逸聞篇 往事並不如煙 張衡的地動儀,到底是否存在?

這是我難得的一篇涉及中國古代的文章,但沒寫軍事,也沒寫政治,寫的是一項科技發明,而且歸根結底,說的還是現代的事情。

1

漢,永和三年,二月初三。

這一天,都城洛陽的那台奇怪的機器,忽然發出了一聲「叮」的聲響。

是那台機器上朝著西北方向的那條龍,忽然吐出了含在口裡的鋼珠,落在下面張口等著的銅蟾蜍嘴裡。

張衡走上前去,拿起了鋼珠,望向西北方,皺起了眉頭。

「有地震了。」他說。

周圍的人面面相覷,有人甚至嗤笑了一聲。沒有人有任何震感。

三天後,隴西的信使快馬加鞭趕到洛陽報告:隴西地震,二郡山崩!

京城上下,無不震動。人們奔走相告:「張衡大人的那台地動儀,神了!」

2

這段故事,是對《後漢書·張衡傳》中一段記錄的擴寫。

原文只有35個字,摘錄如下:「嘗一龍機發而地不覺動,京師學者咸怪其無征,後數日驛至,果地震隴西,於是皆服其妙。」

「地動儀」這三個字,對於中國人而言,實在是太熟悉的一個名詞。

長期以來,本文開頭地動儀的這個形象,出現在我們的歷史教科書里、電視里、郵票上、博物館裡,大家都已經耳熟能詳。而這台儀器的意義,大家也都已經爛熟於胸:

公元132年,東漢的張衡發明了地動儀,這是人類歷史上第一台能測量感知地震的儀器,比歐洲早了1700多年,是中華民族古代科技文明的結晶。

但是——至少我們所熟悉的那台地動儀,是假的。

3

我們從小看到大的那個地動儀,是根據《後漢書》的那段記載複製的。複製的人,叫王振鐸。

1934年,燕京大學讀歷史專業研究生的王振鐸,在認真研究了《後漢書》的相關記載之後,誕生了想複製地動儀的念頭——在公元200年前後,張衡的那台地動儀就消失了(據信是毀於戰火)。

兩年之後,王振鐸按照書中所說「形似酒樽」的記載,設計了「地動儀」的外形,但對於內部結構,王振鐸卻犯了難。因為,整個《後漢書》對於「地動儀」的記載,一共只有這一段:

「以精銅鑄成,員徑八尺,合蓋隆起,形似酒尊,飾以篆文山龜鳥獸之形。中有都柱,傍行八道,施關發機。外有八龍,首銜銅丸,下有蟾蜍,張口承之。其牙機巧制,皆隱在尊中,覆蓋周密無際。如有地動,尊則振龍機發吐丸,而蟾蜍銜之。振聲激揚,伺者因此覺知。雖一龍發機,而七首不動,尋其方面,乃知震之所在。」

究竟是什麼原理,讓地動儀能感知地震,而且還能辨明方位,從龍嘴裡吐出銅珠?

王振鐸選擇遵從英國地震學家米爾恩1883年《地震和地球的其他運動》一書中闡述的「懸垂擺」的結構原理:從地動儀的上部垂下來一根擺,用以判明地震方向,並控制相應機關。

1949年,新中國成立,王振鐸擔任了文化部文物局博物館處處長。在那個百廢待興的年代,為了樹立弘揚中國古代燦爛文化,國家要求博物館複製一批代表古代文明的器物,作為陳列和宣傳之用。

王振鐸自然而然想到了複製地動儀。

1951年,王振鐸放棄了自己1936年想遵從的懸垂擺原理,而是用倒立的直桿原理,複製出了1∶10比例的「張衡地動儀」模型。

1952年4月,《人民畫報》對這尊複製的模型進行了報道。中央人民政府文化部社會文化事業管理局的王天木,以《偉大的祖國古代科學發明地動儀》為題,用了一個整版的篇幅圖文並茂地向讀者講解了地動儀的結構和工作原理——請記住,是「直立桿原理」。

王振鐸複製的這款「張衡地動儀」隨即被編入全國中小學教科書,但在之後歷次的修訂中,卻略去了《人民畫報》王天木的一段話:「可惜張衡這一重要發明早就失傳了,隋朝時科學家臨孝恭寫有一部《地震銅儀經》,也未能流傳下來。……這裡介紹的這個模型,是我們在1951年設計完成,主要是根據《後漢書·張衡傳》的記載,及考古材料而複製的。」

