2009年1月29日，观众在广东科学中心的展馆中观看地动仪模型。图：新华社
在人类探索自然的文明长卷中，公元132年张衡发明的地动仪无疑是一道璀璨的印记。
中国位于亚欧板块的东南部，在印度洋板块的碰撞与太平洋板块的俯冲下，地质构造活动剧烈，地震频发。在很长的时间里，古人对地震现象缺乏科学认识，往往将其归因于神秘的天道示警，赋予灾异的神秘色彩。而东汉时期的科学家张衡，在阳嘉元年发明制成的世界上最早的“地震仪”，迈出了人类探索地震奥秘的坚实第一步。
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张衡（78年-139年），字平子，南阳郡西鄂县（今河南省南阳市石桥镇）人，他是东汉时期杰出的天文学家、数学家、发明家、地理学家、文学家。
十八岁那年，张衡到三辅游学，后又到京都洛阳，拜名儒贾逵为师。在生活困难的情况下，读了四年书，达到了通《五经》贯六艺的水平。公元100年，在南阳太守鲍德的推荐下，张衡出仕，之后历任郎中、太史令、侍中、河间相、尚书等职。永和四年（139年），62岁的张衡逝世。他在天文学方面著有《灵宪》《浑天仪图注》等；数学著作有《算网论》；文学作品以《二京赋》《归田赋》等为代表。
张衡一生有很多发明创造，其中地动仪最为后人熟知。
东汉时期地震比较频繁。据《后汉书·五行》记载，自和帝永元四年（92年）到安帝延光四年（125年）的30多年间，共发生了26次大的地震。地震区有时大到几十个郡，引起地裂山崩、房屋倒塌、江河泛滥，给百姓的生命和财产造成了巨大损失，生灵涂炭。张衡对地震有不少亲身体验，经过多年苦心研究，终于在汉顺帝阳嘉元年（132年）太史令任上，发明了世界第一架地震仪。这个发明简略地记录在南宋范晔的《后汉书》中：
阳嘉元年（132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。
《后汉书》中对张衡地动仪的记载。
据相关学者考证，《后汉书》中关于地动仪的记载并非孤证，在西晋司马彪的《续汉书》、东晋袁宏的《后汉纪》等七份史料中，都有地动仪的记录。因此，地动仪史料的可信度极高。
1975年，中国社会科学院考古所对洛阳城南的灵台地基进行了考古发掘。考古人员认为，灵台西侧的第二层平台的一个房间即是地动仪放置的地方。这个房间长10米、宽2.2米，高出地面2米，房间内铺设了两层2×2汉尺大方砖，属稳定承载地动仪所需，高台状的地基对地震波有结构性放大作用。
1975年，中国社会科学院考古所对洛阳城南的灵台地基进行了考古发掘。图：网络
在《后汉书》的记述中，还有地动仪实际应用的事例——陇西地震。
有学者认为，这次“应验”的地震可能是东汉顺帝永和三年（138年）二月乙亥甘肃金城、陇西发生地震。东汉时的金城郡包括今兰州市在内，当时候风地动仪仍放在洛阳，距震中约700千米。这次地震很猛烈，史籍多有记载。
也有学者提出不同的意见：因为史料记载的金城陇西地震，京师也有震感，因而与“地震陇西”、京师“地不觉动”“京师学者，咸怪其无征”的记述不符合。有学者研究后提出，这个描述应为“134年12月13日的陇西地震”。学者还对推测进行了严格的“实证后验”，即根据地震影响场可以重复的特点，对以后的类似事件进行了验证对比。
可惜的是，这个“合契若神”的地动仪并没能传世。
卢永、孙振强、郑江蓉等学者认为，地动仪实物最大可能于东汉末年损毁殆尽。因为张衡于永和四年（139年）去世，而对于结构精密复杂的地动仪，其他人很难进行维护和维修，“若稍有损坏，则很难恢复，只能搁置，之后地动仪未能继续‘合契若神’亦属合理”。地动仪年久失修不能正常使用一段时间后，董卓于公元190年胁迫汉献帝迁都长安，焚毁洛阳。地动仪实体很有可能于那时遭受彻底破坏。
