该被还原出科学价值,而不仅仅是一个只能远观的艺术品。于是李先登马上写信给河南博物院,告诉博物院方面,自己正在和地震局的冯锐进行这一研究。
  接到这封信的张文军和田凯院长仿佛看到了曙光,招标公告毕竟一直处于“无人撕榜”的尴尬局面。这就是2004年7月的巧遇,把只进行理论研究而在实验上仍停滞于断臂状态的冯锐推到了前沿,经费由河南博物院承担,国家地震局全力支持。
  双方约定,5个月实现目标,2004年12月底做出新地动仪。
  冯锐敢于应战,不仅因为他掌握了理论,还有一个重要原因是,他已经通过理论计算,得出了三个关键的限制性参数 :首先,圆径八尺,给出了第一个限制性参数,由八尺圆径还能导出樽高以及都柱的固有周期2.4~3.0秒;其次,“摇樽” “则振”,说明人已经能够通过目测观察到樽体的摇和振,那么地面位移至少应有2~4毫米  这个数量级的运动只有地震的瑞利面波才会达到;再次,根据中国地震烈度的衰减规律,可推算出洛阳的烈度为Ⅲ+~Ⅳ,陇西地震的震级6.5~7.0级,震中距500~700千米。
  这些参数已经涉及到地震波动和测震仪的特殊细节,数量级彼此吻合,原典的记载是一段非实践过写不出来的东西,这也说明地动仪曾经不止一次地正常工作过。
  今天,这些定量的限制性参数,是复原模型和检验复原模型最基本的要求。
  可能要失败了
  2004年7月,来自中国地震局、国家博物馆、河南博物院、自动化研究所等8家单位专家组成的“张衡地动仪科学复原课题组”成立了,冯锐总负责。
  冯锐所做的第一件事,就是把陇西自1985年以来所有地震的波形图调来,通过对这些波形图的分析和计算发现,不出课题组的预料,从陇西到洛阳地震波的周期、幅度、震相、加速度、持续时间等参量,不仅是在理论预期的合理范围内,而且与类似的真实地震的波动记录结果相吻合。这一结果无疑说明了一个问题,张衡的地震仪在公元134年的确测到了陇西的地震,它不是一个虚幻的神话。同时也表明,冯锐对地动仪多种参数的计算是正确的。有了量化参数,就具备了科学复原的基本条件。
  在历史学家与考古学家的参与下,对于张衡地动仪的记载更从一本《后汉书》的196年字增加到238个字,这突然增加出来的42个字,对于冯锐来说真是“字句玑珠”。
  一天半夜,冯锐接到中国社科院考古研究所卢兆荫研究员的电话,80多岁高龄的卢兆荫兴奋得睡不着觉,他说:“冯锐,我又找到一个有关张衡地动仪的一些史料,是司马彪的《续汉书》。”冯锐当时没有反应过来,他不知道司马彪是谁,更不清楚时代的前后。卢兆荫又解释一句“是西晋的。西晋的司马彪要比南北朝的范晔早一百多年呢!”这下冯锐听明白了。电话那头的卢先生告诉他,“有新内容,其中一句说:‘其盖穹窿’, 地动仪的盖子是穹窿状的”。
  太棒了! 汉代的酒樽有两种,温酒樽的盖子就是穹窿状的,史料文字与出土文物是吻合的,这种形状的酒樽特别适合地动仪的技术要求。
