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地动仪:我身世复杂,但我不是假的

中国古代科技和智慧的结晶,地动仪真的存在过吗?

· 科学趣闻

讲了那么多科学家和科学史,好像还没提过中国古代科学。作为一个喜欢历史的科学青年,今天笔者给大家来一把古风版推送!

话说,你们认识这个人吗?

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不认识没关系,这个东西你肯定认识。

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嗯,想起来了吧?侧脸大叔就是发明了地动仪的东汉天文学家--张 衡(78年~139年)。上过小学的肯定都学过《地动仪》这篇课文。

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东汉时期,地震比较频繁,好学的张衡就想发明一种仪器,用于掌握全国地震动态。他经过长时间的研究,终于在公元132年,发明了候风地动仪。八条龙对应八个方向,每条龙嘴里含着一颗铜球,哪个方向发生地震,对应的铜球就会掉落至下方的蟾蜍嘴里。

关于地动仪,流传最为广泛的描述来自《后汉书·张衡列传》。

阳嘉元年,复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。

不愿意看没关系,point在于,这是世界上的第一架地动仪。比西方国家用仪器记录地震的历史,早了一千多年。然鹅……这台“地动仪”,在西晋末年就失踪了。

失……踪……了?

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傻孩子,你当然是复制品啦!

对,你没有看错,我们深信不疑的地动仪是考古学家王振铎,在1951年,根据后汉书那200来字的记载复~制~的.

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王振铎(1911—1992)中国博物馆学家兼古代科技史学家

王振铎根据后汉书的描述,推测出地动仪的基本原理:直立杆原理。

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如图所示,地动仪“中有都柱”。都柱,就是一根上粗下细的圆柱体。

 

当然,王振铎这个地动仪设计图是缩小版的,所以粗细区别不是特别明显。来个简化图,明显点。

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地震发生时,都柱失去平衡倾倒,又因为“傍行八道”,都柱会倒向八道中的一条道。同时,根据“其牙机巧制”,设置了精巧的机关,与八道相连,都柱倒向八道,就会触发相应的机关,使得龙口打开,铜球掉落。

简单点说,这个原理就相当于酒瓶子倒立放在地上,瓶子倒了,就说明地震来了。这个原理,用在日常生活中还可以勉强应付,但作为一个科学的地震预测仪器,粗糙了点吧?照这个设置,我手动碰一下地动仪,或者跺一跺脚,晃一晃桌子,都柱也会倾倒,铜球也会掉落啊。而且,就算都柱是因为地震倾倒了,那么它就一定能够准确导向地震的发生的方位吗?

有时候,看上去不太行的东西,经过实践的检验,往往真的不太行……来听听学界的声音。

1976年的一天,王振铎的老朋友、中国地震学奠基人傅承义院士当面指出了王氏地动仪的原理性错误。原话是:“房梁下吊块肉都比你那个模型强”。

1984年美国地震学家博尔特问他的中国学生,后来的中科院教授冯锐,“中国人是不是很能喝酒?”冯锐用“李白斗酒诗百篇”作答。博尔特大笑着说:“难怪你们的地动仪像个酒桶!中国目前最流行的地动仪模型工作原理模糊,模型简陋粗糙,机械磨擦大大降低了灵敏度,对地震的反应低于居民的敏感,其作用应予以质疑,而且利用铜丸的掉落方向来确定震中也是不确定的”。

人大文学院教授、奥地利人雷立柏曾撰写《张衡:宗教与科学》,认为中国人对张衡地动仪的情绪是一种宗教式的崇拜,在他看来,地动仪失传了,就说明它不科学、无实用性,没有不失传的道理。

先别哭,最尴尬的还没来呢。

1988年,“张衡地动仪”访问日本奈良,中方解说员在向日本观众讲解地震仪工作状况时,手持一根木棍,木棍捅一下,龙口中的铜丸才会掉到下面青蛙的口中。

据说还有照片为证,笔者都不敢去找。

王振铎老先生,估计也很郁闷。毕竟人家是考古学家,不是地震学家,做到这一步已经很不容易了。

那么,故事到此为止了吗?我们引以为傲的地动仪,根本没有流传下来,而你看见的那只,不仅是复制品,还很劣质……

要知道,笔者是不会写这么丧的文章的。故事不会因此结束,是因为还有一个人对复原地动仪无比执着。那个人就是前面被美国老师问中国人是不是很能喝酒的冯锐。

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估计是被博尔特锋利的辞色刺激到了,冯锐决定从地震学家的角度,重新复原地动仪。冯锐开始反思直立杠杆原理。

后汉书中提到,尝一龙机发而地不觉动。

意思是,地动仪比人敏感,人还没觉得地在震,地动仪已经有反应了。

按照直立杠杆原理,要达到这样的灵敏度,王氏地动仪的都柱必须高达2米,而直径只能保持在1.5毫米. 是的,这玩意根本立不起来。So,王氏地动仪从原理到核心部件,全是错的。

