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一、關(guān)于張衡地動(dòng)儀的爭論

陽嘉元年，復(fù)造候風(fēng)地動(dòng)儀。以精銅鑄成，員徑八尺，合蓋隆起，形如酒樽，飾以篆文山龜鳥獸之形，中有都柱，傍形八道，施關(guān)發(fā)機(jī)。外有八龍，首銜銅丸，下有蟾蜍，張口承之。其牙機(jī)巧制，皆隱在尊中，覆蓋周密無際。如有地動(dòng)，尊則振龍，機(jī)發(fā)吐丸，而蟾蜍銜之。振聲激揚(yáng)，伺者因此覺知。雖一龍發(fā)機(jī)，而七首不動(dòng)，尋其方面，乃知震之所在。驗(yàn)之以來，合契若神。自書典所記，未之有也。嘗一龍機(jī)發(fā)而地不覺動(dòng)，京師學(xué)者咸怪其無征。后數(shù)日驛至，果地震隴西，于是皆服其妙。自此以后，乃令史官記地動(dòng)所從方起。

地動(dòng)儀已失傳，上段文字來源《后漢書·張衡列傳》，要點(diǎn)是，張衡地動(dòng)儀是用立柱（都柱）來驗(yàn)震的，驗(yàn)震靈敏度甚至比人的感震靈敏度還高，而且立柱受震后會(huì)正確倒向地動(dòng)的來動(dòng)方向。

王振鐸在1951年制作了新中國的第一臺(tái)張衡地動(dòng)儀模型。幾十年中，此模型上過教科書，上過郵票，中國政府上世紀(jì)八十年代還將一臺(tái)景泰藍(lán)張衡地動(dòng)儀模型作為禮物，送給了日內(nèi)瓦的聯(lián)合國世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織，長期在其展廳中作為人類古代科技頂級(jí)發(fā)明而展出。張衡地動(dòng)儀的圖像也出現(xiàn)在中國地震局的局徽中。但王氏復(fù)原制作的地動(dòng)儀只是靜態(tài)模型，并不能實(shí)際驗(yàn)震。

自1969年起，國外刊物上陸續(xù)出現(xiàn)了一些對(duì)張衡地動(dòng)儀措辭嚴(yán)歷的質(zhì)疑批評(píng)文章【1】。那些文章寫道，經(jīng)過數(shù)國學(xué)者們的實(shí)驗(yàn)，得出的結(jié)論是，地動(dòng)儀想用立柱來驗(yàn)震是不可能的，理由是，我們根本不能使很靈敏的立柱站住。而對(duì)一根能被站住的不靈敏立柱，它在受到某一方向來的震動(dòng)后，并不會(huì)經(jīng)常傾倒在來震方向，而是會(huì)各方向亂倒。即由立柱的倒向，根本不能判斷來震方向。因此，中國史書上對(duì)張衡地動(dòng)儀的記載不是錯(cuò)了就是假的。有人并認(rèn)為【2】，以中國古代科技史上出現(xiàn)了地動(dòng)儀這種幾近荒誕的事例，說明中國前人對(duì)科技的態(tài)度相當(dāng)不正，以致中國科技進(jìn)展停滯而落后于文藝復(fù)興后的西方。一名自稱為張衡粉絲的外國人，在他的書中【3】指出，張衡地動(dòng)儀沒有一個(gè)科學(xué)原理能說明它，它是中國人杜撰出來的。

為了能批駁國外那些對(duì)張衡地動(dòng)儀聲譽(yù)不利的負(fù)面言論，中國地震局在本世紀(jì)初成立了一個(gè)“張衡地動(dòng)儀科學(xué)復(fù)原研究課題組”。但該組經(jīng)過幾年的研究后，竟附和了國外那些質(zhì)疑張衡地動(dòng)儀的負(fù)面言論，也認(rèn)為立柱驗(yàn)震是不可能的，只有用英國地震學(xué)家約翰米爾恩(John Milne)提出的懸擺【4】來驗(yàn)震才可能成功【5】。于是該課題組就做了幾臺(tái)與史書記載不符的擺式地動(dòng)儀，它們至今仍在一些科技館展出。

