第十二单元 科普文章（一）
张衡（78-139）和他的地动仪
地动仪
候风地动仪是汉代科学家张衡的又一传世杰作。在张衡所处的东汉时代，地震比较频繁。据《后汉书·五行志》记载，自和帝永元四年（公元92年）到安帝延光四年（公元125年）的三十多年间，共发生了二十六次大的地震。地震区有时大到几十个郡，引起地裂山崩、江河泛滥、房屋倒塌，造成了巨大的损失。张衡对地震有不少亲身体验。为了掌握全国地震动态，他经过长年研究，终于在阳嘉元年（公元132年）发明了候风地动仪──世界上第一架地震仪。
据《后汉书·张衡传（zhuàn）》记载，候风地动仪“以精铜铸成，圆径八尺”，“形似酒樽”，上有隆起的圆盖，仪器的外表刻有篆文以及山、龟、鸟、兽等图形。仪器的内部中央有一根铜质“都柱”，柱旁有八条通道，称为“八道，还有巧妙的机关。仪体外部周围有八个龙，按东、南、西、北、东南、东北、西南、西北八个方向布列。龙头和内部通道中的发动机关相连，每个龙头嘴里都衔有一个铜球。对着龙头，八个蟾蜍蹲在地上，个个昂头张嘴，准备承接铜球。当某个地方发生地震时，樽体随之运动，触动机关，使发生地震方向的龙头张开嘴，吐出铜球，落到铜蟾蜍的嘴里，发生很大的声响。于是人们就可以知道地震发生的方向。
汉顺帝阳嘉三年十一月壬寅（公元134年12月13日），地动仪的一个龙机突然发动，吐出了铜球，掉进了那个蟾蜍的嘴里。当时在京城（洛阳）的人们却丝毫没有感觉到地震的迹象，于是有人开始议论纷纷，责怪地动仪不灵验。没过几天，陇西（今甘肃省天水地区）有人飞马来报，证实那里前几天确实发生了地震，于是人们开始对张衡的高超技术极为信服。陇西距洛阳有一千多里，地动仪标示无误，说明它的测震灵敏度是比较高的。
据学者们考证，张衡在当时已经利用了力学上的惯性原理，“都柱”实际上起到的正是惯性摆的作用。同时张衡对地震波的传播和方向性也一定有所了解，这些成就在当时来说是十分了不起的，而欧洲直到1880年，才制成与此类似的仪器，比起张衡的发明足足晚了一千七百多年。关于地动仪的结构，目前流行的有两个版本：王振铎模型（1951年），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。这一种模型最近已被基本否定。另一种模型由地震局冯锐（2005年）提出，即“都柱”是悬垂摆，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，冯锐模型还把蛤蟆由面向樽体改为背向樽体并充当仪器的脚（见上图）。该模型经模拟测试，结果与历史记载吻合。
张衡地动仪千年谜团解开 科学手段完成复原
国宝档案（9'）
收藏在中国国家博物馆的地动仪，它通体金黄，形似一个啤酒桶，在地动仪的外壁上均匀盘踞着八条龙，龙头朝下，龙嘴微张，每张龙嘴里都含着一颗小铜球。
在龙头下面的地上蹲着八只蟾蜍，蟾蜍正面朝向地动仪的主体，四足着地，昂首张口。整件器物由青铜铸造而成，精美而大方。
发明了地动仪的张衡，是中国东汉时期著名的科学家，被誉为横跨天文学、地震学、机械学、数学、文学等多个领域的天才。
然而，就是这家喻户晓的张衡地动仪，却在一段时间内受到外国学者的种种质疑……
2002年中国复原张衡地动仪（8'52''）
人类第一台验震器——东汉张衡发明的地动仪当时放在洛阳，曾观测到陇西地震，时人“皆服其妙”。
1700多年前，地动仪神秘消失，它的模样和工作原理成为千古谜团。
去年8月，河南博物院与中国地震台网中心组成课题组，联合研究张衡地动仪新的复原模型。
目前，这项课题取得重大进展，课题组用“悬垂摆原理”取代了传统的“直立杆原理”。
今年4月16日，这一科研成果得到了来自中国科学院、国家博物馆、中国地震局等单位的地震学和考古学专家的肯定。专家们认为：这台复原地动仪首次把概念模型还原成了科学仪器，使之真正有了验震功能。
验收
地动仪复原模型把概念模型复原成了科学仪器