笔者也不知道,它怎么就被拉出来展览了,还上了语文课本,还被张冠李戴写成是原版地动仪。还好这篇课文及时下架了,只毒害了笔者那代人(一不小心暴露年龄了)。

作为地震学专家,冯锐想起了一个人,现代地震学之父约翰·米尔恩 John Milne。

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这位英国老爷爷,在1880年发明了世界第一台精确的地震仪,遵循的原理是悬垂摆理论,就是利用悬挂物作为验震器

比如,地震来了,天花板上的吊灯会来回晃动。

虽然道理也很简单,不过比直立杠杆原理科学。因为,地震波以水平运动为主,而非地震的干扰

(比如爆炸、人行车走)

以地面的垂直运动为主,而灯只对地面的水平运动,才有灵敏的反应。

他写的《地震和地球的其他运动》,是现代地震学最早的专业著作。冯锐发现,在这本书最早的版本中

米尔恩提到过,自己从张衡和他发明的地动仪上,受到了很大的启发。

但不知道是不是编辑想强调第一台地震仪来自英国,在后来的版本中,这部分内容被删掉了。而《米尔恩传记》一书提到,1876年,米尔恩受邀赴日本研究地震,在日本,他看到了正在广为传播的后汉书中关于

张衡和地动仪的描述,并将其中的内容翻译为英文,还根据描述画了个图。

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事实上,在东汉时期虽然没有吊灯,但悬挂器物到处都是。看看出土文物,编磬、编钟、吊锤、纺线锤

吊桶、吊篮。那个时期,人们还喜欢在房檐上悬挂鲜鱼和肉,这些都是悬垂摆理论的化身。

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最关键的是,冯锐发现历史上对地震的描述,常常用“地摇”这个说法。比如还是后汉书《孝顺孝冲孝质帝纪》:

乙卯,诏曰:“朕秉政不明,灾眚屡臻。典籍所忌,震食为重。今日变方远,地摇京师,咎征不虚,必有所应。群公百僚其各上封事,指陈得失,靡有所讳。”己巳,宗祀明堂,登灵台,改元永和,大赦天下。

以及《后汉纪·顺帝纪》中,对地动仪的记载:

衡作地动仪,以铜为器,圆径八尺,形似酒樽,合盖充隆,饰以山龟鸟兽。樽中有都柱,傍行八道,施关发机;外有八方兆龙,首衔铜丸,蟾蜍承之。其牙机巧制,皆隐樽中,张讫,覆之以盖,周密无际,若一体焉。地动摇樽,所从来龙机发则吐丸,蟾蜍张口受之。丸声震扬,伺音觉知,即有龙机,其余七首不发,则知地震所起从来也。合契若神,自此之后,地动史官注记,记所从方起。来观之者,莫不服其奇。

摇晃而不是抖动、颤动 or blabla,说明那个时候,人们已经注意到地震波是水平运动为主的。

综上所述,基本可以认定,米尔恩设计的第一台地震仪,及其所创的悬垂摆理论,是受到了张衡的启发. 所以,地动仪的核心原理,其实也应该是悬垂摆理论。

“都柱”,实际上是一根悬挂的圆柱体。都柱下方有一个小球,球位于“米”字形滑道交汇处,地震时“都柱”拨动小球,小球触发控制龙口的机关,使龙口张开吐珠。

笔者只能找到这张皱巴巴的手稿,大家将就看看吧。

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在河南博物院的支持下,冯锐接触到了更多的史料文献。根据这些资料,他算出了都柱的具体高度、晃动周期和频率,确定了核心部件的形态和构造。接着,他又按照圆径八尺(1.85米)这个限定,将王氏地动仪中置于四周的蟾蜍,附着在尊体之上,与其连为一体。

依然皱巴巴的手稿。

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至此,冯锐复原的地动仪,差不多成型了。接下来就是实践的检验了。冯氏地动仪会不会依然不行呢?历史上,张衡地动仪测出的是陇西地震。于是,课题组调来了陇西地震的历次波形图,通过对波形图的计算,模拟出公元134年那次陇西地震的波动效应。实验正式开始,地动仪在众人的注视下开始运作……

“当”! 铜球稳稳地掉入蟾蜍口中。真可谓是“振声激扬”!

这悦耳的声音,估计在冯锐的梦中,反复出现过很多次了。

在之后长达7天的实验中,地动仪没有出现一次失误。

2009年9月20日,新版地动仪,在中国科技馆新馆开幕式上隆重亮相。观众通过按钮控制模拟的地震波,从而观察地震仪的反应。

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这一次,地动仪带给我们的不再是失望和尴尬,只有惊喜和信心。虽然,冯锐自己也说他只能尽力去还原地动仪,而真相究竟为何,谁都无法给出确切的答案。但这不正是科学的魅力所在吗?永远没有标准答案,永远保留想象的空间。而那些追求真理的人,会为了最大限度地还原真相,前赴后继,执着前行。

王振铎、冯锐……以及所有为还原地动仪,作出贡献的人。不论他们给出的答案是否正确,那种敢于直面历史、在批判中保持客观、坚持求索的精神,都值得敬佩和感谢。

嗯?感谢?没错!

正是因为新版地动仪的面世,那篇坑人的语文课文,才正式下架,你们这些小朋友才没有被误导

So,you should say thank you to them!

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