张衡地动仪

 
 
当年美国尼克松总统来访参观张衡地动仪时，曾对其赞赏有佳
 
大多数中国人耳熟能详的地动仪的故事诞生的时间并没有那么久远——直至1950年代，这个故事中的地动仪才被“制造”出来，并进入教科书中。直到数十年后，它被重新发现与“制造”。

一代又一代的中国学生，从老师那里听到这个生动的故事：东汉时期的科学家张衡发明了地动仪，这个地动仪像一个酒樽，内部有一个细长竖直的杆直立在正中间，地震时，这根直杆会倒向地震的方位，击落那个方位的龙首，龙口就会张开，吐出一颗铜丸，正落在下面的铜青蛙的口中，于是观察者就会判断出哪个方位发生了地震。
 
这个地动仪的故事被当作中国伟大科技发明的典范。但大多数学生，甚至包括讲述这个故事的老师们并不知道，他们一代一代传承下来的这个故事诞生的时间并没有那么久远——直至1950年代，这个故事中的地动仪才被“制造”出来，并进入教科书中，演变成几代人的集体记忆。
 
王氏“地动仪”
 
1934年，燕京大学研究生院历史专业的学生王振铎诞生了复原史书中记载的张衡地动仪的念头，他认真地研究了史书的记载，在1936年，画出了第一套自己复原的地动仪模型图稿。这套图纸中，他按照《后汉书·张衡传》中所说“形似酒樽”记载设计了它的外形，但对于内部结构，由于史料中只有区区196字，语意模糊，他遵从了英国地震学家米尔恩1883年《地震和地球的其他运动》一书中阐述的“悬垂摆”的结构原理。也就是从地动仪的上部垂下来一根摆，用以并判明地震方向，并控制相应机关。
 
1936年，王振铎在第20期《燕京学报》上发表了名为《汉张衡候风地动仪造法之推测》的文章，并手绘了一套内外结构图样做论文的配图。
 
毕业后的王振铎担任了国立中央博物院筹备处专门设计委员，对于中国古代科技史中张衡地动仪的复原思考，不仅是他个人的爱好，同时也开始了他成长为博物馆学家和古代科技史学家的起点。
 
王振铎发布论文和内部结构图一年之后，1937年日本地震学家萩原尊礼也发布了他复原的张衡地动仪论文。不同于王振铎，萩原尊礼提出了直立杆原理，也就是在地动仪中间，放置一个倒立的直杆，地震时，直杆倒下，从而触发相应的机关。
 
中日两国在复原地动仪上的文化争论还没开始，两国之间就爆发了战事，于是，孰是孰非，就没了下文。又过了两年，日本地震学家今村明恒设计的地动仪也问世了，他延用了萩原尊礼的直立杆原理，并在直杆的下面放了三个弹簧，因为了有弹簧的复位工作，其原理近似悬垂摆，但问题是，至今还没有发现东汉应用弹簧的记载。在今村明恒进行的实验中，由于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，所以，他就没有做后续研究。
 
献礼
 
1949年新中国成立，王振铎的新职位是文化部文物局博物馆处处长。新中国在诞生之初，为了弘扬中国古代灿烂文化，国家要求博物馆复原一批代表古代文明的器物作为陈列和宣传之用。王振铎接到的任务中，包括“四大发明”中的张衡地动仪和司南。
 
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”的记载并借鉴萩原尊礼的直立杆原理，用了一年时间，于1951年设计并复原出1：10比例的木质“张衡地动仪”模型。
 
那是一个热情沸腾的特殊年代，王振铎复原的“张衡地动仪”概念模型一问世就受到了空前关注。这一肩负着20世纪50年代的中国，对古代科技研究和中华文明推广普及任务的模型，成为新中国唯一一件“张衡地动仪”宣传模型。
 
1952年4月号的《人民画报》对这尊模型的成功复原进行了报道。中央人民政府文化部社会文化事业管理局的王天木，以《伟大的祖国古代科学发明地动仪》为题，用了一个整版的篇幅图文并茂地向读者讲解了地动仪的结构和工作原理——这一次王振铎既否定了自己1936年认同的悬垂摆原理，又没有继续今村明恒的弹簧复位原理，而是将悬垂摆变成了倒立的直杆。
 
特别值得提出的是，王天木的这篇报道清楚地写明：“可惜张衡这一重要发明早就失传了，隋朝时科学家临孝恭尚写有一部《地震铜仪经》，也未能传流下来。”在文章的最后，还用一个段落写道：“这里介绍的这个模型，是我们在1951年设计完成，主要是根据《后汉书·张衡传》的记载，及考古材料而复制的。”
 
