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《看历史》原国家历史杂志

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《国家历史》是中国第一本以历史为切入点的新闻杂志。2007年9月9日创刊,成都传媒集团出品。全国各大城市报亭、书店有售。经新闻总署批准2010年4月更名《看历史》,黑色的眼睛,发现彩色的历史。

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地动仪之前世今生  

2011-01-12 11:27:06|  分类: 温故·解密 |  标签: |举报 |字号 订阅

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地动仪之前世今生 - 《看历史》 - 《看历史》原国家历史杂志

 编者按:本刊2010年11期《被制造的“地动仪”》刊出之后,引起了各方争论。地动仪和司南是中国古代记载中重要的科技成就,但因年代久远,对其的考证和复原,是科技史学界的重大难题。我们继续刊登关于地动仪和司南的两篇文章,以利于读者更为全面地认知这一问题。

 

《看历史》主笔│杨东晓

从南宋的周密开始,直到清代的阮元,张衡的祖国一直有人否认他曾经发明过地动仪,也不承认那些史书上的验震记录。阮元曾说“余终不信有其事”,甚至到光绪年间,还是有人不相信古籍上对张衡候风地动仪的记载。自1875年始,至2003年,经历一代科学家的发现与质疑,张衡地动仪终于从史书中挣脱出来,成为一种可以验证的科学模型了。

对于地动仪,这个失传了1000多年的东西,一直以来人们能查到的最多的,不过是范晔的《后汉书·张衡传》中196个字的记录。

1875年,有位叫服部一三的日本人从美国留学回国,那一年,他刚刚24岁。这个年轻人不但有刚刚学到的西方国家的科学理念,还有着传统日本人对中国古老文明的热爱。就是在这一年,服部一三凭着对现代地震学的理解和对中国古籍中记载的张衡地动仪的兴趣,开始研究那个千年以来一直被中国人不求证便否定的张衡地动仪。

第二年,有位叫米尔恩的英国人,从伦敦起步,徒步穿越欧亚和今天的蒙古国,进入中国,又来到日本,在日本东京帝国大学担任地质矿物学教授。日本是个地震频发的国家,1880年“日本地震学会”成立。服部一三任会长,米尔恩成为了副会长。受到服部一三的影响,米尔恩也开始对地动仪产生了兴趣。

正是他们两人,开启了重新发现张衡和地动仪的探索之旅。点击定购《看历史》2011年1月刊

■ 张衡的被发现和再遗忘

今天还能找到的资料中,显示出服部一三为张衡地动仪设计的外观图,是个穹隆很高的器物。穹体外部,是密密麻麻的《后汉书?张衡传》中的196个字。服部一三的复原工作只做到了设计外观图纸这一步。

1883年,副会长米尔恩根据张衡文献的记载,开始设计他所理解的地动仪。米尔恩的设计,跟服部一三有很大不同,穹隆倒是低了很多,穹隆上面却还有一个高高超出穹隆的竖直设计——这一奇特的外观,反映了它的内部结构,有一根很长的“都柱”,关于这根都柱的“安置”,米尔恩选用了悬垂的办法。

米尔恩的工作从图纸上走下来,进入了实际操作阶段。按照此原理,在模拟工作时期,他估算地动仪的高度可以达3.5米。由于“都柱”太高,为了便于观察还把做试验的二层楼房的天花板专门捅了个洞。

米尔恩1892年制成世界上第一部悬垂摆地震仪,高6米、重25公斤,外形结构酷似他的地动仪复原模型。通过持续的努力,他在1895年终于发明了可在台站普遍架设的现代水平摆地震仪。

米尔恩在张衡的基础上又向前迈了一步,文献中的张衡地动仪只能验震,而米尔恩地震仪可以记录地震时间、方位、地震波形和强度等。米尔恩特地为张衡地动仪这类仪器起了个英文名词——Seismoscope(验震器)。

米尔恩在他那部被地震学界看作经典之作的《地震和地球的其它运动》一书中,这样说明张衡“悬挂都柱”工作原理和他本人实验之间的关系:1880年到1883年间,受悬挂都柱的启发,做过大量模仿和试验;发明地震仪是在此后的1892-1894年间。地质学专业出身的米尔恩,非常熟悉牛顿、惠更斯、皮纳等人对惯性和悬垂摆的研究,他同时发现了张衡地动仪在1700多年前运用的正是惯性原理。

米尔恩认为,悬垂摆原理在科技发展史的链条中,是衔接现代地震理论和经典物理学的重要一环。1883他的现代地震学的开山之作《地震和地球的其它运动》首版中首先介绍了张衡地动仪,并认定张衡运用了悬垂摆原理。从能找到的版本来看,《地震和地球的其它运动》最少再版过9次。至少在前4版中,读者能看到米尔恩将张衡地动仪原理的运用奉为人类迈出地震学研究的第一步。

