土木0902第五组地动仪究竟能否检测地震.doc

地动仪究竟能否检测地震土木0902 第五组冯磊 刘思文 秦昊骏 秦维盛 朱雄【摘要】据后汉书张衡传记载， 张衡在阳嘉元年，复造候风地动仪。并且在汉顺帝阳嘉三年十一月壬寅一次地震中验证了此仪器。而且震区距地动仪处有一千多里，地动仪标示无误，说明它的测震灵敏度是比较高的。问题在于，1700多年前，这“精铜铸成”的地动仪“神秘消失”了，它的模样和工作原理成为“千古谜团”。现如今，重审历史，有的人对此地动仪的真实性提出了质疑，他们认为在现代根据古书记载尚且复原不了有真正意义的地动仪，何况是古代。 可是也有人深信地动仪是存在的，因为在古代连金字塔也可以造出来，何况一个地动仪呢。地动仪到底是否存在，值得商榷。【关键词】地动仪 造假 检测一、地动仪概述 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）发明了候风地动仪这也是世界上第一架地动仪。在通信不发达的古代，地震后，为人们及时知道发生地震和确定地震大体位置有一定的作用。 据后汉书张衡传记载，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。樽体外部周围有八个龙头，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。所以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。当时在京师（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。二、张衡的地动仪只是个艺术品 大多数中国人耳熟能详的地动仪的故事诞生的时间并没有那么久远直至1950年代，这个故事中的地动仪才被“制造”出来，并进入教科书中。直到数十年后，它被重新发现与“制造”。一代又一代的中国学生，从老师那里听到这个生动的故事：东汉时期的科学家张衡发明了地动仪，这个地动仪像一个酒樽，内部有一个细长竖直的杆直立在正中间，地震时，这根直杆会倒向地震的方位，击落那个方位的龙首，龙口就会张开，吐出一颗铜丸，正落在下面的铜青蛙的口中，于是观察者就会判断出哪个方位发生了地震。这个地动仪的故事被当作中国伟大科技发明的典范。但大多数学生，甚至包括讲述这个故事的老师们并不知道，他们一代一代传承下来的这个故事诞生的时间并没有那么久远直至1950年代，这个故事中的地动仪才被“制造”出来，并进入教科书中，演变成几代人的集体记忆。提起中国古代科学家，很多人会想到东汉大学者张衡。而提起张衡，人们马上会想到他发明的地动仪。那个八只蛤蟆对着八条龙张嘴的复原模型是一件令人印象深刻的艺术品。张衡的发明如此深入人心，以致近年来每有大地震，总有人指责地震局：“张衡的地动仪都能预报地震，你们这些地震专家怎么这么无能？”当然，张衡的地动仪不能也不是为了预报地震，而是检测到远方发生的地震，既不能确定震中，也不能计算震级，比现在的地震仪差远了。地动仪早已失传，它是否具有检测地震的作用，也成了一个谜。100多年来，国内外不少专家根据后汉书张衡传上的简单描述，力图复原地动仪。我们在中学教科书上见到的那个模型图是其中最流行的一个，是1951年由王振铎设计的。但是所有这些复原模型没有一个能够真正用于检测地震，不过是艺术品摆设。2005年，中国地震局的专家宣布他们经过3年的研究，建立了新的地动仪复原模型，并第一次实现了验震功能，通过了专家鉴定和国家验收。他们在媒体上声称地动仪新模型对河北唐山、云南泸西、越南孟艺发生的三次真实地震进行了检验。但是这三次地震分别发生于1976、2000和2001年，而地动仪新模型在2005年才建成，怎么可能对它们进行检验呢？原来地动仪检验的不是真实地震的发生，而是实验室里对真实地震的模拟，实验的时候假定这些地震发生在几百千米之外。