4月16日上午，河南博物院《天地经纬》专题陈列厅，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会，开始对用挑剔的眼光注视着地动仪复原模型(1/3小样)。
当日下午，验收组的7位专家经过激烈讨论，最终认为：新模型首次把概念模型复原成了具有验震功能的科学仪器，迈出了复原研究的历史性一步。这个验收意见意味着，新复原的地动仪通过了阶段性成果验收，后续工作只需对某些技术细节做进一步优化，对外观做出最终确定。
河南博物院副院长田凯对此感触颇深：“我们不仅在复原一件仪器，也在找寻1000多年前那位伟大科学家‘求实疾虚’的科学精神……”
心愿
一定要让地动仪模型“动”起来
1998年，河南博物院新馆建设过程中，田凯负责主持《河南古代文化之光》陈列。布置汉代展厅需要展示张衡的地动仪，当时最权威的模型陈列在原中国历史博物馆里，它是王振铎先生于1951年设计的，这台卵状体上含有8条飞龙的模型，已成为地动仪的“标准形象”。
河南博物院请苏州天文仪器研究所按王振铎的模型重新复制了一个木制模型，并提出“能否让地动仪动起来”，得到的回答是：不可能，即使是中国历史博物馆里陈列的那台也不能检测地震。但对方可以在模型下面人为地安上一个装置，让它动起来。
“我们展出的是科学仪器不是玩具，这样做是对观众的欺骗。所以当时只能造一个不能动的模型，但这个情结在我心里一直存留了好多年。”田凯说。
6年后，了解到国家地震局和国家博物馆的研究人员正在做复原工作。2004年8月，河南博物院与中国地震台网中心签订了合作协议，组成了课题小组，共同复原张衡地动仪。
解谜
找到“垂悬摆原理”
该课题的负责人是中国地震台网中心冯锐研究员。冯先生表示，1700多年前的地动仪究竟如何工作是首先须破译的谜团，深入研究证实，地动仪应该是“悬垂摆原理”而不是王振铎模型的“直立杆原理”。
几十年来，国内外地震学界对王振铎模型的否定意见一直没有停。更有近现代西方学者认为张衡地动仪之所以失传，是因为它没有达到科学的要求，它不是个科学的东西。冯锐说：“看到这些严厉的批评以后，我们才感到问题的严重性。”
历时1年多，课题组最终确认了地动仪的工作原理应该是“悬垂摆原理”，而不是“直立杆原理”。
评价
这是一次重大跨越
地动仪的历史资料，最著名的是《后汉书·张衡传》中的记载，只有196个字。早期的复原工作都是据此开展的。冯锐的课题组把资料的考证和利用扩大到《续汉书》、《后汉纪》等古代文献，但相关文献的总字数也不过231个。这些资料，使他们复原的史料根据更加充分。
在研制过程中，冯锐还采用了一些新技术、新方法，即利用洛阳地震台接收到的现代陇西地震记录，算出模拟的陇西历史地震的波动效应，然后把数据输入计算机，再控制特殊的振动台完成洛阳地面震动过程的复现，用这种运动信号对振动台上的复原模型进行检验和改进。
验收组的专家们认为：新模型对4次实际地震事件已经实现了良好的验震反应，迈出了从概念模型到科学仪器的关键性一步，研究工作突破了古代科学仪器复原的传统模式，是一次重大的跨越。
验收会结束后，中科院地质与地球物理所的滕吉文院士说：“地动仪是中华文明留给人类的宝贵文化遗产，各国科学家都在尝试复原，如果我们不把这件事做好，那就是罪过。从原理上和制作过程上讲，这台复原模型符合史料记载，符合张衡的基本思想……这台地动仪复原模型代表了现代人的认识，它在现阶段是最好的。”
张 衡
张衡（78—139），我国汉朝伟大的科学家，河南南阳人。他在天文方面表现了非凡的才能，创造了世界上最早用水力推动的观察天体的浑天仪和观测气象的候风仪。
张衡对科学的研究是很广博的。他创造了世界上最早测定地震方向的仪器——地动仪。他对数学、地理也有研究，文章也写得很好，还是一位画家。