  第二天,卢兆荫先生就把新发现的史料复印给了冯锐。的确,《续汉书》比此前所有研究者奉为圭臬的《后汉书》要早约150年。此后又查到的东晋袁宏《后汉纪》中对张衡地动仪的描述,也要早于《后汉书》70多年。
  后来,通过考古学家和国家图书馆善本特藏库的帮助,又陆陆续续地找到了宋代的一些帛质古籍的影印本,前后有7个版本的古籍,对张衡地动仪进行过不同的记录。
  冯锐把7份史料、不同版本中有关张衡地动仪的记载,全部抄了下来,列成表。一个字一个字地对比,他想从中找出重复的字与不重复的字来。在从未重复的那些字句中找到解决方案。
  无论是中国的张衡在公元132年制作的地动仪,还是英国人米尔恩1883年在日本推断的地动仪内部结构,都有一个重要的部分,那就是柱子。中国历史博物馆(现改名为中国国家博物馆)已故历史学家王振铎1951年设计的地动仪中,也有一个直立杆的柱子。到了冯锐的年代,这根柱子到底应该是什么样的呢?通过计算,王振铎复原的直立杆都柱,高与直径之比是40:1,这一比例连一根完整的铅笔都立不起来。
  中间这根柱子,为什么叫“都柱”呢?昔墨如金的中国古人为什么要用一个“都”字?古代汉语对都的解释之一就是“大”。据此,冯锐设计的铜质都柱粗壮雄浑,高与直径的比约为6:1左右。“都”字的原理在于  “地动摇樽,樽则震”,而不是地动摇“柱”,“柱”则震。樽震现象的原理在于地球上的万物都是处于与地球同一状态中,而张衡地动仪则是利用惯性原理,在地震波传来的一刹那所发生的绝对运动中,仍有一个相对静止的都柱因质量大而停留在相对静止中,从而会发生一段相对位移,张衡在1800年前就能对于这一物理特性加以运用。这一点也说明,张衡的都柱绝对不是直立杆,而是悬垂摆。
  复原研究中的困难很快就表现出来,原理的正确并不意味着内部结构的设计合理。因为按照冯锐把都柱设计成狼牙棒的方案,无法达到“一龙发机,而七首不动”的效果,也就是说,张衡当年的地动仪在地震发生后只有一个处于地震波面的龙会吐珠,其他七只龙首不会出现任何反应。他设计的“机关”与“都柱”的之间,仅有三四毫米的距离,都柱轻微的摆动就会接二连三地碰得一圈龙都“发机”。加上都柱运动的动量过小,不足以直接推动“龙机”的运动。狼牙棒设计很快就被自动化研究所退了回来,明确告诉他,无法实现。
  在与河南博物院协议到期前两个月的一个晚上,冯锐对自己说:可能要失败了。
  机与关
  2004年10月也许是冯锐最苦恼的日子。他昼思夜想了多种都柱的设计,始终不得其解,意识到:除原理之外,对张衡的技术措施还没有吃透。或者说,张衡除了首次利用了惯性外,他在技术的实现上一定还有重大的历史创新和贡献,长期并不为人们所了解。否则地动仪不可能在洛阳测出陇西地震的波动量。从现代地震仪的观测实践来看,洛阳地震台需要对惯性摆的相对位移量置于2000~3000倍的电子放大量才能够测出陇西地震的信号。这样高的灵敏度,不是惯性摆的简单位移能够实现的。在整个课题组的工作处于极其紧张的时刻,冯锐只能痛苦地决定全部停止下来,让他能够冷静地想一下:这到底是怎么一回事?