1953年中国邮政发行了一套主题为“伟大的发明”的特种邮票，一共四枚，其中特7 4-1是司南、特7 4-2是张衡地动仪、特7 4-3是计里鼓车、特7 4-4是浑天仪。
 
接下来这尊由王振铎复制的“张衡地动仪”就被编写进入全国中小学教科书——不同于《人民画报》的是，后来历次修订的教科书中，不再提这是后人根据文献和自己的理解复原的概念模型，一代代教师和学生就这样认为课本上的图片就是当年的张衡地动仪。
 
王振铎也没有想到，他的一项本职工作在作为新中国献礼后，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不可更改的唯一模型。在中国地方性的博物馆里，王氏模型也被当作文物来仿制和收藏。不仅进入了教材，就连中国地震局也用这部复原模型做了几十年标志，直到近年才取下。
 
1951年复原的“张衡地动仪”还承担了发展对外友好的使命，作为中外文化交流的重要载体，它在半个多世纪的时间里，数次走出国门展出。它甚至作为人类文明的化身，被置于联合国世界知识产权组织总部，而和它并排展出的，是美国人从月球带回的岩石。
 
否定的开始
 
通过各种对外宣传，外国地震学家也误认为王氏模型就是张衡地动仪的原物。从1960年代起，这个地动仪就不断地遭受到地震学界的质疑，这个模型的偏谬和失误在科学实验和理论探索的一步步深入下暴露出来。批评与否定的声音不但对着地动仪，还直冲东汉张衡而来。
 
从1969年开始，日、美、荷、奥等国地震学界发表了一系列的措辞严厉的论文。1972年，日本学者关野雄用计算否定了直立杆原理，接下来，荷兰的斯莱斯维克、美国人赛维于1983年也提出王氏模型不能成立，并从根本上否定了直立杆原理。
 
致力于中国科技史研究、并极其推崇张衡发明的英国学者李约瑟则发现了1951年模型与史书的记载不太相符。1984年，美国地震学家博尔特院士直接问过他的中国学生——从1966年邢台地震到1976年唐山地震，总是教灾区群众“倒立酒瓶子”的冯锐，“中国人是不是很能喝酒？”在得到冯锐“李白斗酒诗百篇”答复后，大笑着说：“无怪你们的地动仪像个酒桶。”博尔特提出的问题集中在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”。
 
在全国上下都沉浸在古代伟大发明的荣耀之中时，王振铎的老朋友、中国地震学奠基人傅承义院士当面指出了1951年模型的原理性错误。
 
那是1976年的一天，两位老友聊天的时候谈到了地动仪，傅承义说了一句，房梁下吊块肉都比你那个模型强。在地震学家的世界里，所有悬挂物都是天然验震器。在张衡生活的年代，人们已经习惯悬挂器物，出土文物中显示出的编磬、编钟、吊锤、纺线锤和吊桶、吊篮，还有吊肉和房檐上悬挂的鲜鱼，都会成为这种天然的验震器。
 
比这种当面批评更尴尬的是，在出国展览时，由于没有合理的内部结构，也没有模仿地震的震动台，龙口中的铜丸无法吐下来。一张1988年“张衡地动仪”访问日本奈良时的照片，记录下这样的情景，中方解说在向日本观众讲解地震仪工作状况时，手持一根木棍，木棍捅一下，龙口中的铜丸才会掉到下面青蛙的口中。
 
重新复原地动仪
 
1966年，邢台发生地震，冯锐正在京读中国科技大学研究生二年级。这批学生在第一时间赶到灾区，抗震救灾并印发各种宣传震时逃生的小传单。其中有一条是在房间里倒立一个酒瓶子，如果瓶子倒了，就是地震来了，马上出逃。
 
这样的“常识”冯锐都不知道传授给了多少人了，直到2002年的一天，国家地震局高级工程师、《防灾博览》 编辑武玉霞找到他，问他为什么在一篇科普常识中写“地震没地震，抬头看吊灯”，而他早年散发的传单却是教人们倒立酒瓶子？前者的工作原理是验震器的惯性原理、也就是悬垂摆原理，而“倒立酒瓶子”的原理又是什么？
 
武玉霞的发问正当其时，不久之后，冯锐在国家图书馆买了一本奥地利学者雷立柏的《张衡：科学与宗教》，雷立柏从哲学的角度否定了张衡，同时否定的是中国东汉时期的科学史。他认为，“对张衡地动仪的迷恋正是华夏科学停滞特点的典型表现”。
 