1913年《地震和地球的其它运动》发行第9版时米尔恩已经去世了。后人在重新修订这本书时,直接从现代地震学的创始人米尔恩和他的地震仪讲起。米尔恩之前的内容删去或省略,于是,张衡被重新发现30年后,再次被遗忘。点击定购《看历史》2011年1月刊

■ 中国记忆的暂停

在中国开放了对东洋和西洋的留学以及交往之后,东西风交互地吹拂下,有关张衡的记忆在他的祖国苏醒。中国最早忆起张衡的,是中山陵的设计者吕彦直,1917年吕彦直设计的张衡地动仪外观图发表在《科学》杂志第三卷第九期上,对米尔恩模型的外观做了中国风格的润色,那时他24岁,正在美国留学。

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 中国地震学的奠基人李善邦在北平西郊鹫峰建立地震台,于1931年按照服部一三的造型画出张衡地动仪图像。李约瑟在《中国科技史》中用了这张图,误认为是李善邦的设计。

在中国,第一个画出张衡地动仪内部结构的,是1936年毕业的燕京大学考古系研究生王振铎,那时他也24岁。王振铎认为地动仪应用的是惯性原理,所以就延用了米尔恩的悬垂摆设计,只是把悬垂的都柱放在地动仪腔内。

王振铎1936年发表于燕京学报20期的一篇论文中运用惯性原理分析张衡地动仪,假设都柱悬系于尊立中部,这篇论文《汉张衡候风地动仪造法之推测》,成为王振铎本人学术生涯一个很高的起点,也是连接东汉发明和现代物理的重要一环。

王振铎对张衡地动仪的第一次研究以论文和图纸的形式保存下来,第二年爆发的抗日战争,使这一方案没能制作成实物。中国近代对于张衡地动仪的研究,就此暂停。而70年后的中国地球物理学家冯锐成功复原张衡地动仪时的原理,与王振铎所运用的牛顿第一定律惯性定律是相同的。

1937年,日本地震学家萩原尊礼发表的复原张衡地动仪论文,采取了直立杆原理,一根代表“都柱”的杆,从下往上立在地动仪中央。地震时,直杆倾倒会“施关发机”,使龙吐丸。此时抗日战争爆发,北平的研究机构和各大学开始南迁,王振铎已无法对自己的方案进行制作和实验。而日本方面,战争在发动,科研也在继续,两年后,地震学家今村明恒设计的地动仪问世了,他延用了萩原尊礼的直立杆原理,但又在直立杆的下面放了三个弹簧。弹簧起到复位的作用,原理近似倒立摆。可是至今的考古发现中,也没有东汉使用弹簧的记载。但是今村明恒发现直立杆倾倒方向与地震射线方向不在同一平面后,也就没有再进行后续研究。

■ 重拾张衡地动仪

抗战胜利后,王振铎于1947年下半年回到北平,两年后新中国成立,这位??中央博物院设计委员的新职位,是新政府的“文化部文物局博物馆处处长”。

为弘扬中国古代灿烂文化,树立民族自豪感,王振铎接到任务,复原张衡地动仪以供展出和传播文明之用,这次的复原工作,需要制作实物而非停留在论文阶段了。

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 接到任务后的王振铎,并没有采用最简单直接的方法——重复自己1936年的方案,并把实物制作出来。本着一位考古和史学工作者的认真态度,他又重新审视自己13年前的论文及其原理基础。这一次,他推翻了1936年的设计方案,接受了萩原尊礼1937年的直立杆原理,一年后,王振铎设计并复原出1:10比例的木质“张衡地动仪”模型。

这尊木质地动仪是新中国唯一一件“张衡地动仪”宣传模型,由于媒体的报道和邮票的发行,成功地唤起了民族记忆,并引起全国人民的空前关注。《人民画报》1952年4月号上整版的图文介绍,就是王振铎亲自写的,署名是他的字“王天木”。他如实地写道:“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》,也未能流传下来。”并进一步说明“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。”

这尊地动仪复原作品,就是后来成为国人非常熟悉的一个模型,几代人都在中学历史课本中见到过它,并认为就是张衡年代的出土文物。点击定购《看历史》2011年1月刊

■ 半个世纪的国际质疑

北京大学汤一介教授的博士生,奥地利人雷立柏2000年出版了他的《张衡:科学与宗教》,在书中,对张衡地动仪的存在提出了质疑。这一质疑,正好被逛国图书店的中国地震局地球物理所研究员冯锐看到。