  一遍一遍地背诵古文,一个字一个字地分析推敲后,一个深夜,冯锐忽然注意到“施关发机,机关巧制,皆隐在樽中”的“皆”字。“皆”是都的意思,复数;“施关发机”的施和发都是动词,“机”和“关”都是名词。因此,“机关”就不是我们现今习惯理解的双音节词,而应该理解成“机”是“机”、“关”是“关”两个单音节词。“关”字的析出,意味着地动仪由柱、关、道、机、丸五部分组成,都柱首先对“关”施加作用后,才使“龙机”得以发动。关就是触发机构,是地动仪能够以极高的灵敏度测出地震波的一个关键性技术措施。
  “在向卢兆荫先生请教以后,确认了我这样理解的合理性,‘机’和‘关’果然是两个词,中国古代都是单音节词,每一个字都有独立的含意”,冯锐兴奋地说:“‘关’就是门栓的意思,栓的古字‘閂’作为一个象形字,无声地说明了中国古代人关起的大门是什么样  门中间有一横。关就是都柱中间的一小“横”线。于是,一个被称为“悬针含露”的方案设计出来了。至此,历史文中记载的“都柱”、“机”、“关”、“道”、“丸”,每个部件全部找到了并能够安放在相应的位置,同时获得“一龙发机,而七首不动”的效果。
  验震
  张衡地动仪是一件地震学的专业仪器  验震器,它是用来验震的而非预测地震的,冯锐复原的张衡地动仪也要经过“验震”的考验,它所要接受的检验就不再是纸上的演算,而是放到一个振动台上去,振动台在电脑的控制下,通过较为复杂的液压机电系统重现了1976年唐山地震、2000年泸西地震、2001年孟艺地震的地表震动过程,并在这个基础上模拟了1800年前的京师洛阳在陇西地震时的运动水平,课题组复原的模型不仅第一次显示出良好的验震功能,还对持续两个月的强烈非地震性振动表现出很强的抗干扰能力。也就是说,中国对于张衡地动仪终于实现了从概念模型到科学模型转变的关键性突破。
  在振动台上,这些模型不再只是模型,而成为能够工作的仪器,做到了古代文献中记载的,在时间顺序上“地动摇樽,樽则振,龙机发”,在发机的数量上实现了“一龙发机,而七首不动”。
  由“张衡地动仪课题组”复原成功的地动仪,目前一部按协议规定已交付河南博物院展出,另一部与“圆径八尺”的记载原大的模型尽管目前只有内部结构而没有外壳,但也已经被国内某科学博物馆订下。另一部经过清华美院王培波教授按照东汉美学观点设计外观雕塑的微缩模型,被安装在史家胡同小学,不仅作为爱国主义教育的一课,也成为教育孩子们从小爱科学、学科学、用科学的一个最立体的课本。
  地动仪为啥是这个样?
  -本刊记者 / 张雄
  凭着短得不能再短的“说明书”,王培波用一年半时间完成了“张衡地动仪”复原,“实际上就是在创作”
  清华大学美术学院王培波教授已经记不清他接手地动仪造型复原设计的具体时间。“大约是2006年年底,或者是2007年年初,朋友介绍了一下,他们就跟我接上头了。”“张衡地动仪科学复原”课题组(以下简称课题组)之前也找过别人做过设计,但效果都不理想。
  2007年年底,王培波花了一年时间做出了首稿。来自考古、地震、美术界的专家们对着这个作品研究半天后提出了一堆修改意见,但总体上认可。七个月后第二稿出来的时候,这回就没几个修改意见了。王培波又在蟾蜍造型、龙首等细节上琢磨了一个月。交第三稿的时候,各界专家们凑在一起开了个座谈会,有人提出可不可以再改点,王培波摆摆手:“你总得让我有点自己的意见吧。”于是定稿。
  书上写的都有了
