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东汉时期张衡发明的地动仪，在世界科学史上占有很重要的地位。然而这一伟大的发明由于实物的失传，使人们只能从简约的史籍记载中去领略它的伟大和神奇。也正因为其实物的失落和文字记载的简约，后代科学家根据简约的文字记载进行的研究和所谓的复制违背了当时人们对地震科学的认识以及对记载文字的误读，使这一伟大的发明至今不能还原在人们面前。 公元132年，东汉著名科学家张衡制造出世界历史上第一台地动仪，这是一台检验地动的仪器，第一台候风地动仪是在东汉阳嘉元年（公元 132年）制造的。《后汉书孝顺孝冲孝质帝纪》“秋七月，史官始作候风地动铜仪。”阳嘉是东汉顺帝的第二个年号，张衡在安帝时初为太史令，顺帝初“复为太史令”。大约在东晋末年（公元312-418年）失传。《后汉书张衡传》用196字对地动仪作了记述： 阳嘉元年，夏造候风地动仪。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，首衔铜丸， 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。振声激扬，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。 由于技术失传和范晔的记述过于简单，使后人对这项记述的可行性有了很大的怀疑，也因为记述的简单，使对于这项人类历史上伟大的发明持肯定态度的人在复原和解释它的原理时，发生了很大的分歧。更由于记述简单，特别是对于在当时很清楚的原理，这个原理随着时代的变迁也随之失传，使后来的人在研究张衡“侯风地动仪”时，使用现代理论来做所谓的复原工作。 地震，是对人们生活影响巨大的自然现象。但由于古人对自然科学的认识，为这种自然现象蒙上了非常神秘的色彩。史籍上对地震的记载，最早的恐怕是《竹书纪年》中对于帝舜时期都城蒲坂地震和“夏帝桀十年，五星错行，夜中星陨如雨，地震，伊、洛竭。”这时的记载能从中看出地震与社会政治的以及五行的关联，但还不是非常的清晰。《国语周语上》的记载就已经把地震和阴阳与社会政治完整地结合在一起： 幽王二年，西周三川皆震。伯阳父曰：“周将亡矣！夫天地之气，不失其序，若过其序，民乱之也，阳伏而不能出，阴迫而不能烝，于是有地震，今三川实震，是阳失其所而镇阴也。阳失而在阴，川源必塞；源塞，国必亡。夫水土演而民用也。水土无所演，民乏财用，不亡何待？昔伊、洛竭而夏亡，河竭而商亡。今周德若二代之季矣，其川源又塞，塞必竭。夫国必依山川，山崩川竭，亡之征也。川竭，山必崩。若国亡不过十年，数之纪也。夫天之所弃，不过其纪。” 西周时期伯阳父这个对地震的认识是古代人们对地震的代表。《汉书五行志》载刘向分析地震原因时也沿用此说。古人对地震的理解为社会政治阴阳失调，先秦以伯阳父为代表的“阳伏而不能出，阴迫而不能烝，于是有地震”，到了东汉时期，演变成了杨震的“地者阴精，当安静承阳。而今动摇者，阴道盛也”（《 杨震列传》）和蔡邕的“地动者，阴盛侵阳，臣下逾制之所致也”（《汉书蔡邕列传》）。不论哪一种认识，都没有离开阴阳之气。张衡对地震的认识也没有离开地震是世间君臣失调造成的自然阴阳失调，从而导致灾应：“惧群臣奢侈，昏逾典式，自下逼上，用速咎征。又前年京师地震土裂，裂者威分，震者人扰也。君以静唱，臣以动和，威自上出，不趣于下，礼之政也。” 从古人对地震的认识分析，认为天为阳，地为阴；君为阳，臣为阴。阳气下降，阴气上升，阴阳交合，万物和谐。如果阴气太盛，不能与阳气交合，或者，阳衰阴盛，阳不能为制，则会产生地震。所谓的气，既是抽象概念上的气，也是物质存在的气。能够感觉到的阳气来源于日月，阴气则蕴含在大地之中。人在直接的感觉中很难察觉到阴气的存在，需要用专门的设施来测定。这就是《后汉书》中记载的“葭灰占律”。 