东汉时期，我国地震比较频繁。据《后汉书·五行志》记载，自和帝永元四年（公元92年）到安帝延光四年（公元125年）的30多年间，共发生了26次比较大的地震。汉安帝元初六年（公元119年），就曾发生过两次大地震。每次地震受灾面积大，有的地方地面陷裂，有的地方地下涌出洪水，有的地方城郭、房屋倒塌，造成了生命和财产的巨大损失。当时人们缺乏科学知识，对于地震极为惧怕，都以为是神灵主宰。
张衡多次目睹震后的惨状，痛心不已。他在已有的天文学基础上，经过长年孜孜不倦的探索研究，终于在他50岁的时候（公元132年），发明了世界上第一架用于测定地震方向的地震仪—地动仪。这是人类历史上的首创，是人类文明史上用科学方法认识地震的第一次勇敢尝试，它揭开了地震科学的新纪元。在这之后，又经过了1748年，欧洲才制造出同地动仪相类似的仪器。
张衡和他的地动仪
张衡（公元78-139年），字平子，南阳西鄂人（今河南省南阳市石桥镇夏村），曾任尚书和河间相等职。他“天资睿哲，敏而好学，如川之逝，不舍昼夜。道德漫流，文章云浮，数术穷天地，制作侔造化，奇技伟艺，磊落焕炳。”他“不患位之不尊，而患德之不崇；不耻禄之不伙，而耻智之不博。”是我国东汉时期伟大的科学家、文学家、发明家和政治家，在世界科学文化史上树起了一座巍巍丰碑。
在地震学方面，他发明创造了“地动仪”，是世界上第一架测定地震及方位的仪器，比欧洲早1700多年。在天文学方面，他发明创造了“浑天仪”，是世界上第一台用水力推动的大型观察星象的天文仪器，著有《浑天仪图注》和《灵宪》等书，画出了完备的星象图，提出了“月光生于日之所照”的科学论断。在地理学方面，他绘制有完备的地形图，并研制出了“记里鼓车”、 “掼车”等。在数学方面，他著有《算罔论》，并计算出圆周率的值在3.1466和3.1622之间。在1800多年前就能有这样精确的计算，不能不使人们感到惊叹。在气象学方面，他制造出了“侯风仪”，是一种预测风力、风向的仪器，比西方的风信鸡早1000多年。在机械学方面，他制造的“独飞木雕”是世界上最早的飞行器，还制造有土圭（日影器）、活动日历等。在文学方面，他是我国文学史上一颗光辉灿烂的明星。名著《东京赋》和《西京赋》合称《二京赋》，描写了东汉时期长安和洛阳的繁华景象，讽刺了官僚贵族荒淫无耻的寄生生活。《南都赋》生动地描绘了当时南阳郡的社会风貌、自然风光和民间风俗。此外还著有《归田赋》、《思玄赋》、《四悉诗》等30余篇。在艺术方面，他居东汉著名的六大画家之首。
张衡在科学技术、文学艺术等方面所做出的伟大贡献，不仅是中华民族的光荣和骄傲，也是留给整个人类历史的宝贵财富。张衡不愧是世界上光彩夺目的科学和文学的双子星座。1956年10月，郭沫若先生曾题词道：“如此全面发展之人物，在世界史中亦所罕见。”1990年5月，严济慈先生也曾为张衡墓敬献题词："精仪揭天地，科圣著千秋。”
张衡在本世纪50年代就被列为世界文化名人，1953年、1955年，中国先后发行了印有张衡画像和地动仪的邮票；1960年美国普林斯顿大学翻译出版了他的《二京赋》；1970年、1977年国际天文学联合会分别命名月球上的一座环形山为“张衡山”，太阳系中一颗编号为1802的小行星为“张衡星”。1981年上海造船厂把中波公司建造的一艘16000吨多用途货轮命名为“张衡号”，巨轮带着中华民族的光荣和骄傲，航行在世界各地。
张衡墓是全国重点文化保护单位，位于南阳市卧龙区石桥镇小石桥村西，因张衡晚年曾担任尚书，故又俗称“尚书坟”。这里面山依水，景色秀丽。墓北一箭之地，便是"平子读书台"。相传是张衡幼年发奋读书、钻研学问的地方。墓东濒临宛、洛古道，与宛北名刹——鄂城寺隔路相望。墓西是一片活野平畴，新修的公路贯通南北。宛如锦带似的洱水自墓前绕流东行，两岸重柳舞姿婆娑。如果说其他景观是一串形如项链珍珠的话，那么张衡墓园就是一颗晶莹无比的宝石。千百年来，曾吸引了多少人们到此来拜谒瞻仰，寻古探胜，发思古览物之悠情。初唐文坛之一的骆宾王在拜谒张衡墓后，写下了《过张平子墓》诗：“西鄂该通理，南阳擅德音。玉卮浮躁丽，铜浑积思深。”等等。这些情真意切的诗句，表达了对张衡才华横溢，伟绩丰功的敬仰之情。张衡墓原建造宏伟、翁仲、石兽对立，祠庙巍峨壮观，然而岁月悠悠，历经千余年，由于风雨剥蚀，战乱破坏，景况日渐荒芜。新中国成立后，党和国家重修了张衡墓园。近年经增建、扩建，规模渐宏。