  消失了一千多年的地动仪的模样,现在只能从《汉书》、《后汉书》和《后汉纪》等几本有限的史书中找到极有限的记载。对于这项只存在于文字中的神奇发明,古今中外的科技爱好者凭借他们的想象力,曾制作出千奇百怪的复原品。其中影响最大的版本,是王振铎在1951年制成的一个啤酒桶状的樽体、八条倒立的飞龙、八面环绕蟾蜍的造型。这个传统模型被大量制成工艺美术品,并印到了各种科普读物和学生的教材上,提起地动仪,中国人会本能地想到这个造型。
  王培波对新版造型更贴近原作颇为自信。课题组在对地动仪史料的重新搜寻中,将记载从过去196字的基础上扩展到238字。“……圆径八尺,形似酒樽,其盖穹隆,饰以篆文、山龟鸟兽之形。”王培波把这些文言背得烂熟,并用小篆把他们刻到复原的樽体上,“每个字的小篆写法都是从《说文解字》上查出来的。”
  课题组给王培波的要求是:尽量按照东汉的审美标准进行还原。王培波是中央工艺美院装饰艺术系装饰雕塑专业出身,大学里传统美术的课程没少上。“我对汉代的图形比较清楚,这样我们在深化的时候更确切一点,不过得把这些东西综合起来。”光研究青铜和汉画,王培波就专门去买了几十本书。
  王培波的复原几乎找不到任何现成的参照物,因为原理的不同,旧版在外型设计上的很多理念要被否决。比如依照“形似酒樽,其盖穹隆”的要求,王振择版啤酒桶状的外部形状显然不合理。王培波将能掌握到的全部汉代酒樽,如山西右玉胡傅鎏金兽纹樽、江苏邗江的鎏金云纹樽、西安的鎏金鸟兽纹樽、甘肃平凉的神兽纹樽、广州凤钮禽兽纹樽、台北鎏金山纹兽足樽和北京大学考古文博学院的明器陶樽,一一进行详细测量。涉及到酒樽的直器壁圆径、顶盖弧度、整体高度、直器壁高度、器足高度等等。新的外部造型是根据这些统计结果最终确定下来。
  在纹饰设计上,遵循有实体依据的原则。如青龙、白虎、朱雀、玄武四神的造型,原型是汉代未央宫瓦当的四神浮雕。八个龙首造型,原型是徐州狮子山汉楚王刘戊墓的玉佩雕刻。蟾蜍,原型是四川广元摇钱树基座、河南茂陵霍去病将军墓的石雕蟾蜍、四川巫山铜灯基座。花纹和凤钮,原型是取自河北满城陵山中山靖王刘胜墓的鎏金楚大官壶。在表现汉代器物特征上,更加严谨。
  古书的记载只能表明地动仪上有哪些元素,但其具体位置却并没有描述。“比如‘外有八方兆’,就是八卦,我们不知道原作把八卦放在哪儿,只能按照我们的理解和需要来安排位置。它描述的东西我们这上面一样不缺。”王培波说。
  记载的东西不能少,出于功用和美观的综合考虑王培波还加上了一些东西。比如顶部的三只连尾太阳鸟。“本来过去确实就有酒樽上站着鸟儿的。地动仪顶端需要一个高度把里边的都柱提起来。不加鸟当然可以,但是难看。正好有这个太阳鸟的尾巴形成自然的支点,这样看上去就很饱满。”
  龙要做得土气些
  新版设计中最让人感到意外的是龙的近乎狰狞的造型,这让看惯了雍容华贵的“现代龙”的人们大跌眼镜。“龙的形象在历史上有个演进的过程,在秦汉时期立雕龙都还是很原始和古朴的,跟现在大家看到的明清龙差别很大。”王培波说,社会的富足程度会对审美影响很大,“比如唐朝的东西就比较华丽。西汉实际上国力也很强盛,但到了东汉就弱了一些。反映到器物上就是造型都比较简单纯朴。我们现在能看到的很多出土的东汉皇家的东西,看起来都很朴实,就像老百姓家里用的一样。所以这个龙看起来确实要土气一些。”