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张衡发明的地动仪是什么样子？这可能是一个没有答案的问题。我们现在看到的“张衡地动仪”其实都是后人根据史籍复原制作的。
值得关注的是，后世的学者对张衡的地动仪非常感兴趣。宋、元、清便有江少虞、周密、倪正 、何王秀、文廷式等尝试了解地动仪。如江少虞在《事实类苑》中感叹“地动仪，候地震之器也……张衡不教子孙，后无述焉”。周密则表示：“此仪置之京都，与地震之所了不相关，气数何由相薄，使铜龙骧首吐丸也。细寻其理，了不可得，更当访之识者可也。”
到了近代，则有吕彦直、王振铎、刘昭民以及外国学者约翰·米尔恩（John Milne）、服部一三 、萩原尊礼、今村明恒、关野雄、斯莱斯维克（André Wegener Sleeswyk）和赛维（Nathan Alex Sivin）等试图复原地动仪。
复原地动仪，其中最关键的问题是对“都柱”的理解，由于理解不同而产生了复原的“直立杆”“倒立摆”“悬垂摆”等三类截然不同的思路。
1875年，日本学者服部一三首次把史料变成了猜想图形。在猜想图中，服部一三设想的地动仪顶盖上有篆字，身有龙头，蟾蜍则是头朝内、背朝外摆设。
服部一三于1875年对地动仪外形进行猜想。这是根据猜想的复原模型。图：河南博物院
研究学者认为，服部一三在1867年明治维新时赴美留学，正值日本崇尚西方之时，猜想图是八年后在他24岁归国之际(1875年)绘制的，设计受到欧洲巴洛克建筑风格的影响。这个造型猜想影响重大，“这个造型竟在后人的模型中被因袭了一百多年，直到1994年才在李志超的地动仪复原模型中对蟾蜍的朝向首次做了翻转”。
1883年，英国人约翰·米尔恩（John Milne）出版了《地震和地球的其他运动》。在书中，他首次向西方世界介绍了中国张衡在公元132年发明的地动仪，强调 “人类第一架地震仪器是中国人张衡发明的”。不仅于此，米尔恩还着手复原。据悉，他曾经用直立柱做过实验，但实验中立柱在受到轻微的动后就会向四面乱倒，根本不能指示地动方向。所以他认为，张衡地动仪只有用“悬垂摆”才能成功判明地震方向。
根据米尔恩1883年设计图复原的地动仪模型。图：河南博物院
中国考古学家王振铎对地动仪的复原也作了重要贡献，影响非常大。
1936年，燕京大学研究生院历史专业的学生王振铎发表《汉张衡候风地动仪制法的推测》一文，画出了第一套自己复原的地动仪模型图稿。对于内部结构，他遵从了米尔恩的“悬垂摆”的结构原理。但是，王振铎之后不久认识到，“悬垂摆”模型并不符合文献中“都柱”的说法。1951年，王振铎对模型进行修改，修改版内部参考萩原尊礼（于1937年）的直立杆（也称立柱）原理，外形参考服部一三的设想，最终制作出一个1：10比例的卵状八条龙展览模型。
王振铎设计复原的地动仪，影响巨大。
王振铎于1936年的设计（上图左）版本与1963年的修改版本（上图右）。图：网络
这个模型不仅在博物馆中展出，还印在1953年的中国特种邮票上，甚至成为中国地震学界的标志。至此，直立杆原理便一直居于主导地位。相关文章亦收入到学校的教材中，更加广为人知。
1953年中国发行的“张衡地动仪”邮票。图：网络
但随着研究的深入和50多年间大量秦汉青铜器的出土，这个卵状模型在原理和外形上的偏谬已渐明显。最突出的缺陷是，作为一件地震学的专用仪器，这个模型既没有进行过理论计算和仪器检测，也从没有作为一架真正的验震器应用过，所以地震学界一直未从严格的科学性上接受过它。
1972年，日本人关野雄用力学证明“立柱体”是不可能达到观测地震需要的灵敏度的。能灵敏感知地震的立柱需要做得很细，比如一根2米高的立柱，如果要有高灵敏度，它的粗细只有2毫米，这样细丝般的立柱是无法站立的。
