地动仪

地动仪是东汉科学家张衡于公元132年发明的世界首台地震方位探测仪器。其以精铜铸造，形似酒樽，高约2米，顶部隆起，外饰八条含铜珠的龙首，对应八方，下方设八只仰口蟾蜍承接铜珠。当地震发生时，仪器内部“都柱”（悬垂摆）因惯性向震源方向倾倒，触发机关使对应龙口张开，铜珠落入蟾蜍口中，从而指示震中方位。公元134年，地动仪成功测报陇西地震，比欧洲同类仪器早1700余年。尽管原器失传，但现代复原研究证实其利用惯性原理，是古代科技与地震学结合的里程碑，彰显了张衡对地震波传播规律的深刻理解。

中文名：

地动仪

发明时间：

阳嘉元年（公元132年）

发明者：

张衡

主要材料：

铜

形状：

酒樽型

直径：

约184.8cm（东汉一尺约24厘米）

功能：

记录地震发生的时间和方位

地位：

中国古代科技高度发展的重要标志

地动仪是东汉科学家张衡于公元132年发明的世界首台地震监测仪器，其铜铸酒樽形结构内置悬垂摆与八道机关，八个方位的龙头含铜珠，下方对应蟾蜍。当地震发生时，悬垂摆因惯性摆动触发机关，使对应方向的龙口张开，铜珠落入蟾蜍口中，从而指示震源方向。公元134年，地动仪成功测报陇西地震，比西方同类仪器早1700余年。尽管原器失传，现代学者通过史料考证复原其结构，确认其利用惯性原理验震。地动仪的发明标志着人类首次以科学手段监测地震，展现了古代中国在地震学领域的卓越智慧。

地动仪(图1)

发明背景

历史背景

古代中国常将地震视为天地合一的灾祸，倾向于用神灵去解释自然灾害。公元前70年6月1日洛阳地震，西汉汉宣帝刘询成为中国历史上第一位因地震下“罪己诏”的皇帝。地震破坏力巨大，严重影响当时的生产活动，而百姓生产是否顺利与封建政权是否稳固息息相关。

张衡所处的汉朝东汉时代，地震频繁。据《后汉书·五行志》记载，自邓太后摄政的永初元年（107年）到汉安帝延光四年（公元125年）的十八年间，几乎年年大地震，地震区有时大到四十二个郡国，引起地裂山崩、房屋倒塌、江河泛滥，造成了巨大的损失。公元125年汉安帝去世，11岁的济阴王刘保同年11月登基，称顺帝。该年12月15日发生强烈地震，京城及周边16个郡城都出现了大范围震感，造成了巨大损失。于是顺帝调任张衡任太史令，针对地震问题做出对策。巧合的是，公元105年以后几乎每年都要发生一次地震，张衡上任后地震活动忽然转为平静，仅在128年2月22日发生过一次强烈地震，造成大量财产损失和人员伤亡，但这次地震也推动了地动仪的发明。

理论背景

史料表明，当时的古人已经可以区分出地震存在两种形式，用“摇”“晃”“荡”来基本表明地面的水平运动现象，用“颠”“颤”“抖”来表现地面上下运动的现象。其次，根据孙机的研究，汉代生活中存在着大量悬挂物，悬挂物对于地震的反应最为直接，可以算作是一种“天然验震器”。当地震发生时，悬挂物会突出放大地震的震荡，从而被百姓们作为一种防震预警。

发明者

张衡（78-139年），中国东汉时期的天文学家、文学家，在数学、史学、地理学、机械发明等方面均有巨大贡献，曾担任郎中、太史令、侍中、河间相等职。作为天文学家，他是汉代“浑天说”的集大成者，发明了浑天仪，著有《灵宪》《浑仪图注》等著作；作为文学家，他与司马相如、扬雄、班固并称“汉赋四大家”，著有《二京赋》《归田赋》等名作。

发明制造

张衡自128年到132年间，投入了大量时间和精力来完成试验、设计、制模、铸造和安装调试等工作，于132年8月顺利造出地动仪。审视张衡担任太史令的7年，全部心血仅用于创制地动仪一件，可见精力投入之大。史载地动仪曾“验之以事，合契若神”（《后汉书·张衡传》），可能暗指当时的多次试验或小地震观测。地动仪的成功被载入正史，引起当朝的一片喜悦，“来观之者，莫不服其奇。自古所来，书典所记，未常有也”（《续汉书》）。

