是扭曲还是沦丧？东汉张衡发明的地动仪竟被网民指为伪造？

候风地动仪

东汉·张衡

古罗马的西塞罗说：“一个人不了解他生下来以前的事，那他始终只是个孩子”！

候风地动仪，曾一度被怀疑是中国古代伪造的一种检验地震的技术仪器。不仅被国外的科学大咖们怀疑，甚至也被国人所怀疑。那么，它究竟是不是伪造，这种仪器到底能不能监测地震活动？今天，异国志就和大家聊一聊与此相关的话题。

1，阅读指引

2.我们丢掉了很多东西

我们必须要承认，欧洲是近代科学的起源地。但同样不能否认，中国古代建立起的四大学科——天文学、算学、农学和医学，形成了中华民族独特的科学体系。中国古代的技术发明几乎遍布各个领域，其成果之多、技术之精湛，长时间内遥遥领先于世界。中国人的智慧和创造力，对整个人类社会发展进程所作出的贡献，远远超出了我们当代国人的想象力。

然而，有部分人对于中国古代科学技术的发展成就及其真实性，抱有怀疑态度，他们要么认为许多科技成就都是历史伪造的，事实上并不存在。要么则认为，很多古代中国科技发展的成就都是由西方输入促成的。

1990年德国的《法兰克福汇报》刊登了题为《西方的许多发明归功于中国》的文章，其中的这段话或许如实反映了部分人的思想现状。“有许多对世界发展起过重要作用的革新和发明来源于中国，只不过欧洲人对此没有深入地去了解过，甚至中国人自身也忘记有些东西是他们首先发明的”。

我们之所以会忘记过去的辉煌，或许是不想记起曾经的落寞！

例如关于人体血液循环，中国人早于西方两千年就有了初步系统的认识。中国人在2500年前就开始系统地观测太阳黑子的活动，而西方直到1610年，伽利略才首次观测了太阳黑子。包括机械时钟，很早以前也是由中国人率先发明，却又经过西方的传教士再带回到中国的。

如果我们只是记住了指南针、造纸术、火药术和印刷术，显然是不够的。中国的历史文化之丰富，远远领先于世界。而对中国文化的传承，是否又能领先于世界呢？如果做不到，那我们早晚会把祖先留下的宝贵财富丢得一干二净，我们不仅会把具体的、感官的文化遗产丢弃掉，甚至会在思想上，信念上把中华民族的文化精髓丢弃掉。

3，为什么很多人认为“候风地动仪”并不存在？

在今天的学术界和普通网民中，仍然有相当一部分人对候风地动仪是否出现过，抱有怀疑的态度。有人甚至直接指出，这项发明就是历史伪造，中国古代压根就没有发明这种先进的仪器。关于国内为何会形成这样一种认识，大致受到以下三方面的影响：其一是，西方主流科学家对候风地动仪工作原理的批评质疑。其二是，科学家对候风地动仪复原后，仪器效果不理想。其三，很多网友并没有理解史书上关于候风地动仪的古文字记载，误会了这个仪器的具体功能。

下面，我先从网友对史料记载的“风候地动仪”的一些概念上的误解，做下梳理和解释，也方便大家对这个中国汉代的高精尖技术有个大体的认识。

史料原文

原文关键信息提取 ↓

结合原文和上面这张说明图，我们大体就理解了候风地动仪的主要结构和具体功能，很多网友之所以质疑这个仪器的真实性，大多误认为张衡发明的这个地动仪能够提前预测到地震的发生，实际上，哪怕是利用现代最先进的技术，今天的科学家也不可能精准地预测地震发生的地点与时间。

简单的一句话概括就是：张衡发明的地动仪只是一种验震器，是在地震后发生后，确定其大概出现在哪个位置的一种仪器。

下面，我们再聊一聊西方科学家对张衡发明候风地动仪这一历史问题的态度。西方质疑候风地动仪的科学家有很多，他们怀疑的主要原因来自两方面，一方面，大多西方科学家无法贴切地理解古代汉语对候风地动仪工作原理的陈述，另一方面，他们认为候风地动仪这种仪器如果有效，后人却为何不再仿制，史料上也完全不再记录。