2002年初夏天看到的这本书,以及随之而来的各种质疑也是冯锐不曾想到的,他希望能和雷立柏当面交流这个问题。

雷立柏赴约那天,带了一些国外的资料给冯锐和他的学术伙伴武玉霞看,自20世纪60年代以来,西方不少地震学家都提出过同样的问题:中国历史博物馆里的张衡地动仪工作原理是否正确?最严厉的批评是质疑中国科学史的真实性,是否有过张衡地动仪?这是否是中国人在造神?雷立柏的观点是:“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”。

冯锐受到雷立柏提问以后,突然想起他自己1980年代初在美国伯克利大学进行学术研究时,导师博尔特院士也问过他类似的问题,为什么你们中国人的地动仪像个酒桶?它的工作原理是什么?还把这个问题,作为他教材中的一个思考题。

冯锐对地动仪的研究就从2002年的夏天开始了。

他也是从《后汉书·张衡传》中的196个字开始的,不同于王振铎的是,冯锐是学自然科学出身的,建立数理模型和复杂运算是地球物理专业的基本功。

在《后汉书·张衡传》前后,还有七本古籍提到了张衡和他的地动仪,都一如范晔的言简意赅。在各种记载里,《后汉书·张衡传》中有一个重要数据是“圆径八尺,形似酒樽”中的“八尺”。按着一汉尺23.5厘米来计算,能够算出地动仪的直径约2米,形似“酒樽”的仪器高度约3米 。再通过梁思成的《中国古代建筑史》汉代柱子的比例和规格来推算,都柱的高度和直径比例大约在6-8。

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 这样高的敦实“都柱”能稳定地立在地动仪的中央,但是不会对地震出现敏感反应。反之,欲测出地动来,柱子必须远比铅笔杆、电线杆还要细,这不仅不符合史书“都柱”的记载、不可能竖立起来。汽车、放炮等较大的纵波震荡,也会引起直立都柱的倾倒。米尔恩早在1883-1889年间的试验中就做过坚决的否定,也是美日中地震学家一直否定的技术途径。

如果把敦实的“都柱”悬于尊体之中,就没有了上述问题。同时被解决的,还有由于汽车、跺脚、放炮、关门等纵波的震动带来的直立杆倾斜问题。悬垂摆只对横波带来的震动有灵敏反应,而且对于地震横波和瑞利面波带来的反应具有唯一性。

这就可以从原理上推断张衡地动仪遵循的是悬垂摆的原理,米尔恩的地震仪就是以此理论基础制成的。在否定了直立杆原理后,张衡地动仪又回到了1936年王振铎曾经认定的悬垂摆原理上去。

科学在反复和否定中,始终坚定它的唯一性。当初王振铎无论肯定还是否定它,都是为了向科学再迈进一步。而这一步只有通过自然科学工作者接下去的数理模型和计算中才能验证,它到底是真理还是谬误。可惜的是,作为一位严谨的考古学家和古文物学专家,王振铎当年是单枪匹马,没有具有地震专业以及数理运算能力人员协助他,无法对古文展开专业解读。

2002年的夏秋这段时候,冯锐经常长时间地盯着办公室的一堵墙看,他想象都柱如果挂在那里,会是怎样的一根柱子。“地动摇尊”之时,就是这根柱子的作用,才使龙口吐出铜丸。

按照3米左右的地动仪高度来估算悬挂都柱的振动周期,应该在2.4 -3秒。

冯锐的专业优势很快就显示出来,他找来1985年、1987年河南省洛阳地震台记录的陇西地震波记录图,发现从陇西到洛阳的地震波果然以瑞利面波为主,周期以2-5秒为主。事实上某一固定地区的地震波形是稳定不变的,也就是说,张衡年代陇西至洛阳的地震波,也是瑞利面波为主、周期也以2-5秒为主。

这一结果说明,不仅此高度都柱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,这就从数理推演上证明了,张衡地动仪应该是运用悬垂摆原理制成的。张衡对悬垂摆的运用比米尔恩早了1700多年。

在完成了基本数据验证后,冯锐的论文《地动仪的否定之否定》经过半年多的审查于2003年1月发表在《防灾博览》上,这篇论文第一次明确地指出了国内最流行的王振铎复原模型(即“传统模型”)的原理性错误。论文发表后,受到地震学界的重视和地震科学基金会的支持,在地震学专业委员会的两次会议上专家们听取了他的报告,明确支持彻底否定直立杆工作原理。点击定购《看历史》2011年1月刊