在该地动仪模型建成以后，中国境内每年都多次发生5级以上地震，在该地动仪的检测范围（实验用的“越南孟艺地震”是4.9级），却没有听说该地动仪模型检测到哪怕一次。特别是2008年的汶川大地震，北京有震感，也没听说在北京展出的该地动仪模型检测到（否则如此大事在其设计者于2010年发表的有关地动仪的论文中不会不提）。所以，该地动仪模型的验震功能实际上并没有经过真实地震的检验。今人具有张衡所没有的物理学、地震学知识和现代工艺，动用了这么多的人力、物力、精力，也还无法实现地动仪的验震功能，不能不让人怀疑张衡的地动仪是否管用。后汉书张衡传认为它是管用的，记载了这么一个故事：有一次地动仪的机关发动，但是人们并不觉得地在动，京师（洛阳）的学者都怪它乱报，几天后信使来了，果然在陇西发生了地震，于是大家都佩服它的巧妙，从那以后皇帝就让史官记载地动发生的方位。但是这个记载很成问题。按后汉书张衡传所说，地动仪建成于阳嘉元年（公元132年），张衡卒于永和四年（公元139年）。在此期间，后汉书只记载发生过一次陇西地震，那就是永和三年（公元138年）的地震。一般认为地动仪检测的就是这次地震。但是后汉书五行志说得很清楚，这次的陇西地震在京师是有感的，破坏很严重，“裂城廓，室屋坏，压杀人”，京师学者不会对地动仪的机关发动感到奇怪，与张衡传的故事矛盾。可见地动仪检测的不可能是这次地震。于是地动仪新模型的设计者提出新说，认为地动仪检测的是更早一点的另一次陇西地震，是阳嘉三年十一月壬寅（公元134年12月13日）的汉阳（现在的天水）地震。但是对这次地震后汉书并无记载，是设计者根据几处文献牵强附会地推理出来的。后汉书顺帝纪记载阳嘉三年十一月壬寅司徒刘崎、司空孔扶被免职，袁宏后汉纪更详细地说是因灾异被免职的，清朝学者惠栋后汉书补注引鲁国先贤传称司空孔仲渊在阳嘉三年因地震被免职，于是设计者认为在阳嘉三年十一月壬寅发生了一次正史漏载的地震，导致两名高官被免职。明确提到地震的鲁国先贤传是已失传的晋人编写的野史，不足为凭。事实上，后汉书周举传提到司徒刘崎是因为旱灾被免职的，而不是因为地震。即便鲁国先贤传记载可信，那么它也没有说地震的发生地，又如何证明就是张衡传中说的陇西地震呢？地动仪新模型的设计者从张衡四愁诗里找依据，里面提到：“我所思兮在汉阳，欲往从之陇坂长。”便认为是在思念汉阳发生的地震。这就更莫名其妙了。四愁诗是一首写相思的诗，有政治寓意，但没有任何能够与地震扯上关系的描述。除了“我所思兮在汉阳”，还有“我所思兮在泰山”、“我所思兮在桂林”、“我所思兮在雁门”，非要把它说成地震诗，难道在泰山、桂林、雁门也都发生过地震？其实张衡不过是用泰山、桂林、汉阳、雁门来代表东南西北罢了。从地动仪建成到张衡去世，后汉书共记载发生过8次地震，这些地震在京师全都有感，所以都不可能是张衡传说的地震。史书漏载了发生在外地的地震当然有可能，但是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。所以更可能的是，那只是为了说明地动仪的神奇而编造的故事。也没有任何记载能够证明在张衡之后其地动仪起过作用。我们不必怀疑张衡曾经建造出一台叫候风地动仪的仪器，但是没有证据能够证明，也没有理由让人信服地动仪曾经发挥过验震的功能，它很可能和今人复原的那些模型一样，仅仅是个摆设。三、专家回应 曾参与2005年版地动仪模型复原的中国地震台网中心研究员冯锐昨天表示，新的地动仪复原模型对地震是有反应的，这一点已得到多名院士专家的鉴定。 “方舟子对地震这个领域并不了解。”冯锐说，他们利用在真实发生的地震中记录下来的地震波波长，以此为依据控制特殊振动台，完成对地动仪复原模型的检验。这是地震的“复现”，而不是简单的“模拟”。 