美国波特兰地铁站撰刻的世界最著名科技发明中有“地动仪，公元132年”

图片来源：2014.9《科学》杂志 66卷5期

奥地利的雷立柏认为: 张衡地动仪的科学价值非常有限, 彻底失传的仪器与地震学的后来发展毫无关系, 而且《后汉书》的记载不一定可靠, 中国人把张衡地动仪视为“国宝”和“国粹”, 它更多象征着一个向往( desideratum) , 而不是代表一个完满的实现( fulfillment) 。即使没有张衡的地动仪, 世界科学史也是一样, 没缺少什么。张衡若没有制造他的地动仪, 18 世纪和19 世纪的法国人还会照样地发明他们的地震仪器, 他们在理论或技术上都不赖张衡。

Qian 认为:地动仪的科学成就很值得怀疑, 它不属于一个真正的科学, 失传的根本原因是没有达到科学的要求, 是中国科学停滞特点的典型表现, 没有给后人科学的灵感使他们模仿或重造, 更没有引起别人改进它, 利用铜丸掉落来确定震中是错误的。

西方质疑中国古代不可能发明出地动仪，是因为他们对中国古代科学技术发展史缺少一个整体性的认识，更加上西方现代文明在某些方面看上去要更先进一点，他们自然不会接受一个相对落后于西方的古老文明，其科技水平曾远远超过他们一两千年的事实。更不愿意承认现代西方文明之所以能发展到今天，有一部分原因是接受了东方古老文明的启发。

国内外科学家对候风地动仪展开的复原工作，也是一波三折。在这项仪器复原工作上迈出第一步的是日本人服部一三，于1875年把《后汉书·张衡传》里关于候风地动仪的文字记载变成了猜想图形。其后,1883年米尔恩(ＪｏｈｎＭｉｌｎｅ,1850—1913)、1917年吕彦直(1893—1929年)、1936年王振铎(1912—1992年)、1937—1939年萩原尊礼(1908—1999年)和今村明恒(1870—1948年)都提出了自己的模型,王振铎在1951年制成了木质的展览模型。

下面我们来聊一聊关于候风地动仪复原工程的话题，这个古代发明之所以饱受各界质疑，一方面是其复原理论建设的滞后、不确定。还有就是复原仪器的验震效果不理想，与史料有较大冲突。本节可能是全文最枯燥的一小节，但也可能是最有趣的一小节，诚邀您耐心读完，一定有所收获。

首先向大家介绍下王振铎制作的模型，该模型从一开始出现，就受到当时各界的高度关注，甚至被选入了教科书。然而在1976年唐山大地震时，王振铎的模型并没有准确反馈地震的信息而受到国内外的质疑。在此之后，科学家、历史学家重新在史料文字及物理学的范畴内展开二次研究，并提出了新的模型理论。也有一部分学者对王振铎的模型进行了优化，且改良后模型的实验数据逐渐接近了目标。

我下面为大家简单介绍以下三种主流的，关于张衡候风地动仪的还原模型：

1，以王振铎为代表的立杆式地动仪模型及其设计原理

王振铎站立杆式地动仪还原模型

图片来源：冯锐．武乇霞，朱涛．地动仪的史料和模型研究[J]．自然科学史研究，2006．2s(增刊)：34—51．

王振铎先生作为考古学家，对候风地动仪的复原工作缺乏一些必要的理论知识。他更擅长于对仪器外型、材质、艺术造型上的一些复原工作，但与验震仪器相关的物理学、数学知识，王振铎先生是不擅长的，这也是他所设计的这种立杆式模型无法达到预期功能的主要原因。

