一. 张衡地动仪概述

我国东汉时发明的张衡地动仪是世界上第一台应用惯性原理构建的科学仪器,是我国古代科技的光辉典范。发明至今已有1800多年了。由于地动仪实物早已不知去向,相关构造的图文资料也早已佚失,从东汉以来直至明清,少有人问津,有人问津时,也是对地动仪的质疑,如“余终不信有其事”。

直到十九世纪七十年代,随着近代科技的兴起,开始了地震学研究和地震仪的研制。在这个时候,日本地震学家服部一三首先从中国史书上发现了早在东汉时代张衡就发明了地动仪。不久英国地震专家米而恩,设计了他想象的张衡地动仪模型,进行了试验,1886年著文向世界介绍了最早的地震仪—张衡地动仪[。100多年来,国内外许多学者竞相“复原”地动仪,其中包括五十年代我国历史博物馆王振铎的著名模型,写进了教科书,印上了邮票。由于该模型不能动作,广受质疑。最近十多年来,国内出现了更多的地动仪“复原”模型。据不完全统计,国内外至今已有40多种版本复原模型。这些人士来自各行各业,拳拳爱国之心可嘉,尽管不乏新意,也难免自生自灭。虽然也有人得到了国家赞助,通过了专家评审,但遗憾的是,批评意见甚多。他们也承认“仅仅反映着目前的水平”,期待“新模型的完善”。于是前些年,有人为此而刮起了一阵“打假”风,进而怀疑张衡地动仪本身就是个“无用的摆设”。

在国外,对地动仪的看法也不尽一致。据称,英国大不列颠百科全书没有收入张衡地动仪。美国有一份介绍世界文明的“科学里程碑”材料,介绍了许多文明古国的发明,就是没有中国的。英国地震专家米而恩在1886年出书曾介绍过张衡地动仪,但在后来的版本中又删去了相关内容。英国李约瑟教授在“中国科学技术史”一书中虽然热情地介绍了张衡地动仪,但是他又认为目前的复原模型并不符合史书记载。奥地利学者奥立柏进而认为,张衡地动仪缺乏“精确的理论”,其“科学成就值得怀疑”,甚至认为《后汉书》的记载“不一定是可靠的”等等。可见目前对张衡地动仪在历史上是否真实存在,国际上还存在争议。

要澄清张衡地动仪是否真实这个历史悬案,我们必须结合当时的政治经济文化背景,依据宝贵的文史资料,采用现代科学的理论,深入分析工作原理,制作实物模型,开展模拟试验,才能得出经得起历史考验的结论。

下面,我们首先引用范晔的《后汉书·张衡传》

     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,旁行八道,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,乃知振之所在。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。

该段文字介绍了地动仪的研制时间、内外结构、测震机理,还记述了一次对陇西地震的响应。该文言简意赅,其原稿极可能系研制者本人所撰写。

为什么在东汉要研制地动仪?目的是什么?这是研究地动仪时首先遇到的问题。为此,我们结合当时的东汉社会来讨论。在顺帝执政时已到东汉中期,这时外戚宦官争斗不断,地方割据坐大,自然灾害频发,边境又不安宁,朝廷要牢牢掌控全国,困难重重。

根据当时流行的“天人感应”学说:皇权神授,帝王的权力是上天给的。帝王没有把国家治理好“庶事失其序则咎征见”,“咎征不虚,必有所应”。这些“咎征”不仅包括日食熒惑,还包括地震旱涝,是上天对人间罪孽的惩罚。地震后皇上往往要颁诏自责,还要惩处“相应”官员。京师地震,朝廷知晓;外地地震,朝廷不一定知晓。朝廷最不放心的是边远地区出问题,鞭长莫及。要是京城有个“千里眼顺风耳”就可以运筹帷幄,掌控全国!好在十多年前张衡已研制成功了新的浑天仪,可以观天:如果还能研制出高灵敏的候风地动仪,可以检测外地地震。有了这些观天察地的新仪器,朝廷就可以及时了解“天意”,发现问题,保证东汉江山永固。

联想到汉顺帝刘保惊心动魄登上皇位的过程,有助于我们理解研制地动仪的决策。刘保本是唯一的皇太子,遭谗被贬。先帝去世后,阎后篡政,在他孤苦伶仃、哀嚎无助之际,十一月初四京师地震,人心惶惶,都认为这是上天对篡权者的“震怒”,于是发动了政变,夺取了政权,当晚就拥刘保登上了皇位。在皇上心中,苍天时时在保佑自己,自己应更敬畏上天,重视地震,将研制地动仪作为治国的重大决策。

错误的“天人感应”理论,促成了地动仪的研制;又是“天人感应”理论,促成了地动仪的黯然离场。本来地震后要惩处一批官员,有了地动仪,将牵涉更多的官员,势必遭到更大的抵制!地动仪不受欢迎,不久就不知去向。地震本是自然界的事,非要从人类社会去找根源,无异于南辕北辙。张衡虽然技艺高超、殚精竭虑研制出了世界第一台高科技地动仪,但他本人和他的地动仪一样,在朝廷不受待见,反遭排挤,被驱离出京城,几年后郁郁寡欢而去世。   张衡地动仪和其他许多中国古代科技发明一样,虽然成就辉煌,往往昙花一现,没能继续发展到近代科技,没能引领世界科技发展,十分遗憾!其经验和教训值得吸取。

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