地动仪(图2)

结构原理

整体结构

地动仪整体呈现酒樽型，直径八尺，折合现代尺寸约184.8cm。“形似酒尊，其盖穹隆”，是对地动仪外部基形的明确界定。地动仪的外表刻有篆文以及山、龟、鸟、兽等图形，外部包括8条龙和8只蟾蜍，分别向东、南、西、北、东北、东南、西北、西南8个方向布列，每条龙的口中衔有一枚可以活动的铜珠。内部存在与外部对应的“八道”，中间装有“都柱”。

组成部件

地动仪内部结构由五部分组成：

柱：指柱状的惯性悬挂体，也是仪器的感应部件。
道：指八道平行的导槽，用来引导触发力到达八个方向之一来引发动作。
关：指小触发机构，放置在都柱旁边，当与都柱接触并释放时，会引发龙机的动作。
机：指龙机，与龙首相连，是一个杠杆结构，通过转动龙机来实现铜丸的吐出。
丸：指铜丸，从龙首处坠落到蟾蜍口中，通过共鸣激发振扬效果。

工作原理

悬挂物对地震的反应十分敏感，能够准确地区分地面的水平运动。为了保持悬挂物的灵敏度，张衡在地动仪中使用了类似悬垂摆的结构。由于悬挂物只对水平运动有反应而不受垂直运动干扰，都柱的静止可以确保地震信号的准确检测。张衡设计的地动仪应用了“摆锤原理”，通过观察一根悬挂物的摆动情况来检测地震。根据史料记载，地动仪中存在一个沉重的柱状体，并有一个樽体可以侧向移动。当发生地震时，樽体会出现摇晃和震荡，但都柱保持静止没有侧向运动。都柱和樽体之间存在相对运动，从而触发地动仪的机关。

此外，为了应对微弱地震信号可能无法推动悬垂摆摆动幅度足够大的问题，张衡设计了“关”这一装置。据记载，都柱并不直接撞击机关，而是先施加力于一个叫做“关”的结构上，引发后面机关的动作，最终吐出铜球。

地动仪(图3)

史书记载

对于张衡及其地动仪的记载，世人引用较多的是范晔所著《后汉书》中的内容。其中《后汉书·张衡列传》记载候风地动仪共196字：“阳嘉元年，复造候风地动仪。以精铜铸成，圆径八尺，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。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，奇怪地动仪不灵验。没过几天，陇西（今甘肃省天水地区）有人快马来报，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。自此以后，乃令史官记地动所从方起。”

除了范晔的《后汉书》，还有其他史书也对张衡及地动仪作了记载。西晋司马彪所著《续汉书》比《后汉书》成书要早，相关内容比《后汉书》多了“施关发机”和一些表述差异。不过《续汉书》已经遗失，只是散见于《太平御览》等古书中。东晋袁宏的《后汉纪》成书也早于《后汉书》，但晚于《续汉书》，这本书的记载有多处与范晔的不同，比如没有“候风”两个字，也没有提到陇西地震的案例等。可以得出范晔关于张衡及其地动仪的记载受到了《后汉纪》一书的影响。

历史影响

地震记载的进步

汉朝对于各种自然灾害如洪水、干旱等的上报，一直都是以受到波及的郡国为单位汇报，但是地震的传播通常会导致数个郡国同时被影响，上报的方式就会出现危言耸听、夸张、不实等现象，造成朝廷震荡。自地动仪问世后，地震史料变得细致丰富，更加具体真实，出现了对于地震声音和方向的记录，这为后世的研究提供了宝贵的资料。

国际影响

科学仪器在历史上的失传是极为普遍的现象，但值得注意的是，从古至今技术传承的根本，从不在于原创的实物，而是原创的思想、理论和实践。张衡地动仪的实物失传了，但他的思想并没有失传。张衡利用物体惯性实施测震的思想和成功的实践经验，已经被文字记载下来并得到了传承，这对19世纪末现代地震学起步时起到了重要的思想启迪作用。

