张衡地动仪有如此大的科学贡献？有一种装置现在还在用

缘于古代文化和哲学观念的特殊性，中国是世界上最早对地震进行观察和研究的国家，也是惟一的拥有连续两千多年详细地震史料的国家。远古的中国，日蚀和地震被人们紧紧地联系在一起，有什么能比“天塌地陷”更危及人们生存的家园呢。特别是地震的成因长期被阴阳五行和天人感应解释，把上天惩诫和帝王责任联系在一起，于是朝廷对地震记录、震后赈济、官员惩处等事项自不敢怠慢。自秦汉皇帝颁布“日食地震，朕以不德”的罪己诏之后，这个传统一直延续到清朝，为世界绝无仅有。于是，观星占地成为社会的企盼，天子自责变成政治的需要，日食地震和政权稳定紧密地联系在一起。

张衡的发明创造并不是个人的兴趣使然。两任太史令，第一任(公元115—120年)观天，对西汉耿寿昌创制的浑天仪进行改进，制成漏水转浑天仪(公元117年);第二任(公元126—132年)测地，创制了地动仪(公元132年)。地动仪的问世，既闪烁了他的睿智聪慧，及灵台其他学者和工匠们的心血，也反映了当时的社会需要。资料显示，张衡年间(公元78—139年)地震事件频繁，自公元105年后几乎每年发生地震1次。他仅有的两篇涉及自然现象的奏章———《日蚀上表》和《阳嘉二年京师地震对策》分别针对日蚀和地震。现在看来，张衡已经洞悉两个自然现象的表象性特征，已经能够根据地面的摇晃判断出地震的发生，但还不能给予科学的解释，要借助“天诫论”针砭时弊：“妖星见于上，震裂著于下，天诫详矣，……修政恐惧，则转祸为福”。这种把自然现象与政治斗争联系起来的做法，对科学发展极为不利，也为他日后的仕途悲剧埋下了伏笔。

科学思想的诞生与张衡的贡献

从另一方面看，地动仪的诞生已具有物质基础。随着汉代科技水平的提高，物质财富丰厚，悬挂物———天然验震器已经普遍、大量地进入平常人家的生活。从汉墓的壁画、汉画像石、汉代青铜器和汉代的家具工具中，我们可看到形态各异、与人们日常生活息息相关的悬挂物(图2)。比如奏乐用的特钟、鑮、铎、编磬和编钟，生产工具的悬垂、吊锤、纺线锤和吊桶，宫室和幄帐中的羽葆、流苏、方胜、穿璧等垂饰璧翣，庖厨中的吊篮、吊肉和楼阙悬挂的鲜鱼，还有用青丝和麻绳贯穿吊起来的铜钱等等，举不胜举。令人叹为观止的是，汉代已经出现了用铜链悬挂的青铜器，比如1974年在湖南长沙出土的人形吊灯(图3)和1968年在河北满城出土的提链吊壶(图4)。从铜链的精工程度和总长度上看，它们摇晃的阻力很小，摆动周期也比较大。因此它们对地震的反应，无论是汉代还是今天的地震，都会有很高的灵敏度和很大的摆幅，实为天然验震器的千年精品︖

这些悬挂物，对日常生活中频繁出现的非地震性的振动(即垂直方向运动)是没有反应的，即便人们清楚地感到了地面的颤抖和颠簸，它也不会晃动。但对地震却不然，由于张衡时代正值地震高活动期，“地摇京师”“地动山摇”“旋又地坼”的现象频频出现，悬挂物的明显反应也就自然地、反复地见诸于人们生活中。特别要指出，汉代“起庐舍，高楼连阁”(《续汉书》),“造起大舍，高楼临道”(《后汉书》)和“仙人好楼居”已成时尚，谯楼、市楼、仓楼、望楼和碉楼等三四层高楼建筑相当普遍，类似于未央宫、九庙、灵台、辟雍等建在夯土台上的大型高台建筑群，也堂而皇之地耸立在各郡国都城里。对地震而言，高层建筑的结构响应会大大超过地表，造成悬挂物的强烈摇晃和持久不停。像图3、4那种悬挂在高处的吊灯和吊壶，地震时出现十分剧烈地晃动是必然的结果。于是

地震←→悬挂物摇晃

二者间表现出的大量的、反复的、稳定的对应关系，具有明确的排它性，极易被广大群众察觉而形成共识，更会因为地震时的极度恐惧而留下深刻印象。众所周知，人对自然现象的受众度和认知性，古今中外没有区别。比如震后的群众往往讲不清楚地震的过程，但无一人会忘掉地震时悬挂物的摆动、吊灯的摇晃，更不会对那种身不由己的强烈摇曳和物品晃动毫无察觉。东汉时期的“地摇京师”,“地动摇尊”，“地动山摇”,正是古人对这个反复出现的特殊现象的明确结论。因此，把悬挂物的震时晃动推断为诞生地动仪科学思想的物质基础，应该是合理的。

一般而言，古代的科学仪器都是对宏观自然现象的简单模仿和缩微，比如圭表、漏壶、风标甚至浑仪。张衡的不同在于，他在模仿天然验震器时创造性地做出了两个重要的科学贡献，使地动仪的科学地位和深远影响变得格外突出：

(1)获得了地震发生过的物质证据。天然验震器的唯一缺点是不能保留运动痕迹，悬挂物晃动完毕，不会留下任何物质结果，人又不可能时刻监视悬挂物的运动。这个先天性缺陷是张衡第一个解决的，他设计的“龙首吐丸”机构留下了悬挂物运动的记录。也就是说，拿到了蟾蜍口中的铜丸，就拿到了地震发生过的物质证据。由此，天然验震器升华成了一件科学仪器———悬垂摆式验震器，而人类的测震学正是从这个地方迈出了光辉的第一步。张衡的这一步迈得很伟大，直至1894年前后人类才迈出了测震学的第二步———利用地震仪把静止的实物证据变成了时程记录图，一直使用到今天。

(2)设计了触发机构,解决了对微弱信号进行检测和放大的技术途径。尽管地动仪利用了悬挂物的惯性、具有良好的稳定性,但在地震波的微弱而低频的作用下,都柱的相对动量远远不足,直接靠它来驱动整个机构还是不行的。张衡设计了一个触发机构———关,用大质量体的“都柱”巧妙地开启小质量的关。这个动作所需的动量阈值是极其微小的。于是,通过“施关、发机”两个步骤,先后释放了关和龙首处预置的位能,解决了灵敏度和信号放大的问题。从专业上讲,“关”的存在是地动仪成功测震的一个极为关键性的技术措施,也是史料可靠性的一个强有力的证据。这种触发机制的设计思路在现代强地震仪上也要采用,是张衡的另一个重要的科学贡献。