王振铎先生的候风地动仪还原模型中，最大问题出在了《后汉书》“都柱”的还原设计上，按照史料上的记载，当陇西有地震时，安放在京师的地动仪已经感知到了地震的发生，当时京师洛阳与陇西相隔约800公里。王振铎设计的地动仪模型的中间“都柱”，即立杆由于横截面过粗，根据已有的方程式计算，这样的立杆是无法对如此微弱的地震波做出反应的。

震中与洛阳的经纬度地图

图片来源：陇西地区地震的等震线分布图 ( a) 1718 年6 月19 日甘肃通渭南地震, ( b) 1879 年7 月1 日甘肃文县地震

按照王振铎的模型，1976年发生在唐山的大地震烈度必须要达到10级以上，位于北京的候风地动仪模型才能做出反应。而唐山与北京的直线距离仅有180公里。而且，这种立杆式的地动仪，即使感应到了地震波，且做出反应，但由于立杆倾倒的方向是随机的，并不一定与震中位置对应，所以，王振铎模型被当时的学界和民间一致否定掉了。

关于王振铎模型设计的原理，则要提到日本两位专业地震学家萩原尊礼和今村明恒，正是他们的直立杆原理给了王先生启发，萩原尊礼和今村明恒通过计算地震波的运动方向和惯性力与立杆的关系，推算出立杆的高径比至少要达到1：40，也就是说，按照《后汉书》上直径为1.848米的候风地动仪设计标准来看，立杆长度最短不应短过1.8米，而立杆直径必须小于4.5厘米。

然而随后的东京大地震彻底推翻了这一设计，萩原模型并没有准确指出震中位置，而且立杆倾倒的最小加速度为11.9ga，远达不到后汉书记载的从陇西到洛阳这段距离，仪器感知地震波时所受加速度的阈值要求。

萩原模型和王振铎模型（传统模型）对于地震波的感知反应

图片来源：關野雄.張衡の候風地動儀にぉけゐ都柱の原[Ａ].東方學論集·東方學創立二十五周年紀念

2，冯锐悬垂摆模型：另外一种具有代表性的设计，是由冯锐团队提出来的悬垂摆模型理论。这种模型与直立杆模型最大的区别在于把直立于模型底部的立杆改成了悬挂在模型顶部的坠体。这种模型的最大优势是比较贴近古代科技水平的发展程度，也符合古人总结自然经验的习惯。这种灵感来自于汉代的测定风向的仪器，这种仪器同样用垂挂的方式来测定受力方向，而且实现手段简单，也与“候风地动仪”中候风两字非常巧合的雷同，从一个侧面印证了冯锐的理论。

冯锐团队设计的悬垂摆候风地动仪，借鉴了王振铎早期悬垂摆模型

图片来源：冯锐．武乇霞，朱涛．地动仪的史料和模型研究[J]．自然科学史研究，2006．2s(增刊)：34—51．图片中注明的“倒立摆”实际上是一种概念性的误解，后来学者已经对此修正。

冯锐的还原模型主要理论是利用悬挂的方式，最大程度提高仪器的灵敏度。悬挂系统能放大地震波中瑞利波的感应烈度，从而提升悬挂系统的最小加速度。据冯锐推算，当年陇西的地震烈度达到3级时，处于洛阳的候风地动仪悬挂系统的加速度就能达到加速度为0.3 ～ 0.6cm/s2 ,这个加速度是完全可以推动模型运作的。

瑞利波显示在绿框中

国家地震局地球物理研究所, 1991, 中国地震年报( 1987) , 北京:地震出版社。

冯锐团队提出的悬垂摆模型尽管在最大程度上支持了张衡“候风地动仪”的理论可行性，但仍然遭受了大量学者的批评。首先，悬垂摆的运动模式是平行于地震波水平方向进行运动的，也就是说，当地震波从西向东传过来的时候，悬垂摆会做东西方向的运动，瑞利波的波峰与波谷所产生的加速度并不能很好体现在悬垂系统上，需要阻尼系统来进行控制，（汉代即使有阻尼系统，也不可做到如此精确），这极有可能会导致东西方向的两个龙首相继吐出铜丸，这与史料中记载的只有一个龙首吐丸，其余七个不动相违背了。