於是,一代代的教師和學生(包括那時候的我)都認為,課本上的圖片,就是張衡當年造的地動儀。

4

這個1951年複製版本的「張衡地動儀」,很快就轟動了世界。

在聯合國世界知識產權組織總部,「張衡地動儀」被安排展覽,和它並排展出的,是美國宇航員從月球帶回的岩石。

在中國地方性的博物館裡,「1951年版張衡地動儀」也被當作文物來仿製和收藏——不僅進入了教材,就連中國地震局也用這部復原模型做了幾十年標誌,直到近年才取下。

最關鍵的是,大家一直認為,王振鐸的這個「張衡地動儀」版本是不可改動的,甚至更多的人以為,張衡的地動儀,就是按照這個原理鑄造的。

來自世界各地的質疑聲開始響起。

事實上,從20世紀60年代起,王振鐸這個版本的「張衡地動儀」,就開始不斷遭受地震學界的質疑。從1969年開始,日、美、荷、奧等國地震學界發表了一系列措辭嚴厲的論文。

1972年,日本學者關野雄用計算否定了「直立桿原理」。1983年,荷蘭的斯萊斯維克、美國人賽維也提出王氏模型不能成立,並從根本上否定了直立桿原理。

1984年,美國地震學家博爾特院士更是毫不客氣地指出:「中國目前最流行的地動儀模型工作原理模糊,模型簡陋粗糙,機械摩擦大大降低了靈敏度,對地震的反應低於居民的敏感,其作用應予以質疑,而且利用銅丸的掉落方向來確定震中也是不可能實現的。」

提出質疑的,還不只外國人。

1976年,作為王振鐸的老朋友,中國地震學的奠基人傅承義院士當面向王振鐸指出了1951年版本地動儀的原理性錯誤,並說了一句讓人挺尷尬的話:「房梁下吊塊肉都比你那個模型強!」

但這種當面批評,還不是最尷尬的。1988年,地動儀在日本奈良展出,中方的解說員無法證明這個儀器的靈敏性,只能手持木棍——木棍捅一下,龍口中的銅丸才會掉到下面蟾蜍的口中。

對地動儀的懷疑開始蔓延開來,甚至擴散到了對張衡,甚至對中國古代科技的懷疑。奧地利學者雷立柏在他的《張衡,科學與宗教》一書中寫道:「對張衡地動儀的迷戀正是華夏科學停滯特點的典型表現。」

老祖宗留下的這個「地動儀」,真的是個沒用的東西嗎?

5

「張衡地動儀」的證明之路,再一次啟程。

在這個過程中,一個叫馮銳的人,成為領軍人物。

1966年,邢台發生地震,當時馮銳是中國科技大學的二年級研究生。他們這批學生在第一時間趕到災區,幫助抗震救災並印發各種宣傳震時逃生的小傳單。傳單其中一條,是建議老百姓在房間里倒立一個酒瓶子,如果瓶子倒了,就是地震來了,馬上出逃。

然後時間就到了2002年。那一天,《防災博覽》雜誌的編輯武玉霞(中國地震局的高級工程師)找到馮銳,問他為什麼在一篇地震科普文章中寫「地震沒地震,抬頭看吊燈」,而他早年散發的傳單卻是教人們倒立酒瓶子?

當時的馮銳,已經是中國科學院的教授,但他被這個問題給問住了。

武玉霞之所以問馮銳,還有一個更深層原因——馮銳在文章中寫到,張衡的地動儀是世界上最早的驗震器。

而酒瓶子和吊燈,恰恰指向了這個問題的根本所在:按照王振鐸仿製的版本,張衡地動儀的原理是「直立桿原理」,就是酒瓶子原理,而吊燈的原理,卻是「懸垂擺原理」。

倒立酒瓶子,也就是「倒立桿原理」有兩大弊端:一,外界一有震動,哪怕不是地震,也會倒;二,就算倒下,也無法知道地震的方位。

這恰恰和《後漢書》中記錄張衡地動儀的描寫是完全相悖的。

難道是張衡的地動儀確實錯了?

馮銳回憶當時自己的感受:「我作為一個地震學家,一直引以為自豪的是,張衡是地震儀器的鼻祖,如果張衡的地動儀錯了,我覺得會有很大的精神上的壓力的。這個起碼我從感情上是很難接受的。」

馮銳的感情,其實代表了很多中國人的感情。這也是一代又一代的教科書,始終沒有修改的原因。

6

那麼作為一個地震學家,難受一下,就過去了?

馮銳選擇了重新探索「張衡地動儀」的奧秘。

首先,馮銳根據王振鐸的論文來推算當年隴西地震的烈度。推算下來,能夠觸發在京師洛陽的倒立棍傾倒,地震最低烈度應為5度。但如果是這樣的烈度,洛陽肯定地面晃動,人畜驚逃。

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