一、關于張衡地動儀的爭論

陽嘉元年，復造候風地動儀。以精銅鑄成，員徑八尺，合蓋隆起，形如酒樽，飾以篆文山龜鳥獸之形，中有都柱，傍形八道，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。驗之以來，合契若神。自書典所記，未之有也。嘗一龍機發而地不覺動，京師學者咸怪其無征。后數日驛至，果地震隴西，于是皆服其妙。自此以后，乃令史官記地動所從方起。

地動儀已失傳，上段文字來源《后漢書·張衡列傳》，要點是，張衡地動儀是用立柱（都柱）來驗震的，驗震靈敏度甚至比人的感震靈敏度還高，而且立柱受震后會正確倒向地動的來動方向。

王振鐸在1951年制作了新中國的第一臺張衡地動儀模型。幾十年中，此模型上過教科書，上過郵票，中國政府上世紀八十年代還將一臺景泰藍張衡地動儀模型作為禮物，送給了日內瓦的聯合國世界知識產權組織，長期在其展廳中作為人類古代科技頂級發明而展出。張衡地動儀的圖像也出現在中國地震局的局徽中。但王氏復原制作的地動儀只是靜態模型，并不能實際驗震。

自1969年起，國外刊物上陸續出現了一些對張衡地動儀措辭嚴歷的質疑批評文章【1】。那些文章寫道，經過數國學者們的實驗，得出的結論是，地動儀想用立柱來驗震是不可能的，理由是，我們根本不能使很靈敏的立柱站住。而對一根能被站住的不靈敏立柱，它在受到某一方向來的震動后，并不會經常傾倒在來震方向，而是會各方向亂倒。即由立柱的倒向，根本不能判斷來震方向。因此，中國史書上對張衡地動儀的記載不是錯了就是假的。有人并認為【2】，以中國古代科技史上出現了地動儀這種幾近荒誕的事例，說明中國前人對科技的態度相當不正，以致中國科技進展停滯而落后于文藝復興后的西方。一名自稱為張衡粉絲的外國人，在他的書中【3】指出，張衡地動儀沒有一個科學原理能說明它，它是中國人杜撰出來的。

為了能批駁國外那些對張衡地動儀聲譽不利的負面言論，中國地震局在本世紀初成立了一個“張衡地動儀科學復原研究課題組”。但該組經過幾年的研究后，竟附和了國外那些質疑張衡地動儀的負面言論，也認為立柱驗震是不可能的，只有用英國地震學家約翰米爾恩(John Milne)提出的懸擺【4】來驗震才可能成功【5】。于是該課題組就做了幾臺與史書記載不符的擺式地動儀，它們至今仍在一些科技館展出。

在該課題組公布他們的結果后，著名打假人士方舟子也對張衡地動儀的真實性提出了質疑或者說否定【6】。他的一個理由是：如果一根立柱的靈敏度比人的感震靈敏度還高，那么在地動儀旁的人只要一跺腳，那立柱就會倒了。這種做法的缺陷是抗干擾能力很差，無法區分是地震引起的震動還是建設、車輛、行人等引起的震動。

在2010年前后的幾年中，該課題組的這些說法導致了許多對張衡地動儀不利的負面報導。一時之間，媒體上出現了大量指責張衡地動儀為虛假的負面言論，張衡地動儀的聲譽忽然跌入谷底，從而產生了相當嚴重的后果：在國外，聯合國世界知識產權組織在它展廳中撤下了張衡地動儀模型；在國內，教育部從2017年起，不僅將中學教科書中關于地動儀的內容刪除了，而且甚至把關于張衡的介紹都整個刪除了。

二、立柱驗震是否可行

筆者具有50年研制天體測量精密儀器的經驗。筆者認為，張衡制作的地動儀是當時的一種精密儀器，應該有精巧的設計。但以前研究此問題的各學者都把驗震立柱只當成一根的普通建筑立柱對待，例如：

日本的關野雄在他的論文【7】中認為，用力學可以證明，立柱驗震是不可能的，因為立柱當然越細越靈敏。這樣，如果一根立柱的靈敏度想比人的感震靈敏度還高，則用力學算得的那高近2米的立柱，其直徑得細至1.5毫米。顯然，這么細而高（銅絲般）的立柱是絕對站不住的；