进入建成后的墓园大门，首先映入人们视野的是一对高大雄伟的汉阙，汉阙为砖石结构，上覆重檐屋顶，阙身上部饰有斗拱和凤鸟，顶部檐下，两个顽单手抓屋檐，在嬉戏游荡，憨态可掬。汉阙过扣，东西两侧各有面阔七间的展厅，陈列着张衡发明创造的器物及介绍张衡一生伟大贡献的文图展板。展厅顶部各建望楼一座，东西对称，颇为壮观。循路北行，是一座十字形曲桥，东西通向碑楼和廊房，正经通向墓冢，沿中轴线继续前行，两侧石像生排列有序，穿过正中的祭台，拾阶而上，便是一片平地。站在这里，放眼眺望，蒲峰远峙，洱河如带，古塔巍然耸立，村庄田舍相间，近处楼亭各抱其势，奇树异草争荣斗研。宛如一幅优美的彩墨长卷，让人心旷神怡，流连忘返。穿过石亭堂，便是一尊通高五米的张衡半身花岗岩石像，雕像仰首凝视、神态庄重、栩栩如生，基座四周的大理石覆面上，镌刻碑文和"浑天仪"、"地动仪"浮雕。雕像背后为一碑墙，呈深灰色，上面镌刻着张衡歌颂家乡的《南都赋》全文。绕过碑墙便是高大的墓冢，该墓高8米、周长79米，墓冢四周松柏簇拥，并辟有环形甬道，供游人瞻仰游览。墓前竖郭沫若先生词碑，墓冢环砌青砖八棱形花墙，墓冢大门两侧，竖明嘉靖与清光绪年间的碑刻，并加盖了碑楼。碑楼东则竖"全国重点文物保护单位"标志碑，西则竖严济慈先生题词碑等。
人故去，精神长存，张衡故乡的南阳人民在学习张衡、继承和宏扬张衡业绩的同时，正在热情地接待着前来拜谒张衡墓、参观张衡博物馆的一批批中外游客。
候风地动仪
在1951 年，中国历史博物馆的王振铎先生根据史书的记载复原了张衡的候风地动仪，此物的工作原理是“倒立摆”。所谓“倒立摆”就是个尖脚棒槌，直立在那里，一有地震它就倒了。模型中使这个棒槌站立在大尊中央，周围对称地设有八套杠杆机构。棒槌倒向哪里，就砸开那边的机关。与这个机关对应的龙嘴里的球就会掉下来。王振铎先生的这台复原模型成了中国古代科技文化的象征物。但最近几年，一个名叫李超雄的先生对王振铎的复原模型提出了质疑。他认为史书记载中的地动仪“中有都柱”不能理解成“倒立摆”。整个地动仪是个高大的铜尊，高度超过2 米，最大直径1.8 米。这么大的铜尊本身重量就有两吨。这与那条轻盈无根的棒槌怎么也配不上，特别是倒立摆不可以有足够的灵敏度。张衡地动仪的制造和观测地震的成功，是世界地震史上的一件大事。但候风地动仪到底是如何运作呢？至今还是历史上的一个未解之谜。
张衡：地动仪的意义
张衡(78—139年)的伟大毋庸置疑。中国40岁以下的人在读中学时都背过这样的内容：东汉科学家张衡发明的地动仪，是世界上第一架测定地震及方位的仪器，比欧洲早1700多年。他创造的浑天仪是世界上第一台用水力推动的大型天文仪器。中国的文学史也绕不开《四愁诗》和《二京赋》。时至今日，他的成就被铭记于天空：月球背面有一座环形山叫“张衡”，小行星1802也叫“张衡”。
而我注意到的问题是，那个伟大的地动仪，有可能从没派上过实际用场。
历史上记载过一次，地动仪有了动静，“而地不觉动，京师学者咸怪其无征”。后来陇西来报，果然发生了地震，山都崩了，“于是皆服其妙”。显然，因为还在验证当中，这一次的地动仪预报虽然正确，但没有引发实质性的防灾。“自此以后，乃令史官记地动所从方起”，但并无实际运用的记载。
现在也有学者研究认为，张氏地动仪只能对地震的方位有大致的判断，用它来测震中，完全是不可能的。尤其令现代人惊异的是，当年地动仪的根本作用其实不是防灾救灾，而是像人大政协一样，为了督政监政。地动仪一震，张衡就上书皇帝：上天批评您老了，您得加强执政能力了。
