历史上的张衡地动仪真的有用吗？为何又被移出了教科书？

近年来，对张衡地动仪的议论颇多。在2010年以前的人教版教材中，张衡地动仪被视为中国古代伟大科技发明的典范，并且进入教科书之中，成为几代中国人的集体记忆。

2017年秋天投入使用的统编本初中历史教科书七年级上册中，关于张衡和候风地动仪的内容被删除。那个被印在教材上影响了几代中国人的地动仪模型，开始淡出当代青少年的视野。

张衡与地动仪：

教科书中的地动仪装置，外表像个酒坛。那酒坛上附有八条龙，每条龙嘴里含着一颗珠子。当某个方位将有地震时，其对应方位的龙嘴会自动打开，龙口中含着的珠子就会掉落至下方的蛤蟆口中。古人使用公元132年由东汉著名天文学家张衡发明的这套装置，来判断某方位将有地震发生。

▲外国领导人参观地动仪（王振铎模型）。

在历史上，记载了地动仪曾成功预测到一次地震。那天，一条龙嘴中的机关被触发了。但大家都没有感觉到地面有震动，大家觉得张衡骗了他们。但几天后突然使者送信来，说距离洛阳一千多里的金城、陇西一带发生了大地震，方位与被触发机关的龙嘴一致。自此以后，张衡被奉为中国古代地震第一人。

教科书上的张衡地动仪来历

东汉时期，地震比较频繁，好学的张衡就想发明一种仪器，用于掌握全国地震动态。他经过长时间的研究，终于在公元132年，发明了候风地动仪。八条龙对应八个方向，每条龙嘴里含着一颗铜球，哪个方向发生地震，对应的铜球就会掉落至下方的蟾蜍嘴里。

这是世界上的第一架地动仪。比西方国家用仪器记录地震的历史，早了一千多年。不过这台“地动仪”，在西晋末年就失踪了。

中国历史博物馆王振铎先生 。他根据后汉书的描述，推测出地动仪的基本原理：直立杆原理。

后来，王振铎先生根据英国人米尔恩对悬垂摆工作原理的推断 , 于1936年绘制了地动仪复原图形, 1951年又按照日本人萩原尊礼和今村明恒对直立杆工作原理的推断做出了展览模型，后来陈列在中国历史博物馆 (现中国国家博物馆 )。

王振铎制作的传统模型问世后，1953年中国特种邮票选印。它还多次作为中外文化交流的重要载体对外宣传，甚至以国礼的形式漂洋过海，在联合国世界知识产权组织总部与美国从月球带回的岩石并排展出，同享殊荣。

因此，由王振铎复原的“张衡地动仪”就被编入全国中小学教科书，就连中国地震局也用这部复原模型做了几十年标志，直到前几年才取下。

该模型在弘扬民族文化 、宣传中国古代科技成果和科普宣传上功不可没。导致了很多人认为这就是原版地动仪。

教科书上的张衡地动仪其实是“假”的。

但其实王振铎复原的“张衡地动仪”，因为模型内部结构缺乏合理性，所以其龙口中的铜丸无法吐下来，根本无法检测地震。

王振铎参考的直立杆原理，是基于物体的不稳定平衡来实现的， 感应部件均表现出倾倒 、跌落和坍塌。报警器不能自动地区别振动源的性质, 灵敏度不高，且反应是随机、不稳定和不可重复的 。装置一旦报警, 无法判断是车行马走还是地震所致。简单点说，这个原理就相当于酒瓶子倒立放在地上，瓶子倒了，就说明地震来了。

而国内外严格的地震学计算、实验室试验和地震检验早已证明, 这种直立杆原理只能用于低灵敏度的报警器, 不具有构建验震器的合理性和可行性, 早在18世纪即被淘汰。

全国各地仿照这个模型制造出的无以计数, 小至手掌、大至几百万元, 甚至耗铜 10余吨、高达 2.96m 的地动仪, 也没有一件具有验震器的基本功能。

更让人尴尬的是，在1988年这尊“张衡地动仪”访问日本奈良时，中方解说在向日本观众讲解地动仪的工作状况时，手持一根木棍，木棍捅一下，龙口中的铜丸才会掉到下面蟾蜍的口中。

自 1969年以来, 中国 、日本、美国 、荷兰和奥地利等国的学术界发表了一系列的严肃批评文章， 国外的科普文章也对它的原理提出了质疑或做出另外的解释。

美国地震学家博尔特院士在看了传统模型照片后指出：

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。

遗憾的是,几十年间这些持续不断的、中肯的 、专业性的严肃批评和否定意见一直未引起重视, 国内媒体和教学内容依然如故，几十年间也没有做过一次严谨的科学检验和地震学测试。