■ 21世纪的科学复原

质疑前人的工作并不难,难的在于自己完成合理的科学复原,再前进一步。从此,一个由地震学家、历史学家、考古学家组成的张衡地动仪复原研究团队组成,冯锐总负责 。很快,张衡地动仪的记载从一部《后汉书·张衡传》、196个字,增加到七部古籍、238个字,从这238个字中计算出来的量化参数,成为科学复原张衡地动仪的基本条件。

在专业人员面前,一个圆径八尺,就这样透露出了地震波动和测震仪的特殊细节: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。

冯锐的信心就来自这些数据,他对比了1654-1879年间清朝5次陇西地震的烈度场,调来1985-2004年间陇西所有地震的波形图,分析计算的结果是,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,既没有超出理论预期的合理范围,同时与类似的真实地震的波动记录结果相吻合。更令人他惊叹的是,史料中的文字描述和文字次序正是地动仪结构对这种波动的准确反应过程。这一结果说明张衡地动仪测到了陇西地震,被推断为公元134年的事件。

张衡地动仪不是用来预测地震的,它是验震器。既然是验震器,就可以在数字控制的高精度振动台上,用实际的地震波来检验它。

振动台受控于电脑,电脑控制下的液压机电系统能够严格地再现1976年唐山地震、2000年泸西地震、2001年孟艺地震在相关地震台站的地表震动过程,也可以重现理论的古代地震记录图,包括模拟1800年前京师洛阳在陇西地震时的运动,课题组复原的模型不仅在振动台上显示出了验震的功能——对于横波的良好反应,以及对于纵波的不反应——张衡地动仪不再是概念模型,而成为科学模型了。

这尊通过了验震器检验的科学模型,由于过于高大,并未能展示于公众,从振动台卸下后留作进一步工作之用。此后,北京史家胡同小学使用的是1:6模型,河南省博物院1:3模型,中国科技馆1:2 模型,上海科技馆和威海科技馆1:3 模型等。它们都仅仅是用于演示地动仪工作原理的显示结构,供观众作互动理解,已经不能作为真正的验震器而测震了。原因如同火车和飞机被缩微之后只能用于演示结构和原理,但不能够再载人是一样的道理。点击定购《看历史》2011年1月刊

张衡地动仪是怎样消失的?

《看历史》主笔 杨东晓

自从雷立柏第一次介绍国外学界对张衡地动仪的质疑,至今已??8年过去了。今天,雷立柏在向《看历史》杂志陈述西方学界对传统模型疑问时,一脸无奈:“中国古代文献的记载实在是太少了,很难拿出证据来证明有这个地动仪,而且现有的文字记载也太简略”。他说,西方科学家注意继承前人成就的同时提出自己观点和反省,这种传统使科学的体系更加完备,文化的传承才有系统。

雷立柏说的是事实,然而还有一些事实,是这位奥地利学者所不了解的,那就是东汉末年的动乱,以及此后历朝历代都曾发生过的战火和动荡。

东汉未年是地震频发时期,张衡尽管是一位自然科学家,但他的思想也无法脱离所处的历史阶段。对天地神灵的敬畏,使地动仪成为“观祲象、察妖祥”的工具。公元133年地震后,张衡上疏:“妖星见于上,震裂着于下,天诫详矣,可为寒心。今既见矣,修政恐惧,则转祸为福。”顺帝以后的皇帝因地震下过16次“罪己诏”。

自此,由地震引起的清君侧就开了先河,一直“清”到官员们见张衡上朝,都对他侧目而视,他的地动仪也成了不详之物。134年安放于灵台的地动仪成功测到陇西地震、且又有高官“以地震免”之后,侍中张衡立即被满朝文武们视为“终为其患,遂共谗之”,两年后被排挤到河北的河间,这里是几百年后林冲发配之地,其悲凉可想而知。

过了几年张衡被降职回京,不久就郁郁而终。这几年间京师曾发生过多次地震,但至今没发现该地动仪的记录存世。地动仪的消失,考古学家王振铎认为是在307年至312年西晋永嘉之乱,冯锐和其他历史学家认为会更早,在东汉末年,或者不会晚于魏文帝曹丕登基的221年。

张衡地动仪只有过一次地震的记录,它在一个天诫观盛行的时代无意中成为中国科技史的荣光,犹如昙花一现,消失在东汉晚期的噩梦里。

现在的洛阳,只留下地动仪当年工作过的地点:当年京师南两里的“灵台”:一座地基高两米的方台,这样突兀的高度,对地震波有结构性放大的作用,加速度可接近1gal(gal,地震加速度单位),利于测震。地动仪的脚下,则是铺设了两层的2x 2汉尺大方砖,这种铺设方法,是绝无仅有的。

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