  王培波曾把整个龙身完整做出来,但专家组认为全龙看起来“太华丽、张扬,不太像汉代的东西”,他干脆把龙身全部截掉只剩下了龙首,“‘龙首衔铜丸’是个含糊的话,其实并没讲就一定没有龙身。现在这样改大家都没话讲,因为你只能是把你所有的想法缩减到最能说明问题的那一部分,这样就会争议最少。”不过王培波还是做了一些保留,他承认并非仅存的龙首也并非完全照搬东汉龙造型。“稍微偏一点西汉,张扬一些。我觉得这样就比较有意思。毕竟还是展示给大家看的东西,我们并不是在制造出土文物。”
  与旧版相比,新版的蟾蜍更加圆润丰满,甚至有些卡通的意思。王培波觉得旧版的有点像青蛙,他解释新版这样设计主要是为了让蟾蜍嘴张得足够大,且不破坏整体的效果。
  西晋司马彪《续汉书》上写清了蟾蜍是樽体的器足  “下有蟾蜍承之”。旧版的八只蟾蜍圆圈离散状的、头朝内背朝外的摆设模式,显然与“承之”的记载相悖。新版按照“傍行八道”的要求将蟾蜍通过八条水纹状的通道连成整体,承受住樽体的重量。水纹状通道则取自汉人“载水而浮”的世界观。“要是做成一个机械化的轨道就太难看,现在这样像水一样流出来,就变成一个很自然的东西。”
  “所谓的复原实际上是一个再创作的过程,也就是说,基本上就是我创作的一个东西。所有的东西都是我依据史料来找资料,归纳各个部分的造型,你看到的这些元素都是我重新的理解。”王培波给这件作品打90分。“非要扣分那就扣细节处理上,比如四神的图案,还可以更精致一些。”
  张衡地动仪为何消失
  -本刊记者/杨东晓
  地动仪成为当时一颗犯了众怒且“惧其毁已”的煞星
  两汉时期是中国历史上的灾害群发期之一,东汉科学家张衡就生活在这个天灾频仍的不幸年代,在水、旱、蝗、冰、震等多种灾害中,他经历过多次地震。在他27岁至47岁的20年中,地震几乎每年都要发生一次。
  张衡追寻天文地理奥秘的科技生涯中,还有着很高的文学造诣,这位太史令善作赋、善于谋划行政方略。但是在张衡年表中,公元128之后的4年里,每年都是空白,什么政策与文化方面的印记都没有留下,却突然在132年造出了地动仪,“这说明,张衡在这4年的时间里,专心致志地在造他的地动仪”,用了几年时间复原张衡地动仪的冯锐作如是说。
  “妖言”
  张衡任太史令时,曾多次议朝纲说地震。在他的地动仪刚刚安置在洛阳灵台,与几年来一直在这里执行任务的浑天仪一同站岗不到一年时,公元133年6月18日京师发生了地震,张衡上书《阳嘉二年京师地震对策》,他说“妖星见于上,震裂著于下,天诫祥矣,可为寒心。今既见矣,修政恐惧,则转祸为福”。这份上书果然立竿见影,19岁的顺帝刘保受天诫观的控制,于震后第二天发布了地震“罪已诏”,而太尉庞参和司空王龚“以地震策免”。“天人感应”的传统观念在地震年代为政治倾轧准备了充足的籍口。于是,历史在张衡地动仪问世前后的这段时间内有过公元133年、134年“以地震免”三公(司徒、太尉、司空)中二人的记载,而且这也是开中国历史之先河的“以地震”撤免朝廷最高长官事件。
  陇西地震是张衡地动仪第一次工作验出的地震,时为是134年12月13日,这么短的时间里又发生地震,说明君侧仍有忤逆之人,于是顺帝直接问张衡谁是天下最令人痛恨的人?这次根据张衡“天诫祥矣”的观点,司徒刘琦和司空孔扶二人成了第二批“以地震免”的高官。孔扶是孔圣人的第十九世孙,出身中国最古老的世家,他的先人被中国历代君王奉若神明。