后汉书的《张衡列传》有7500多字，全文收录了他几篇“未必佳”的文章和上疏奏折，而对地动仪的记载，总共不到两百字，且都是外在的描述，什么“以精铜铸成，圆径八尺，合盖隆起，形似酒尊，饰以篆文山龟鸟兽之形”“外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蜍，张口承之”，内部结构仅“中有都柱，傍行八道，施关发机”。具体的机关和运作原理只字未提，只有几句废话“其牙机巧制，皆隐在尊中，覆盖周密无际”。张衡本人也没有留下任何相关技术资料或传授他人。于是，大概在他死后不久，或者换了个皇帝后，地动仪就失传了，成了真正的“千古之谜”。
后来的情况是：千余年后的一个日本小年轻研究了张衡，在国际地震学年会上宣布，应该用张衡的“验震仪”取代当时的报警器。随后，一个英国人在此基础上设计出了现代社会的第一台地震仪，至今被运用于全世界。那是1894年的事，当时的中国正被中日甲午海战搅得焦头烂额，所以无从知道有地震学年会这回事。
中国人熟悉的地动仪，是科技文物专家王振铎1951年设计的，放在中国历史博物馆里展览。那是一个真正的“模型”，地动它不动的地动仪。
先人已设计出来，老外又继承发展了的东西，我们却不能复制，这成了当今一些科学家的心病。中国曾投钱成立专门的课题组来研究复制问题，据说还有所收获。只是以我的愚见，如今再复制那玩意儿干什么?有那份钱，还不如学学当今最先进的防震技术呢。
近20个世纪前，张衡造出地动仪，既没有有效地预防当时的地震灾害，又没有被承袭并促进后来相关学科的发展。于是，张衡及其地动仪对于中国，除了一句“比西方早1700年”，可以激励民族自豪感以外，还有任何实质性意义吗?
没有后继的个人辉煌，灿烂如烟花，其实只是悲壮的图腾。中国究竟有多少这样堪称伟大的图腾，积攒成后来的衰退落后?
138年3月1日 候风地动仪“显灵验”
东汉时期，地震比较频繁，从公元96-125年的30年中，就曾发生了23次比较强烈的地震，震区有时大到几十个郡。
132年，科学家、文学家张衡发明制造了世界上第一台测定地震方位的仪器——候风地动仪。张衡将候风地动仪安置在都城洛阳。起初，满朝文武都不相信这台地动仪能够测出地震的方向。
凑巧138年3月1日（汉永和三年二月初三日）突然地动仪朝向西北方向的铜球落了下来，掉进仪器下面的蟾蜍口里。可是，洛阳居民谁也没有感觉到地震。几天后，陇西驿者日夜奔驰来京师，报告陇西地震，二郡山崩（震级约为6.5级）。陇西正好在洛阳的西北方向。
在事实面前，大家都不得不承认候风地动仪的灵验，佩服张衡的发明。
相隔1700多年，欧洲人才制造出“第一台”地动仪。
张衡制造地动仪
中国的历史上，除了文人雅士、帝王将相 ，也有很多的科学家，张衡就是其中很著名的一个。张衡一生做了很多的事情，但是，他最有名的发明就是“地动仪”了。那个时期，经常发生地震。有时候一年好几次。发生一次大地震，就会给老百姓和国家带来很多的伤害。
当时的皇上和老百姓都把地震看作是不吉利的征兆，认为是鬼神造成的。张衡却不信神邪，他对记录下来的地震现象经过细心的考察和试验，发明了一个能测出地震的仪器，叫做"地动仪"。
地动仪是用青铜制造的，形状像一个酒坛，四围铸着八条龙，龙头伸向八个方向。每条龙的嘴里含着一颗小铜球，龙头下面，蹲了一只张着大嘴的蛤蟆。哪个方向发生了地震，朝着那个方向的龙嘴就会自动张开来，把铜球吐出。铜球掉在蛤蟆的嘴里，发出响亮的声音，就告诉人们那边发生地震啦。
公元138年2月的一天，地动仪正对着西方的龙嘴突然张开来，吐出了铜球，这是报告西部发生了地震呀。可是，那天洛阳一点地震的迹象也没有，更没有听说附近有什么发生了地震。于是，朝庭上下都议论纷纷，说张衡的地动仪是骗人的玩意儿。过了没几天，有人骑着快马来向朝廷报告，离洛阳一千多里的金城、陇西一带发生了大地震，连山都有崩塌下来的。大伙儿这才真正的信服了。
张衡虽然后来在政治上并不顺利，但是，他的这些科学发明和实验在我国科学史上留下了光辉的业绩。
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