为何地动仪被从教科书中移除了？

在2010年以前的人教版教材中，曾经介绍了张衡和他的地动仪。课文中是这样写的：

科学家张衡制造了一种仪器，能测定地震方向，叫做地动仪。这是世界公认的最早的地震仪器。

可是在2016年的部编本教材和2017年的统编本教材中，关于张衡和地动仪的这段介绍却被悄然移除了。难道地动仪是“不灵”了吗？

▲教科书中王振铎复原的地动仪模型，原理有误。

在西奇妹回答这个问题之前，我们先来看一段史料中关于地动仪的描述（太长可不看，直接看小妹的总结）。

《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，傍行八道，施关发机，外有八龙，首衔钢丸，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。振声激杨，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。”

因为年代实在太过久远，张衡发明的地动仪一号机早已失传，他也没有留下图样或者详细描述。之前我们在教科书中看到的地动仪，是1951年由一个叫王振铎的人，根据这196个字，结合自己的想象复原而成的。随后这台地震仪的照片与介绍文字，被选入教科书上。但后来这台地动仪在学界的争议很大，因为它经过实际测试，仿佛无法使用。最终判定，这台于1951年由王振铎复原的地动仪模型，由于复原原理有误，所以从教科书中移除了。但我们认为虽然王振铎复原的地动仪无法“正常工作”，却不代表1800多年前的那台也“无法工作”。

▲教科书中王振铎复原的地动仪模型原理图，现认为有误。

此后，科学家与史学家合作，寻找问题的关键点。史书上那段关于地动仪的记载中，有一段写的十分暧昧：

中有都柱，傍行八道，，施关发机，外有八龙，首衔钢丸，下有蟾蜍，张口承之。

虽然史料中对于地动仪的外观描述极为详尽，但开头那句“中有都柱”，是什么意思？这个“都柱”部分，显然就是地动仪最核心的技术，也就是它的心脏。那么这颗“心脏”，是什么样的设计原理？用了什么材料？对此，我们一无所知。

其实，从1875年到现在的100多年间，有无数的科学家在这个领域进行探索。曾经有13种概念性的地动仪复原模型，包括王振铎的作品在内，都无法“正常工作”。大量的实验失败后，有些人已经不相信有地动仪的存在。

▲冯锐团队复原的地动仪及原理图，该模型现放置于国家地震局大厅之中。

但好在随着时间的流逝，我们的认知与科技也在不断进步。近年来，中国地震台网中心研究员冯锐及其团队发现了《后汉书·张衡传》撰写之前，有7份对地动仪有记载的古版刻本，说明史料记载不是孤证。他们坚信张衡地动仪肯定存在，而且是会工作的。于是，重新复制地动仪的工作，被再次提上日程。

2002年，由冯锐任课题组组长，组员有国家博物馆、河南省博物院、北京机械工业自动化所、清华大学美术学院等单位的专家们。经过专家们6年的通力合作，终于在2008年复原出一台能够正常工作的地动仪。这台1/6原大模型，如今被放置于国家地震局大厅之中。

▲除了地动仪，张衡还发明了浑天仪（上图）。

那么，王振铎和冯锐的复原模型，有何区别呢？

王振铎模型：即“都柱”是一个类似倒置酒瓶状的圆柱体，控制龙口的机关在“都柱”周围。这一种模型已被基本否定。

冯锐模型：即“都柱”是悬垂摆（见袁宏《后汉纪》），摆下方有一个小球，球位于“米”字形滑道交汇处（即《后汉书·张衡传》中所说的“关”），地震时，“都柱”拨动小球，小球击发控制龙口的机关，使龙口张开。另外，冯锐模型还把蟾蜍由面向樽体改为背向樽体并充当仪器的脚。该模型经模拟测试，结果与历史记载吻合。

由于没有留下实物和图纸，现代人只能通过揣摩史书中的寥寥数语来领会地动仪结构。1936年始，中国科技史学家王振铎尝试复原地动仪，此后出现在历史课本以及大众视野中的基本都是王振铎设计的模型。

如果你留心观察过中国商周时期的青铜制品，便不难理解“牙机巧制”这四个字背后所蕴藏深厚的工匠精神。有许多东西几千年前的古人能造出来，但现代人想要仿制却一筹莫展，对于地动仪的重建也是如此。

（立柱式与吊杆式地动仪的原理猜想）

王振铎对张衡地动仪进行了大量研究，但受限于工艺水平，他造出来的地动仪仅能做到形似，无法实现对地震的感应。傅承义院士是著名的地球物理学家、中国现代地震学的奠基人，他那句话其实是当面跟王振铎讲的：“房梁下吊块肉都比（你）那个（模型）强”，很显然傅先生对那个模型不满意，这与某些人理解的（院士说吊块猪肉都比地动仪强）完全是两回事。