冯锐表示，如果要监测真实发生的地震，须建设地基等配套设施，然后将地动仪复原模型放在上面，但这样的监测实验耗资巨大，选址等问题也不好解决，“我们正在朝这个方向努力”。 在“打假卫士”方舟子看来，没有任何记载能够证明在张衡之后，他发明的地动仪起过作用。消息一出，立刻将这个历史坐标一样的国宝推上了舆论的风口浪尖，而对它进行复原的当年研究地动仪的科学家冯锐更是遭到了质疑。冯锐在与记者进行对话时，首先对张衡的地动仪的地位进行了坚决的捍卫，他表示：不论是地动仪真品还是2005年的复原品都绝对能测出地震。如果有地震肯定检测得到，检测工作是分两步的，第一步是实验室进行试验，用1：1的原台结构在地震台进行试验，这个震动台并不是我们原来一般所想象简单手敲一敲拍一拍，不是这样的，震动台完全是靠液压系统靠计算机来控制的，它怎么动，实际上是控制的，不是随便动的，它怎么动的呢？我们在野外可以观测到一次地震了，用数字化记录下来了，这个数字记录地震下来以后又通过计算机系统控制这个震动台，把你记录的地面运动全部重新完完整整的的复现了一遍，这个地面的震动，也就是说完全可以复现出来，出来以后看它的反应，如果它能很好的反应，那就能证明它就可以起到验的作用了。不仅如此，现代检震器正是基于张衡地动仪基础上得出的。测震仪发展是有两个阶段的，在1883年之前，人类历史上各个国家都是验震器，地震来了它动了就是地震了，现在地震仪它检测信号的核心内容跟张衡是一样的，是利用物体的惯性，第一个就是张衡做的，现在地震在研究发明之前7、8年，只有因此张衡的地动仪，他是怎么回事？从他受到启发以后才发明了现代的地震仪，这两个关系是非常紧密的。实际上，冯锐复原的张衡地动仪是第二版，在历史教科书中人所熟知的那张张衡地动仪的图片其实是上世纪50年代的复原模型。那么，为何冯锐要进行二次复原？1800年前的地动仪到底是哪般模样？先前人们认识中的地动仪是一个大罐子里竖立着一根木棍，当地震时木棍倾倒击中龙嘴里的铜球，球掉进罐体外的蛤蟆嘴里。而按照冯锐的理论，“判断是否地震，要看悬垂物，而不是竖立在地上的棍子、瓶子”。这就与先前社会上流行的地动仪原理发生了矛盾。正是这个理论，揭开了一个鲜为人知的秘密，冯锐查询资料后发现，原来真正的张衡地动仪早已在历史长河中流失，老版的地动仪也只是一个复原品，并且是在上世纪50年代制造的。因此，存在一定缺陷，并不能测出地震。地震仪这种特点是一种结合，也就是说任何一种引起地面震动的信号过来的话，它都可能会倾倒，但是它所有的这类警报器不能区别是地震不是地震。还有一种安全叫做验震器，验震器不是地震的时候不动的，从人类到现在为止，人类发现的这样一种天然验镇器只有两种结构，第一种是吊灯悬挂类物体，还有一种是水这类液体表面，张衡地动仪之所以能够检测到600公里远这样的地震，很微弱的信号，观测的结果应该说只有悬挂摆。50年代是检测不出来的，它竖立一个直立棍大家可以理解，要检测地震的话，一个棍子要想让它立起来，必须要比较粗比较稳定，可是一粗了它灵敏度就不行了，所以要细，当很细了以后就立不住了，那么立面就达不到了。日本科学家计算过，如果像张衡地动仪要检测陇西地震这样的微弱信号的话，柱子高度和直径之比，等于说是2米高的柱子，它的直径得有2个毫米左右，这么细的是不可能的。四、结束语复原张衡地动仪已经没有任何实际的意义，这个只是要还原历史真相，很多人说你能够证明张衡地动仪能够被复原，能够确实管用，确实可以说我们在东汉时期就已经掌握了一定的地震学的知识是很了不起的，这是成就，最多能够说明这一点，但是目前来说这个证据还是不行。复原的更大意义不在于说我们用这个地动仪去监测一个地震，复原张衡地动仪有这么三个目的。第一个目的启迪科学思想。过去人他们怎么用的东西，我们利用它是不是还有别的想法别的办法。第二个目的宣传科学这个常识。地震和一般的地面运动是不同的。第三个目的弘扬中华文化。进行爱国主义教育运动，使大家知道我们的祖先在这个领域里面曾经做出过辉