第二個例子是，地動儀復原組也在他們的論文【5】中認為，秦漢時代的建筑物立柱都極粗，那么粗的立柱當然不能靈敏驗震。

筆者認為，必須將立柱作為一件精密儀器來對待，才能認識到驗震立柱所必要的結構和相關力學條件。

圖1. 地動儀立柱結構

驗震立柱的結構和力學要求為（見圖1）：

高而粗的立柱必須要有一個很小的著地面，這樣的立柱才能在很微弱的地動作用下失穩而發生傾倒；

立柱的小著地面必須是精密加工過的極硬（如藍寶石）平面（或其它面形）。這小著地面的材質不能由不夠硬的立柱本體材料（如青銅）來制造，否則其邊緣會被立柱傾倒時的特大壓強所壓壞。

立柱著地面下的那個支承面也必須是一個精密的硬平面，而且此支承面還應該被調整到相當水平的狀態。因此，該支承平面就必須要有置平機構；

立柱質心的重力矢量必須要正好落在那立柱小著地面的正中央，否則那偏重的立柱在受震后就會各方向亂倒（即會倒向那在方位上被隨機亂放的立柱偏重方向）。為達到以上要求，立柱就應具有重心位置的調整裝置，以在要站住立柱之前，先將立柱做好重心平衡調正的操作。

要使立柱能夠驗震還應要有如下諸力學條件：

驗震立柱的靈敏度a如要優于人感震的最高靈敏度（地震界一般采用的此值為千分之五的重力加速度），可以用力學證明【8】那立柱著地面的半徑r與立柱重心高度h之間應滿足關系式a=（r/h）g<0.005g。此式指出，立柱的r/h應小于0.005；

能振倒立柱的（水平）地動的輻度必須大于著地面的（大致）直徑；

地震的（水平）振動周期必須大于約2秒鐘，太短周期的往復地動對立柱的前后作用會正好互相抵銷掉。

圖2. 本文作者與他復原制作的地動儀實物模型

從2013年起，筆者用了嚴密的力學分析，終于證明了立柱驗震在力學原理上是正確的，又制作了實物模型（見圖2），證實其原理在實踐上也是可行的。

針對所謂跺跺腳就會使立柱傾倒、根本無法驗震的說法，本作者專門拍了一個視頻，如下：

在視頻中可以看到，實驗者在一根靈敏立柱旁大跳，可是那立柱仍能屹立不倒，因為人跳動引起的地板振動主要是一種垂直方向的振動。但是地震波既產生垂直方向、又產生水平方向的振動。正如視頻中所顯示的，那人只要對立柱吹一口氣（人吹氣對立柱的干擾幅度應小于地動對立柱的干擾，但可以模擬水平方向的干擾），那立柱就倒了。這視頻充分證明了，一根檢測地震時靈敏的立柱真能抗住旁邊那人的行動所引起的干擾。

至此，讀者當可明白，之前研究過立柱驗震的中外學者為什么都不能用立柱成功驗震了。然而1800年前的張衡卻能將立柱驗震原理成功地用到他的地動儀中，我們不禁要驚嘆張衡科技水平之高。

三、為張衡地動儀恢復名譽

由于社會上否定張衡地動儀的負面言論已持續了十年之久，現在要為張衡地動儀恢復名譽就需要不懈努力才行。幾年來，本文作者為張衡地動儀做了下列工作：

2014年出版了《張衡地動儀的奧秘》一書。

2016年配合中國科技史學會召開了對張衡地動儀立柱驗震學說的學術鑒定會，獲得與會專家一致認同。

前后研制了三代大型張衡地動演示儀，其中第二代演示儀用于2016年的鑒定會，第三代（見照片）演示儀將用于向媒體展示。需要第三代張衡地動演示儀工作實況視頻的讀者可向作者索取。

2020年在學術期刊上發表了對張衡地動儀立柱驗震的重要論文【8】。

筆者認為，張衡是我國古代最偉大的科學家之一，他的地動儀也是一項卓越的發明，在世界科技史上理當占有重要的地位。我呼吁為張衡地動儀恢復名譽，將其重新納入歷史教科書中，并重新贈送一臺張衡地動演示儀給聯合國有關組織。

參考文獻：