其次，悬垂摆是悬挂于模型顶部的，而我在文章开头部分的图表中已经重点标出了一个核心信息，即候风地动仪的上部是一个可以移动的盖子。其受力方向是与仪器不一致的，只有一种可能，冯锐必须把盖子放在底部，上部受挂点必须与仪器作为一个整体，只有这样才能准确反应瑞利波的方向。这与史料也是相违背的。

其三，史料中所说的“都柱”，无论是古代汉语还是现代汉语，没有一种柱是悬挂式的。这与现实相违背。因此，尽管冯锐的理论非常接近了候风地动仪的主要功能，但依然存在相当大的漏洞，同样饱受质疑。

3，胡宁生改良直立杆模型：在冯锐模型受到怀疑的同时，另外一种对王振铎模型改良的理论开始出现，无论是在功能实现还是匹配史料记载上，都取得了突破性进展，下面为大家大致介绍下这种模型的原理和功能实现方式。

改良后的直立杆式候风地动仪模型

图片来源：《张衡地动仪立柱验震的复原与研究》胡宁生（中国科学院南京天文光学技术研究所， 南京2１０００８）

胡宁生对王振铎模型提出的突破性改良，其关键变化在于对史料中“都柱”的理解上，在王振铎模型中，如果想要测出800公里以外陇西的三级烈度地震，而直立杆的高度必须控制在1.8米以内的话，那杆的直径只能为1.5毫米。先不论东汉时期是否能生产出如此细长的铜柱体，即使生产出来，也是绝无可能将其站立住的。

如上图所示，胡宁生创造性的（也可能是张衡率先创造）将直立杆底部接触面改小，让整个直立杆形成一个头重脚轻的锥形体，提高了整个直立杆的重心，极大提升了直立杆对瑞利波的敏感程度，从而可以达到冯锐模型同样距离的验震效果。

而如何解决直立杆倾倒在震中方向呢？胡宁生的应对方法是在直立杆的四个面增加配重，当瑞利波刚刚传到直立杆上时，配重会首先增加这一面的加速度，从而可以准确地倾倒在传播源的位置。

胡宁生的改良直立杆验震原理

图片来源：胡宁生：张衡地动仪立柱验震的复原与研究

尽管胡宁生的设计方案以及实验模型成功实现了候风地动仪的功能，而且所采用的技术手段也能够在东汉时期相对容易的实现，但也因为史料上只有短短的两百来字，我们根本无法印证东汉时期的张衡是否也采用了此种方式成功验震。

4.总结

从三种不同模型以及原理上来比较分析，至少可以得出以下两点结论：1，张衡的候风地动仪原理，可以结合现代地震学知识及数学方法的精确计算下得到证明。2，现代人完全可以依照东汉时期的工艺水平复原候风地动仪。

但问题在于，我们所复原的地动仪模型，得不到史料的充分证据支持，但值得说明的一点是：我们完全没有理由去怀疑历史造假一说。因为《后汉书》的作者、包括其他有关于候风地动仪记录的《续后汉书》、《鼎录》作者，他们没有任何造假的动机。同时，作为历史记录者的他们，也不具备凭空编造出候风地动仪的能力。

我认为，候风地动仪是真实存在过的，也极有可能如史料记载的那样，实现过验震的功能。生活在两千前中国东汉时期的张衡，已经率先迈出了人类探索地震原理的关键一步，他的精神以及他设计发明的候风地动仪，代表着古代中国人的高超智慧、对科学技术的崇高追求，更加说明了中国近代科技水平的落后终究是暂时的，凭依着中华民族的优秀潜质，我们迟早能再次领先世界。

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