房梁下吊肉真比地动仪强？这是个有趣的科学问题，值得我们花两分钟来探究一下。

地震波示意图

地震是一种常见的地球物理现象，当地壳下方某处因为挤压或断层破裂，应力瞬间释放出来，它会以地震波的形式在地球内部向四周传递，地震波主要分为纵波（P）、横波（S）、表面瑞利波（R）和（L）波。P波是一种挤压波，它传递的速度最快，S波紧随其后，而对地面破坏力最大的则是表面波。

P波是纵向运动的压缩波

所以，当A地发生地震时，首先传到B地点的是P波，它挤压的方向与地震波源头方向相反。如果我们在B地点的桌面上放一个单摆，由于球本身在P波到达的瞬间保持静止，因此它会相对于桌面发生摆动，而在波峰过去之后它会向回摆。

（单摆在地震时的表现，黄球错误，红球正确）

几乎所有测量地震的仪器，无论是张衡的地动仪还是傅承义院士“吊在房梁下的猪肉”都是基于同样的原理：有质量的物体会因为惯性保持它原有的位置。你悬吊物体的质量越大，它在地面晃动时就越稳定。

（地震记录仪的铜球在地面晃动过程中保持稳定）

回到张衡的地动仪，它中间的柱子无论是立柱式还是吊杆式，都会在地震发生时倒（摆）向挤压波到来的方向，这一点符合物体的惯性定律。当然，如果我们真在房梁下悬吊一块猪肉，它同样会摆向地震源的方向。

立柱式与吊杆式地动仪的运动原理

在实际情况下，除非你距离震中位置很近，否则地壳运动不会如上图这样夸张，我们甚至无法感觉到地震，因此地动仪中间的柱子晃动幅度极小并且很快就恢复它原来位置，如果你看过民间顶幡表演就能意识到那根柱基本不会倒下，而吊杆式的地动仪也需要做到极其精密才能让它底部的小球脱离。这很可能是现代仿制地动仪模型无法感知地震的真正原因。

更精确的吊杆式地动仪运动原理

同样地，你在房梁下吊块猪肉也没办法感知微弱地震波，傅承义院士用“吊猪肉”打比方，一方面是阐述地震仪工作的原理，同时也仅是揶揄那个粗糙的模型，而非针对地动仪本身。

张衡的候风地动仪尽管只在史书中留下了百余字的描述，但从我们已知的惯性定律和地震运动原理看，其科学性还是值得肯定的。

这个原理，你们看懂了吗？

真正的张衡地动仪是什么样的？

真正的张衡地动仪早已在西晋时期失传，根据科学家的研究，地动仪的核心原理，应该是悬垂摆理论。而不是“直立杆”理论。

液体自由表面和悬垂摆是两种最基本的天然验震结构 。由于种种非地震的干扰波(车行马走, 爆炸 )以垂直运动为主, 与维系液面水平和悬垂摆稳定的重力方向一致, 不会或极难使它们离开原有的平衡位置。而地震波以水平方向运动为主, 对它们有很强的激发作用。因此这类装置一旦出现侧向的摆动与摇晃, 宏观上便表现出能够自动地区别地震与非地震的物理属性, 即“验证了地震”, 故命名验震器。张衡地动仪的原理，使用的应该是悬垂摆理论。

目前最受到考古界，科技界的一致认可的是中国科学院研究生院教授冯锐还原的张衡地动仪，他算出了都柱的具体高度、晃动周期和频率，确定了核心部件的形态和构造。接着，他又按照圆径八尺（1.85米）这个限定，将王氏地动仪中置于四周的蟾蜍，附着在尊体之上，与其连为一体。

冯锐还原的张衡地动仪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。这意味着，类似关门、汽车过境、巨大的炮声等都不会干扰到地动仪。

在之后长达7天的实验中，地动仪没有出现一次失误。因此，冯锐还原的张衡地动仪通过了由地震学、考古学、机械工程学等相关学科的专家组成的验收委员的鉴定，

此后，冯锐多次游走，希望能够纠正教科书上的这一错误。在冯锐的努力下，王振铎先生复原的地动仪模型才被撤出教科书。

不过，冯锐还原的张衡地动仪虽然科学，但是张衡地动仪早已失传1700多年，归根结底来说，这也仅算“我们在当前这个时代对张衡的理解”。至于一千多年的候风地动仪到底是何样，后人又会不会制造出更加接近原貌的张衡地动仪，现在还无法轻易下结论。