18世纪中叶，欧洲频发地震，各种报警器和验震器相继出现。当时的人们就曾用脸盆灌满水来观察液面的晃动。19世纪中叶，欧洲又出现了改进验震器的热潮，但测震技术受到验震器的影响而没有取得实质性的进展。

从1868年起，多震之国的日本开始明治维新，西方技术和学者的引入加快了地震学的发展步伐。1875年，留美学者服部一三首先做出了地动仪的猜想图，对后续相关研究产生了很大影响。1876年，英国工程师约翰·米尔恩到达日本，此前他历经203天徒步13000公里穿经了西伯利亚和中国，从而有机会接触到张衡的地动仪。米尔恩首先研究了张衡地动仪的原理和特点，注意到中国的地动仪已经能测到很远距离的地震——陇西地震，而且晃动方向与地震波存在某种关系。他意识到，张衡是第一位利用悬垂摆惯性原理测震成功的人。

1880年4月日本成立了世界上第一个地震学会，由最早进行张衡地动仪复原研究的服部一三和米尔恩担任会长和副会长。他在向世界介绍张衡伟大贡献的同时，也传播了利用惯性摆的科学思路。1883年他绘制了张衡地动仪复原模型，收录于《地震及其他地动》一书，又把《后汉书·张衡传》中的地动仪部分翻译成英文，成为向西方介绍张衡地动仪的第一人。他还特意标注：“根据我们所见的史料，最早的验震器是由中国人张衡创制的”。

在对“中有都柱，傍行八道”这八个涉及到工作原理的关键性汉字的翻译中，他认识到了地动仪的工作原理是悬垂摆。他的设计采用悬垂法，将悬摆突出到仪体外端，其设计的第一架现代意义上的地震仪追随了张衡的思路，也利用了悬垂摆原理。

在总结了从张衡到18至19世纪大量科研成果的基础上，米尔恩在1892年至1894年间迈出了革命性的一步，成功制作出世界上第一部可以普遍架设的水平摆地震仪。他旅居日本20年后回国，随即用该地震仪建立了全球地震台网，覆盖了60个英联邦国家，一直架设到南极洲。他又系统地编制了全球地震报告，出版了地震学等专著，成为举世公认的现代地震学的奠基人。从张衡到米尔恩，人类历经1700多年的坎途，完成了地震科学史上的创新——继承——再创新的过程。

地动仪(图4)

研究现状

地动仪的复原

地动仪吸引了不少学者尝试复原，其中影响较大的是王振铎和冯锐等人分别完成的两个复原模型。

王振铎的复原

王振铎，著名博物馆学家、科技史专家，就读于燕京大学研究院历史系，长期从事文物和博物馆工作，复原了大量古代科技文明。1936年，王振铎在第20期《燕京学报》上发表了名为《汉张衡候风地动仪造法之推测》的文章，并手绘了一套内外结构图样做论文的配图。1951年，王振铎复原的地动仪模型中，根据前人的猜测讨论了地动仪内部可能有的各种结构，最后推断都柱的工作原理与近代地震仪中倒立式震摆相仿，并设计出了1：10倒立式震摆的复原模型。8年后，中国历史博物馆建成时，根据他的模型精工制作了1：2的木制模型并陈列展览。中国教科书上以及邮票的地动仪模型，大多以此为样本。1963年王振铎曾对地动仪设计图作出修改，但是没有进一步复原实物。遵循王振铎1963年地动仪设计图的直立杆原理制作的一个类似倒置酒瓶状圆柱体的八条龙模型存于中国国家博物馆，控制龙口的机关位于“都柱”周围。

冯锐等人的复原

2002年在地震科学联合基金会的资助下，冯锐主持的“张衡地动仪的工作原理研究”项目开始起步。课题组调研了大量文献，才完成复原。2004年，中国地震台网中心与河南博物院共同开展了地动仪的科学复原工作，组织了由8个单位的地震学家、历史学家、考古学家、自动化学家和美术家参加的研究组，冯锐任课题负责人。课题组调研了大量的历史资料，考察了安放地动仪的灵台，做了大量准备工作，后来该模型在河南省博物馆展出。2015年，香港特别行政区发行了一套“中国古代科学家”邮票，其中张衡邮票上采用的就是这个新的模型。