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对张衡地动仪的研究(二)
发布日期:2020-09-10 11:23 访问次数: 字号:[ ]

2  地动仪的发明

2.1  时代背景

张衡(78-139)生活在东汉前期,主要为汉和帝、安帝到顺帝阶段,公元90 -140年是东汉文化发展的最繁荣昌盛时期,涌现了大批思想家、历史学家、数学家和科学家,如杰出的史学家(班固、刘珍)、著名的思想哲学家(王充和王符),三位重要文化圣人——造纸术发明人蔡伦、汉字文字体系奠基人许慎和科学家张衡,他们都出现在同一个时期。这样的历史环境对张衡的科学思想和科学活动产生了有益的影响,他受惠于时代,亦光辉了历史。

地动仪问世之前的百年间,地震活动频繁。强地震有4次(震级 ≥6½),即119年3月荆州南阳地震、121年10月冀南-鲁西地震、123年5月和128年2月的凉州汉阳地震,震后一般都有持续1~2 年的余震活动,121年地震的余震至少持续5年以上。其他的震级多在5½ 的水平,震中至京师洛阳的距离多数在200~600 km,它们分别发生在京师洛阳的南、东、西面。  

洛阳地区并不是地震区,也没有遭受过VI度以上的严重震灾,但多次出现的地震烈度是在III~V度的水平。那么,大量的、可重复的、易于洛阳民众看到的现象是什么?悬挂物摇晃。势必出现一个逻辑推断:在古人的认知水平下,位于中原的京师人们会有某种被四面八方的地震包围的恐惧感,史料中诸如“河南以东四十九郡国皆震”“地动东西南北,不出国郊”之类含混记载,屡见不鲜,就是当时人们对地震感性认识的真实写照。故而,尽快得知灾异来自何方自然成为人们的一种朴实愿望。

汉代应对灾异的部门在灵台——当时的国家天文台,张衡时任灵台负责人。中世纪前的各国存在一个普遍现象:科学探索和神学迷信、唯物观测和宗教崇拜纠结在一起。

专为天子服务的汉代灵台也不例外,它一直具有观象和祭天的双重功能——“观祲象,察妖祥”(《诗经·大雅·灵台》),试图对天地合一的灾祸实现神圣的知晓、明示和解脱,为国事占卜凶吉,即“仰以观于天文,俯以察于地理”(《周易•系辞下》)。观象仪器的研制属于朝廷的政治需要,非个人兴趣所为。灵台的各项任务都是观测性质的,这就导致了仪器的设计是对常见的、可重复的、具有特征性现象的观察和模仿,通过缩微那些稳定性强的客观现象来达到“以象验天”的目的。灵台集中了当时重要的人才、设备和经费,性质上属于进行科学活动的官方机构。有这样一个稳定的官方机构和技术力量的支持,张衡地动仪的研究才得以顺利开展。


张衡对地震的关注大约是从公元119年开始的。119年3月10日张衡的故乡——南阳地区发生6½ 级地震,余震也比较多,还出现了日食。家乡故土的深重震灾,不会不强烈冲击张衡的心灵。121年10月10日又遇冀南−鲁西地震,6½ 级左右,洛阳东约300km。届时张衡刚转任公车司马令,与全国邮传系统联系密切,负责汇总各地灾异报告,从此与地震结下不解之缘。124年3月,安帝到泰山地区东巡狩猎,张衡全程跟随。从记载的时间和地点上看,他们会亲历124年鲁西地区的余震活动,也会见到一些震后现象。频繁的地震活动,导致洛阳在125年爆发了地震瘟疫。东巡结束后,张衡负责地震瘟疫的处理,并有上疏。 

总之,张衡在126年重任史官之前的八年间,一直在与地震打交道,积累了实践经验。

真正改变张衡人生轨迹的,是公元128年2月22日凉州汉阳(今天水-甘谷地区)6½级强地震。汉顺帝曾下诏,企盼得知凶吉、转祸为福的对策,根据太史令张衡“天道虽远,凶吉可见”的奏章(《上陈事疏》),朝廷支持了地动仪的研制。

公元132年8月,地动仪研制成功,置于灵台,短短的4年,他完成了试验、设计、制模、铸造、安装和调试等大量工作,即便在今天条件下也是极度紧张、异常繁忙的。审视张衡第二任太史令的整整七年,他既无诗赋华章,又无奏章上表,仅办了地动仪这一件大事,可谓呕心沥血不遗余力。133年,张衡荣升侍中,位同三公,中国几千年历史上唯一的能在皇帝左右献策的科学家。134年12月13日的陇西地震,被地动仪成功检测到。作为前所未有的国之重器,顺帝特准为其铸鼎,彪炳青史。


2.2  方位问题

古代判断灾异位置的传统方法是方位占卜,即天文分野——列宿配州国的“分野”观念。认为天之中在璇玑区位,星空二十八宿再分为八个区位,于是天上的九个列宿便分别对应着地下的九州——豫州位居中央,荆、梁、雍、冀、兖、青、徐、扬州共8个州域围绕中央,天象在某区的变异现象就可用来预卜所相配的州郡列国的凶吉祸福。地域九州是一种华夏文化,后代遂将“九州”隐喻“中国”。