雷立柏并不了解东汉历史，不知地动仪很可能是毁于东汉后期的战火，所以，用他的观点来解释，地动仪失传的原因，正是因为它不科学、无实用价值，所以根本没有传下去的道理。
 
武玉霞和雷立柏一个提问，一个质疑，使冯锐开始翻阅那篇用“中有都柱”等196个字来描述张衡地动仪的《后汉书·张衡列传》，专业地震工作者的优势在于，他可以根据“圆径八尺”(八汉尺，一汉尺等于23.5厘米)这个范晔留下的数据，做倒推计算，算出都柱的高度，而这个高度只能是一个悬垂摆，而无法是一个直立的杆。
 
科技史学者一般是用建立在数理统计、数理模型上的地震学理论去验证自己的假设。用这套理论，能把各地震台网搜集到的真实震力转为地震波型，再将波型转化为数据。而冯锐却是从数据开始，去倒推出了地动仪的工作原理。当数据与理论吻合时，便证明了悬垂摆的合理性，图纸上的复原可以结束了。
 
2003年，河南博物院决定在官网上张榜招贤，让张衡的地动仪真正能动，不要再通过人为控制进行“表演”。
 
于是，冯锐的团队扩大了，文史界的参与，使得“孤”证《后汉书》不再孤立。文史学者在比《后汉书》早的《续汉书》，以及《后汉纪》等七部古籍中找到了更多关于张衡地动仪的记载。196个字的记录，变成了238个字。
 
通过这些文献，冯锐他们算出了张衡地动仪的高度、悬垂摆长度、震荡频率等。与此同时，课题组调来了陇西地震的历次波形图。通过对波形图的计算，证明张衡的地震仪在公元134年的确测到了陇西的地震。张衡地动仪不再是“传说”和“神话”。
 
纠偏
 
复原古代科技模型的几个途径中，文献记载详细并存有实物的，复原出来最为真实；另一种情况是，只有文献记载，但实物早已失传。而王振铎和冯锐共同面对的，都是没有实物参照的问题。
 
不同的是，王振铎只能通过文献进行单枪匹马的探究。而冯锐由于专业优势，在参阅文献的同时还有地震理论及数理计算来帮助他寻找真相。加上后来成立的课题组，使得冯锐的复原工作进行得更为合乎科学逻辑。
 
冯锐复原的地动仪于2009年9月初小学开学不久，安装在北京市重点学校史家小学，这家学校的校长黄守圣说，在考试的时候，会要求学生今天按照正确的答案回答，而非教材上要求的那样。
 
此时，全国中小学教材在讲到地动仪时还是几十年一贯的倒放一根“直立杆”理论。而冯锐已经多次与人民教育出版社沟通，最初得到的答复是需要地震局的证明文件，但当看到最新修订的《中国大百科全书》，对于“张衡地动仪”这一词条已经做出修正，人教社便准备在2010年有所改动。
 
2009年9月20日，中国科技馆新馆开幕，地动仪在新馆与观众见面，并在震动仪模拟的地震波中进行吐丸的工作。观众可以亲自动手按下按钮，观察在不同波型下地动仪的不同反应——只有横波到来它才吐丸，其他来自纵波的震动，都无法使地动仪有任何反应。这就排除了其它的干扰，如很重的关门、汽车过境的震动、巨大的炮声等。
 
美籍华裔理论物理学家、国际华人物理学会会长杨炳麟，访华期间听了冯锐在中科院理论物理所做的报告会后，认为从这部机器上可以看出，张衡应该是最早利用惯性原理的验震的人，这是物理发展史中的里程碑。
 
2010年1月24日，冯锐接到教育部长袁贵仁的电话，袁贵仁在仔细阅读冯锐修改教科书的建议和相关资料后，原则同意修改“张衡地动仪”这一章节。2010年秋季教改出台以后，按照教学大纲，“张衡地动仪”已不再是历史课本中的内容。人教版历史课本中已拿掉了这一知识环节。作为对这一错误的补救措施，人教社今后会将新版地动仪的知识加到教师用书中。
 
2010年开幕的世博会将张衡地动仪新模型列为展品之一，中国政府也将冯氏原理的张衡地动仪，纳入“中国古代机械成就展”这一全球巡展之中。
 
对于这座再次震动了地震界的“张衡地动仪”，冯锐认为：“只能说它是我们在当前这个时代对张衡的理解”。他希望未来还会有人能够超越，能够更加接近张衡。
 
—— 原载: 《看历史》杂志2010年第11期