《辞源》中对候风的解释是“近人以为候风地动仪实为两种仪器：候风用来测风向，地动仪用来测地震。”这个解释谬之又谬。风是气之合，候风就是候气。《吕氏春秋·季夏纪第六·音律》：“大圣至理之世，天地之气，合而生风。日至则月钟其风，以生十二律。”所谓候风，即是司望地之气。理解张衡候风地动仪的原理，不能抛开张衡对地震理论的认识。因此，张衡候风地动仪的根本原理在于候风。 那么，什么是候风，或者说，是候气呢？ 古人认为“风生于地”，“候风”来源于“候气”。 “候气”是一种判定节候到来的测定方式，《后汉书律历志上》“候气之法，为室三重，涂衅必周，密布缇缦。室中以木为案，每律各一，内庳外高，从其方位，加律其上，以葭灰抑其内端，案历而候之，气至者灰动。其为气所动者其灰散，人及风所动者其灰聚。” 这也是中国古代音律的制定原理，也就是“葭灰占律”。 在中国古代历史上，有一个很重要的思想，就是律历合一的思想。这个思想最早可以上溯到先秦以前的典籍记载。而作为自成体系的律历合一学说， 从宋时起就已残缺不全。宋之后， 随着古代天文历法研究的不断进步，这一古老的理论在实践上几乎被完全抛弃。 在中国历史上，律历并不单纯属于艺术和天文学，而具有很高的政治意义，因此“葭灰占律”是一种具有权威性的国家制度，很久以来史官对此也深信不疑，杨雄、蔡邕等古代大家对此都有过很明确的论述，其具体方法是：用极轻的芦苇内膜，再把它烧成灰，装在按深度不同埋入地下的律管中，随着节候的变化，地气萌动，葭灰被地气从律管中吹出，从而判定节气的到来。当然，对于这个判定节候、制定音律的方法，古代也是有许多人不相信的，隋文帝就曾对此置疑，但据记载，其史官的实验是成功的：（《隋书律历志上》）“开皇九年平陈后，高祖遣毛爽及蔡子元、于普明等，以候节气。依古，于三重密屋之内，以木为案，十有二具。每取律吕之管，随十二辰位，置于案上，而以土埋之，上平于地，中实葭莩之灰，以轻缇素覆律口。每其月气至，与律冥符，则灰飞冲素，散出于外。而气应有早晚，灰飞有多少，或初入月其气即应；或至中下旬间，气始应者；或灰飞出，三五夜而尽；或终一月，才飞少许者。” 不论葭灰占律、判定节候的方法是否具备现代科学理论，从历史的记载上我们知道在中国古代是存在这种非常严肃的科学实验的：在密闭的、不受外部干扰的条件下，按节律依次在地中埋入十二支空管，其间填上用芦苇内膜烧成的灰。随季节的变化地气萌动，管中葭灰飞出。张衡作为东汉史官，这种方法使他对地震的理解是起决定作用的：来源于地下的震动传播比地气萌动要强烈得多，完全可以用候气原理制造出判定地动的仪器。使用这种方法制作出判定地震和方位的仪器，与冯锐、武玉霞在《张衡候风地动仪的原理复原研究》一文中所说的“迄今看到的远古仪器，基本都是对自然现象的简单模仿和微缩”是一致的。“葭灰占律”是以地气萌动吹动律管中的葭灰。地震是地球内部介质局部发生急剧的破裂或撞击，产生地震波，从而在一定范围内引起地面振动的现象。地震就是地球表层的快速振动，在古代又称为地动。其能量来源于地壳内部，利用古代葭灰占律、测定节候的方式，测定来源于地层中传播的地震波，是非常有效的方式。曾任东汉史官的伟大科学家张衡，应当是非常清楚其原理与方法，用这种方法制作出判定地震方位的地动仪也就在情理之中。因此，张衡候风地动仪是根据这种原理判定已经发生的地震仪器，称“候风地动仪”。 其中描述地动仪内部结构的内容更只有“中有都柱，傍行八道，施关发机”这12个意义隐晦、众说纷纭的字，虽然，以后，北齐的信都芳和隋朝的临孝恭，也都制造过地动仪，还留下了相关著作，可惜他们的著作都亡佚了。仅根据《后汉书》中的简陋记载，使他们认为，要复原张衡的候风地动仪根本不可能。 