在該課題組公布他們的結(jié)果后，著名打假人士方舟子也對(duì)張衡地動(dòng)儀的真實(shí)性提出了質(zhì)疑或者說否定【6】。他的一個(gè)理由是：如果一根立柱的靈敏度比人的感震靈敏度還高，那么在地動(dòng)儀旁的人只要一跺腳，那立柱就會(huì)倒了。這種做法的缺陷是抗干擾能力很差，無法區(qū)分是地震引起的震動(dòng)還是建設(shè)、車輛、行人等引起的震動(dòng)。

在2010年前后的幾年中，該課題組的這些說法導(dǎo)致了許多對(duì)張衡地動(dòng)儀不利的負(fù)面報(bào)導(dǎo)。一時(shí)之間，媒體上出現(xiàn)了大量指責(zé)張衡地動(dòng)儀為虛假的負(fù)面言論，張衡地動(dòng)儀的聲譽(yù)忽然跌入谷底，從而產(chǎn)生了相當(dāng)嚴(yán)重的后果：在國外，聯(lián)合國世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織在它展廳中撤下了張衡地動(dòng)儀模型；在國內(nèi)，教育部從2017年起，不僅將中學(xué)教科書中關(guān)于地動(dòng)儀的內(nèi)容刪除了，而且甚至把關(guān)于張衡的介紹都整個(gè)刪除了。

二、立柱驗(yàn)震是否可行

筆者具有50年研制天體測量精密儀器的經(jīng)驗(yàn)。筆者認(rèn)為，張衡制作的地動(dòng)儀是當(dāng)時(shí)的一種精密儀器，應(yīng)該有精巧的設(shè)計(jì)。但以前研究此問題的各學(xué)者都把驗(yàn)震立柱只當(dāng)成一根的普通建筑立柱對(duì)待，例如：

日本的關(guān)野雄在他的論文【7】中認(rèn)為，用力學(xué)可以證明，立柱驗(yàn)震是不可能的，因?yàn)榱⒅?dāng)然越細(xì)越靈敏。這樣，如果一根立柱的靈敏度想比人的感震靈敏度還高，則用力學(xué)算得的那高近2米的立柱，其直徑得細(xì)至1.5毫米。顯然，這么細(xì)而高（銅絲般）的立柱是絕對(duì)站不住的；

第二個(gè)例子是，地動(dòng)儀復(fù)原組也在他們的論文【5】中認(rèn)為，秦漢時(shí)代的建筑物立柱都極粗，那么粗的立柱當(dāng)然不能靈敏驗(yàn)震。

筆者認(rèn)為，必須將立柱作為一件精密儀器來對(duì)待，才能認(rèn)識(shí)到驗(yàn)震立柱所必要的結(jié)構(gòu)和相關(guān)力學(xué)條件。

圖1. 地動(dòng)儀立柱結(jié)構(gòu)

驗(yàn)震立柱的結(jié)構(gòu)和力學(xué)要求為（見圖1）：

高而粗的立柱必須要有一個(gè)很小的著地面，這樣的立柱才能在很微弱的地動(dòng)作用下失穩(wěn)而發(fā)生傾倒；

立柱的小著地面必須是精密加工過的極硬（如藍(lán)寶石）平面（或其它面形）。這小著地面的材質(zhì)不能由不夠硬的立柱本體材料（如青銅）來制造，否則其邊緣會(huì)被立柱傾倒時(shí)的特大壓強(qiáng)所壓壞。

立柱著地面下的那個(gè)支承面也必須是一個(gè)精密的硬平面，而且此支承面還應(yīng)該被調(diào)整到相當(dāng)水平的狀態(tài)。因此，該支承平面就必須要有置平機(jī)構(gòu)；

立柱質(zhì)心的重力矢量必須要正好落在那立柱小著地面的正中央，否則那偏重的立柱在受震后就會(huì)各方向亂倒（即會(huì)倒向那在方位上被隨機(jī)亂放的立柱偏重方向）。為達(dá)到以上要求，立柱就應(yīng)具有重心位置的調(diào)整裝置，以在要站住立柱之前，先將立柱做好重心平衡調(diào)正的操作。