东汉疆域虽然已从行政上的 9州发展到13个州,但仍然是在古代九州的基础上调整的:以京师的司隶校尉部为中心区,它与放射状排列的8个州、继而外围4个州接壤,中央高度集权,这是一种世界独有的奇特行政区划。地动仪的设计上,也相应的把地平方位化成8个等分,以八个龙头为中心指向控制着8个展角45度的扇形条带区,铜球掉下即表明这个州域有地震,复杂的定位问题转化成扇形区域的分野。同样地,浑天仪的地平环上也要作8 区位划分,二者的刻度划分有着严格的统一性。


对《后汉书》的一句话:“虽一龙发机, 而其余七首不动……,寻其方面,乃知震之所在。”长期被解读成“地动仪能定地震方向,指向震中”,这种绝对化的解读需要再次澄清。

地动仪132年问世后,并没有定过地震方向。

张衡安置好地动仪之后,仅在京师洛阳遇过三次地震:133年6月18日、134年12月13日、136年2月18日地震,史料都没提及反应方向。即便对于成功测到的134年陇西地震,也是记载为“尝一龙机发,而地不觉动”并未指明具体龙首方向,张衡自己也不知道“震之所在”。是在尴尬地历经了“京师学者,咸怪其无征”的数日责问后,他和别人一样都是从驿报中得知的陇西地震。

《后汉书》的一句:“自此以后,乃令史官记地动所从方起”,恐怕属虚词。因为136年之后接替张衡担任侍中并作史者是伏无忌和谏议大夫黄景。他们与张衡是同时代人,完全了解张衡和地动仪,二人在其后的10余年间持续承担着撰写青史的任务,一直写史至汉质帝时期(《后汉书·伏湛传》),但是没有留下任何新记载。其后的三百年间地震百余次,史料中仅有过2次地声方向的记载:三国魏明帝234年12月9日地震,“京都地震,从东南来,隐隐有声,摇动屋瓦”(《魏书》);东晋孝武帝390年4月2日地震,“地震东北,有声如雷”(《晋书》),都不是地面震动方向。

当然,“寻其方面,乃知震之所在”会是张衡曾经遇到过的一种客观现象,今天来看,作为个案并不错误。现代地震学视其反应方向为“粗略地发生在沿震中的方位上,即与台站成正负180度的两个方向之一”。

不过需要清醒,这种现象并不是地震波场唯一的、全部的、绝对的现象,属于“先见树木,后见森林”的第一步认识。19世纪中叶以后,随着观测资料的增多,人们才逐渐认识到地面震动方向与震中的关系十分复杂,同时存在着指向、背向、垂直震中,甚至混乱的情况。连最简单的纵波初动,也都有十分复杂的辐射图样,而且指向与背向震中总是同时存在的现象。特别是,仪器的方向反应绝非地动仪独有,世界上所有的验震器都有这个功能。这并不是考古学研究有了什么新发现,也不意味着地动仪有什么比现代还高超的技术需要破解和借鉴,更不能在宣传当中把它夸大成是张衡的伟大功绩。

方向问题不要过度解读,其原因有二:

首先是震源问题,地震不是爆炸类型的点震源,大震的破裂面会延展200~500km,比如2008年汶川地震的震源从四川的映秀镇向北延伸330km到北川,就谈不上孤立的、单一的点位问题。“震中”是1846年爱尔兰地震学家马莱(R Mallet)提出的概念,测震学上把求解地震台网三维方程的回归值称之震中,这个名词完全套不到地动仪上。汉代对于地震的认识尚处朦胧阶段,古人对地震位置的理解长期是一种区域的概念,或用“凉州地震、益州地震、荆州地震”等词汇表述,或用有震感的郡国总数(比如“郡国三十八地震、郡国二十地震”)来表达位置,两千年前的古人还没有形成点位的概念。即便地动仪测到的“陇西地震”,也是指陇山以西发生的地震,不是特指“陇西郡”,古书里会把发生在今日的银川、天水、北川、兰州等地的地震都统称“陇西地震”,这种区域概念一直延续到清朝的史料之中。

再有就是波动传播问题,地震波的偏振面既随距离又随方位而变。因此,所谓的“指向震中”,不是测震仪器本身能够解决或需要解决的任务,古今中外的单台仪器都做不到。

作为测震功能的科学表述,国际上只讲地动仪一类的验震器能够检验地震的发生,从来不提定向作用,更不可能定震中。在地震学发展的历史长河里,能实现这一点已经足够伟大了。我们对于定向问题的宣传务必严谨,不要讲过头话。对于这个专业上的误解问题,国内外地震学家已经做过多年、多次的批评和澄清,希望引起各方的重视。


信息来源:市科技局
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