当然，古今中外专家从未停止对张衡候风地动仪的研究，不断出现新的理论和所谓对张衡地动仪复原，也有许多的有志之士根据历史记载制作出了复原模型，如1951年我国考古学 家王振铎先生按照狄原尊禮1937年的直立杆原理并参照服部一三1875年绘制的外形制作的地动仪模型（现存中国历史博物馆），2004年8月，河南博物院与中国地震台网中心组成了课题小组，中国地震台网中心的冯锐研究员任课题组负责人按冯锐研究员的“悬垂摆原理”共同复原的张衡地动仪（现存河南省博物院），并在2005年4月通过了专家鉴定和国家验收。河南南阳吴勇才、吴迪父子复原出的张衡候风地动仪，等等。特别是冯锐、武玉霞在《张衡候风地动仪的原理复原研究》论文的发表，似乎是对张衡候风地动仪工作原理的定论。就其原理来说，不论使王振铎先生1951年按“直立杆原理”还是冯锐先生课题组“悬垂摆原理”，还是其他人士制作的地动仪模型，不是仅对外形的复制而不具有真正实用价值，则是用现代理论套用了张衡地动仪的外衣，都不能称为真正的复原。 《张衡候风地动仪的原理复原研究》，对古今中外科学家复原张衡候风地动仪或者对其原理的研究进行了深入细致的分析，不但从理论上肯定了历史上张衡候风地动仪的存在及其历史上对地震研究的重要意义，而且针对各家研究成果根据历史记载和科学理论进行了比较全面的总结评述，特别是对影响巨大的王振铎先生按照狄原尊禮1937年的直立杆原理并参照服部一三1875年绘制的外形制作的地动仪模型，从理论上做了令人信服的分析，对直立杆或者倒立柱原理进行了否定，并在此基础上，认为：“迄今看到的远古仪器，基本都是对自然现象的简单模仿和微缩。在地震频繁发生的东汉时代，创制地动仪的诱因可能是来自灯笼和钟铃，钟玲是庙宇和屋檐的装饰之物，它们都悬挂在头顶之上，为自然状态下的典型悬垂摆。”“钟铃平时处于稳定的状态，不会受到人来车往等任何震动的影响，只有在两种特殊的情况中才会左右摇摆——风吹和地震，于是“候风”和“地动”便冠名到仪器上。”因此，便得出结论：“在目前的认识水平上，认为候风地动仪的工作原理是悬垂摆”。 实际上，他们在这里，与其他研究者犯了一样的错误，用现代理论穿上古人衣裳，从而导致也同样是错误的结论——张衡候风地动仪的工作原理决不是悬垂摆！他们仍然是在史书那些“约束条件”之下所作的新创造，而非真正意义上的复原。从历史记载中弄清楚张衡候风地动仪的工作原理，使复原的仪器符合历史记载的原理，才能真正说复原了它。所以，有必要正本清源。 范晔在《后汉书张衡传》中，虽然对张衡地动仪的记述仅有短短的196个字，对地动仪的工作原理实际上只有“中有都柱，旁行八道，施关发机”。但由于没有清楚其前提或者错误的解释，使另外极为关键的两个字被抛弃，所谓复原的原理，都没有从根本上解释它，然而，恰恰是这两个字限定了张衡地动仪的工作原理：候风！如果要弄明白张衡地动仪的工作原理并按照其原理复原，首先要清楚“候风”所代表的含义，抛开了候风来研究或者复原张衡的地动仪，一起都无从谈起。 张衡候风地动仪的工作原理不是什么“倒立柱”或者什么“悬垂摆”。复原一个过去存在的东西，必须符合这个曾经存在东西的基本原理与特征，在不能清楚其基本原理前提下，不要用现代理论去武装和解释存在的对原有东西记述文字的含义。本文不对记载中候风地动仪外观做过多分析，只对其基本原理进行分析，在确定其工作原理之后，再根据记载制作出外形是顺理成章的事情。 “中有都柱，傍行八道，施关发机”十二个字是张衡候风地动仪的工作原理，它的含义是非常明显的，在清楚了它的前提后，就不会产生歧义。 柱，在历来汉语文字使用中，都没有悬挂的意思，必须是从下向上的支撑。《释名》：“孤立独处，能胜任上重也。”都柱，也不必要解释为“独柱”，因为柱的意思中已经包含了“孤立独处”的意思。房屋中起到核心支撑作用的中心柱，像远古人们建房时的草房的中心柱。 “旁行八道”的主语是“都柱”，是在“都柱”之“旁”，按东、南、西、北、东南、西北、西南、东北八个方向伸出八条轨道。 难以理解的是“施关发机”。“施”作为名词是旗竿顶端装饰物，《逸周书》卷七有“楼烦以星施”，在部落融合之后，旗杆顶端的装饰大多为枪头或者圆球，所以，后来有一种兵器就称为“鍦”。