要使立柱能夠驗(yàn)震還應(yīng)要有如下諸力學(xué)條件：

驗(yàn)震立柱的靈敏度a如要優(yōu)于人感震的最高靈敏度（地震界一般采用的此值為千分之五的重力加速度），可以用力學(xué)證明【8】那立柱著地面的半徑r與立柱重心高度h之間應(yīng)滿足關(guān)系式a=（r/h）g<0.005g。此式指出，立柱的r/h應(yīng)小于0.005；

能振倒立柱的（水平）地動(dòng)的輻度必須大于著地面的（大致）直徑；

地震的（水平）振動(dòng)周期必須大于約2秒鐘，太短周期的往復(fù)地動(dòng)對(duì)立柱的前后作用會(huì)正好互相抵銷掉。

圖2. 本文作者與他復(fù)原制作的地動(dòng)儀實(shí)物模型

從2013年起，筆者用了嚴(yán)密的力學(xué)分析，終于證明了立柱驗(yàn)震在力學(xué)原理上是正確的，又制作了實(shí)物模型（見圖2），證實(shí)其原理在實(shí)踐上也是可行的。

針對(duì)所謂跺跺腳就會(huì)使立柱傾倒、根本無法驗(yàn)震的說法，本作者專門拍了一個(gè)視頻，如下：

在視頻中可以看到，實(shí)驗(yàn)者在一根靈敏立柱旁大跳，可是那立柱仍能屹立不倒，因?yàn)槿颂鴦?dòng)引起的地板振動(dòng)主要是一種垂直方向的振動(dòng)。但是地震波既產(chǎn)生垂直方向、又產(chǎn)生水平方向的振動(dòng)。正如視頻中所顯示的，那人只要對(duì)立柱吹一口氣（人吹氣對(duì)立柱的干擾幅度應(yīng)小于地動(dòng)對(duì)立柱的干擾，但可以模擬水平方向的干擾），那立柱就倒了。這視頻充分證明了，一根檢測地震時(shí)靈敏的立柱真能抗住旁邊那人的行動(dòng)所引起的干擾。

至此，讀者當(dāng)可明白，之前研究過立柱驗(yàn)震的中外學(xué)者為什么都不能用立柱成功驗(yàn)震了。然而1800年前的張衡卻能將立柱驗(yàn)震原理成功地用到他的地動(dòng)儀中，我們不禁要驚嘆張衡科技水平之高。

三、為張衡地動(dòng)儀恢復(fù)名譽(yù)

由于社會(huì)上否定張衡地動(dòng)儀的負(fù)面言論已持續(xù)了十年之久，現(xiàn)在要為張衡地動(dòng)儀恢復(fù)名譽(yù)就需要不懈努力才行。幾年來，本文作者為張衡地動(dòng)儀做了下列工作：

2014年出版了《張衡地動(dòng)儀的奧秘》一書。

2016年配合中國科技史學(xué)會(huì)召開了對(duì)張衡地動(dòng)儀立柱驗(yàn)震學(xué)說的學(xué)術(shù)鑒定會(huì)，獲得與會(huì)專家一致認(rèn)同。

前后研制了三代大型張衡地動(dòng)演示儀，其中第二代演示儀用于2016年的鑒定會(huì)，第三代（見照片）演示儀將用于向媒體展示。需要第三代張衡地動(dòng)演示儀工作實(shí)況視頻的讀者可向作者索取。

2020年在學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了對(duì)張衡地動(dòng)儀立柱驗(yàn)震的重要論文【8】。

筆者認(rèn)為，張衡是我國古代最偉大的科學(xué)家之一，他的地動(dòng)儀也是一項(xiàng)卓越的發(fā)明，在世界科技史上理當(dāng)占有重要的地位。我呼吁為張衡地動(dòng)儀恢復(fù)名譽(yù)，將其重新納入歷史教科書中，并重新贈(zèng)送一臺(tái)張衡地動(dòng)演示儀給聯(lián)合國有關(guān)組織。

參考文獻(xiàn)：