  地动仪的出现,使地震年代的政治变得如此复杂,以至于震后升职的官员同时命途多舛,以张衡来说,他升至侍中,被顺帝问及谁是天下最可恨的人时,满朝文武宦官都怕他说自己的坏话,最终导致“阉竖恐终为其患,遂共谗之”。134年12月13日陇西地震以后,张衡和他的地动仪被群起而攻之,官场矛盾在地震的年代异常激烈起来,借地震之事,诛异己者成了顺帝时期的朝廷潜规则,张衡本人也成了地震的直接受害者。由于地震的频发,东汉朝廷的这项政治游戏一直玩到东汉灭亡才结束。
  早在东汉结束前,张衡已经词穷,再也无法解释地震与国运的关系了,他的地动仪成为一颗犯了众怒且“惧其毁已”的煞星,他本人也因“妖言”过多不复是顺帝的心腹而成为众矢之的。于是,他先是请辞,后又被派到荒无人烟的河间(今河北省沧州)为相,那里也是几百年后流放林冲的地方,其悲凉可见一斑。这段凄惶晚景记录在他的文学作品中,《怨篇》、《四愁诗》、《髑髅赋》、《冢赋》、《归田赋》全部是悲不堪言的笔述。此后的136年2月、137年5月至7月、138年2至6月和139年4月发生多次地震,但史料中却不再有地动仪工作的记录。地动仪随着张衡政治地位不再,重视程度一落千丈,甚至被人为地摒弃了。
  张衡感觉到了自己的垂暮时分,他想回家了,于是上书给顺帝“乞骸骨”,在139年回到京城洛阳时,降为尚书,他有没有应征,没有详细记载。有记载的是,张衡是在这一年去世的,去世后安葬于他的家乡南阳以北25公里的石桥镇。张衡的家乡至今还在无声地提醒途径南阳的外地人,最好放轻脚步,以免打扰了地下的各位有灵神明  南阳市的道路命名,经常以当地著名历史人物来提醒人们,这里曾经有过张衡、诸葛孔明、张仲景、姜子牙、岑参、张释之、范蠡、汉光武帝,他们中有些人不仅生于斯工作学习于斯,还长眠于斯。
  失传
  奥地利宗教学者雷立柏,认为中国人对张衡地动仪的情绪是一种宗教式的崇拜,在他看来,地动仪失传了,就说明它不科学、无实用,没有不失传的道理。
  但是即便现在已经搞清了张衡地动仪工作的科学原理,以及存在价值,但是它的失传仍是一个谜。数种学说,都有各自的文献依据。
  考古学家王振铎认为地动仪消失于307年至312年西晋永嘉之乱。冯锐分析还要早,“估计在东汉末年,恐不会超过魏文帝曹丕登基的221年”。
  还有一种考证来自185至190年灵台和洛阳的多次大火。洛阳城在经历了顺帝时期的地震频发后,到了桓帝又开始了接连不断的火灾,较大的一次火灾是184年黄巾军起义后的公元185年3月28日,南宫云台燃起烈火,这把火烧了半个多月。
  又过了几年,来了一场最大的火祸,190年董卓驱赶天子和京师百万人迁都长安,他的军队在洛阳城烧杀抢掠持续一年两个月。此次主要以“尽焚宫室”、“焚洛阳官庙及人家”、“宫室烧尽”为主。到了汉献帝196年8月返回洛阳时,故都焚尽,第二个月他就奔了许昌降魏,东汉灭。
  考古发现,洛阳出土的大批青铜器具、铸自黄巾军之后,而190年的董卓烧毁旧京洛阳城之时,出土的铜钱有着突出的特点:方孔极大,成了历史上最大的圆内切四边形,钱又极薄。生活于这一时期的医圣、张衡的南阳同乡张仲景在《伤寒论》中说,196年以后的10年之内,亲见族人死去2/3、黄河流域已经几成无人区。这种民不聊生的年代,毁铜铸钱不足为奇。
  张衡地动仪是中国科技史的光荣,也是一个朝代的噩梦,这个朝代毁灭之后,它也不知所踪。
  两个地动仪
  -本刊记者/张雄 特约记者/陈良飞
  新版的复原地动仪已经进了校园科技馆,可是教材上画的还是老图。考试的时候到底按哪个答?