在直立的“都柱”顶端置一圆球，类似旗杆顶端的“施”，它是发机的关键。 尊体的作用除安置龙口吐珠和蟾蜍承接龙口吐出的铜珠以提醒判定方位外，还有类似“葭灰占律” 中“为室三重，涂衅必周，密布缇缦”的作用，以避免来自外部的干扰。如果尊体直接与地表接触，单靠几十吨重尊体完全排除来自地面的干扰，只是一种想象，理论上也是不成立的。张衡候风地动仪的外观，龙口发机吐珠是个简单的机械设计，与地动仪的工作原理没有太多的关系，在尊体上分析地动仪的工作原理是本身就是错误的，对此不作过多分析。 其具体制作方法和工作原理是： 在选定的位置深埋入地一根大柱，像远古人们建房时的草房的中心柱，这个柱子用来感应来自地层的地震波。为了避免地面环境对“都柱”的影响，在适当的深度把柱周围掏空，或者先掘土井，然后将大柱埋入压实，距离地面相当距离使柱体与井壁分离，避免来自地面影响对“都柱”的干扰。柱顶收缩为一个有凹面或空心管的顶端。顶端凹面或空心管上置一铜球，铜球直径和顶端凹面或空心管直径可以根据灵敏度需要制定，这就克服了“倒立柱”制作中摩擦系数的难题。都柱顶端放置铜球，犹如旗杆顶端的装饰圆球。在“都柱”开始收缩处，按东、南、西、北、东南、西北、西南、东北八个方向伸出八条轨道。 当地震波在地层中传播到埋入地下的都柱时，按冯锐、武玉霞在《张衡候风地动仪的原理复原研究》一文中分析的“理想直立杆”能倾倒，而人又无感觉的地震，“三、四度地震烈度”的地震波，完全会使都柱产生相应的位移。都柱受力位移，位于都柱顶端的铜球中心偏离重心，向力量来源相反方向脱落。这是能使龙口发机的力量来源，这个铜球不是龙口吐出的铜球，都柱四旁八条伸向不同方向的轨道之一承接并导引向相应方位，触动龙口机关，龙口所含铜珠吐出，从而判定地震来源方向。 冯锐、武玉霞在《张衡候风地动仪的原理复原研究》一文中说：“长期流行的直拉杆原理（曾一度认为是“倒立摆”）是一种不稳定平衡装置，理论和实践均表明，用它作验震器是不合理的，直接影响了外形复原的合理性。”这个结论是正确的。然而，他们研究成立的结论：“在目前认识水平上，认为候风地动仪的工作原理是悬垂摆触发地动仪的是瑞利面波，共振起到放大作用”的结论，却也是不符合史料记载的，它没有解决地动仪为什么是“候风”地动仪而不是其它形式的地动仪，在分析了“直拉杆原理”存在的不合理性之后，为了摆脱其不可克服的困难，而将记载中明确说明的都柱改为 “悬垂摆”原理，而它不是张衡“候风”地动仪的工作原理，因此，就这个意义上来说，可以重新制造出一个可以与张衡候风地动仪外观和功能相似的地动仪来，但不能说是利用张衡“候风地动仪”原理复原的。 “天人感应”的灾异说在西汉以前存在，但并没有形成完全的系统理论，这个理论是由西汉的董仲舒完成的，对中国古代政治有很深的影响，很多的统治者都接受了这个理论，在一定程度上对抑制皇帝的无限权力产生了作用，却也在思想上对国家意识的形成产生极大的反作用，从东汉开始，很多的政治家和理论家就已经对此进行理性的探索，张衡便是其中的一个重要的代表。张衡地动仪的问世，有着很深的政治原因，它的意义并不简单地表现在对已经发生地震的感知上，方舟子“《张衡传》所说的陇西地震是在京师引起轰动的社会事件，没有留下佐证就不合常理了”的说法，本身就是一种佐证，这要从政治的角度去分析。我对张衡地动仪的研究，即是从政治层面上发现的，要说明这个问题，是我今后的一个课题，而且不是简单一篇文章可以说清楚的，留待后论。 张衡候风地动仪是用中国古老的 “葭灰占律”、判定节候的原理，利用地震波在地层中传播，通过埋入地层的都柱感应地震波，从而判定已经发生的地震并判定地震大致方位的仪器。这是一项伟大的发明，他不但是“迈出人类探索地震奥秘的第一步，对地震学的发展具有重要贡献。”而且，对政治、文化等都有极为重要的贡献。 |
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