  “只有地震我才动,不是地震我不动。看到没有?”无论孩子们如何上下摇动振动杆,地动仪纹丝不动。当冯锐轻轻触动振动台横向摇杆时,地动仪上龙嘴衔住的小球应声落下,掉进蟾蜍的嘴中。
  这是“张衡地动仪科学复原”课题组六年工作成果的首次公开亮相。
  “全国其他学校都没有,就我们这儿一台。”65岁的史家小学副校长黄守圣颇为自豪地说。他也是第一次见到地动仪复原模型。
  这台编号“A001”按原型1:5比例制作的地动仪模型用青铜铸造,史家小学买下来的价钱是6万元人民币。在这间100多平米的史家小学科技馆里,装备有电动机、切割磁力线发电、模拟家居等20多件实验设备,“地动仪模型是最贵的啦。”
  “我们主要是觉得它能动,所以专门申请了科技教育设备专款买下来。”黄守圣说,尽管现在的小学教材中已经没有了张衡地动仪的内容,但能让学生亲眼看到老祖宗的一千多年前造出来的地动仪能工作,“非常具有爱国主义教育意义” 。
  “现在给年轻人的印象就是,外国的东西都是先进的,中国的老是落后。我们买这个模型就是告诉孩子们:历史上中国人曾经比外国人先进很多,要有这样一个教育。”黄守圣说。
  校长卓立在第一时间批准了地动仪复原模型的购买请求。他对新版复原地动仪的原理并不十分了解,但他和黄守圣一致认定6万块钱花得值。
  冯锐透露,中国大百科全书在年底修订时,地动仪词条插图和原理将进行更换。但在学生教材方面,修改的动作可能要迟缓不少。
  在现行人教版历史教科书中,张衡地动仪的介绍主要在《中学历史》七年级上册第16课。在《昌盛的秦汉文化》里,地动仪作为东汉时期的主要发明被重点介绍。其复原模型图与工作原理均依照王振铎先生的研究成果。
  早在2006年11月,冯锐即于《中学历史教学参考》上撰写《张衡地动仪的教学内容和观点需要更新》一文,呼吁历史教材编写单位及时更新教学知识,将更为严谨和科学的内容、观点引入课堂。
  “限于当时条件所制作的模型已经显现出不足,这种近于僵化、过时的教学内容和观点日渐显现出它的片面性和失误,负面的社会影响已经出现。”冯锐先生写道,正确地宣传地震常识,让我们的后代正确理解地动仪的知识,已经正式提到日程上了。
  时间一过就是两年,新的复原模型已经建立并通过了国家鉴定,中学历史教材仍然没有得到修订。
  今年7月18日,人民教育出版社网站人教论坛,湖北省谷城县城关一中的唐全林老师又提出了同样的疑问,并提醒教材编写者注意上述文章。人教社编审、负责中学历史教材编写工作的马执斌先生很快做出答复。马先生认为,教科书滞后于科研是一种规律,“学术界意见趋于一致,教材会变动”。就其个人意见而言,“我想地动仪似乎可修改”。
  人教社副总编辑韦志榕女士告诉《新世纪周刊》,社里已经从中国地震台网获悉这一消息,但暂时还没有做出是否修订的决定。“由于这件事情关系重大,社里会组织相关专家充分讨论。在最后决定出台之前,人教社不会有任何行动。”她说。
  韦志榕表示,由于该课本已经发放给七年级的学生们使用,今年已无修订可能,如果确定修订,最早也要等到2009年的新学年。
  黄守圣说他知道现在的教材都还没改过来,但是史家小学的老师会按照最新的模型向学生讲解地动仪知识。将来学生升学到中学,如果测试中考到地动仪的问题,黄守圣表示会要求学生们按照今天见到的这个地动仪来答题,“毕竟这是是国家级的专家认定的啊。”
发表于 2008-11-5 07:55:03 | 显示全部楼层
呵呵 历史上中国人曾经比外国人先进很多
发表于 2011-7-21 14:39:59 | 显示全部楼层
很震撼。。。。。楼主怎么知道的??
发表于 2011-8-3 23:20:45 | 显示全部楼层
lishi
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