在一段时间里，国内外地震学界一直对这个模型的科学性表示怀疑甚至否定。在质疑的声音中，奥地利人雷立柏的观点最为尖锐，他曾撰写《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。
面对外界的质疑声音，中国学者当然不甘袖手旁观。
2002年，中国地震台网中心研究员冯锐即开始关注传统地动仪复原模型的原理性问题，着手独立研究地动仪的科学复原路径。
2004年7月，河南博物院与中国地震台网中心合作成立 “张衡地动仪科学复原研究课题组”，冯锐担任组长。之后，冯锐团队整合了考古学、地震学、机械工程学等领域的专家，系统梳理了《后汉书》《续汉书》《后汉纪》等七部典籍中关于地动仪的记载，摒弃了王振铎 “直立杆” 模型的不合理性，转而采用 “悬垂摆”原理，设计出新的复原模型。冯锐团队利用唐山、越南、云南等四次实际地震资料，通过计算机模拟洛阳地区的微弱地面振动，在振动台上对模型进行反复测试。结果表明，新模型对地震反应灵敏，且未出现误触发。
2005年4月，课题组完成的复原模型通过专家验收。专家称赞新模型“迈出了把张衡地动仪复原成科学仪器的关键性的一步”。
冯锐团队研制的新模型，采用“悬垂摆”原理。图：网络
当然，冯锐团队的研制并不是复原张衡地动仪的终点。近些年，不断有学者通过研究进行复原，发出不同的声音。
2023年，江苏省地震局的卢永团队发布自己的复原模型，模型采用三点悬挂复合物理摆结构，采用机械杠杆放大技术，以实现“一龙机发而地不觉动”的效果。卢永、孙振强等学者在公布设计的模型后表示：“与冯锐和王振铎复原模型有所不同，本复原方案采用三点悬挂复合物理摆结构，兼有‘倒立摆’和‘悬垂摆’的复合特点。”
卢永团队研发的复原模型，采用三点悬挂复合物理摆结构。图：江苏省地震局
天文仪器专家胡宁生则重新改进“直立杆” 模型。他表示关键在立柱加工要足够精密，确保其重力矢量点落在正中央，而且立柱底端与底板的接触面，都要非常“平”。2023年，胡宁生接受媒体采访时介绍，他在立柱底端嵌了一块人造蓝宝石，硬度高，这才能经得起反复使用。当然，他也承认，因为地动仪采用铜制，硬度有限，“用了一段时间后，地动仪的立柱底部会有磨损，就更难保持平衡了”。
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有人进行不完全统计，国内外学者复原的地动仪已经有40多个版本。在过去的一百多年时间，为什么张衡的地动仪会被高度关注，不断有学者进行研究复原呢？
对于胡宁生而言，他是要争一口气。他说，2013年国外科学家曾质疑地动仪是否真实存在，让他实在恼火，于是就憋着一股劲，要让地动仪重现于世。这种来自外界的质疑，常常会成为复原研究的驱动力量。
质疑地动仪的声音中，最常见的是会将其与现代的地震仪器比较。对于这样的比较，中国地震局地震预测研究所所长吴忠良曾撰文表示，如果以近代地震仪、特别是摆式模拟地震仪为参照来讨论张衡地动仪的意义，那么很容易过于强调张衡地动仪“不能记录到地面运动的全过程”，而“这恰恰不是张衡地动仪的限度，而是我们自己的思路的限度”。他表示，在汉代，地震被认为是苍天对皇帝失当的惩戒和警示。因此地震的发生紧紧地把百姓的安危和政权的稳定连在一起。“一个可能的场景是，当惊慌失措的地方官员战战兢兢地报告地震灾情的时候，皇帝冷静地告诉他们，不用着急，朕早就知道了”。从这个角度看，以现代的实用目光去评价西汉的地动仪，是有失偏颇的。
从更深层次来看，学者们对张衡地动仪的研究，有着超越仪器本身的追求。学者冯锐说过：“（复原的意义）不在于用这个地动仪去监测一个地震。复原张衡地动仪有这么三个目的。第一个目的启迪科学思想。过去古人怎么用？我们怎么用？是不是还有别的办法？第二个目的宣传地震的科学常识。第三个目的弘扬中华文化。使大家知道我们的祖先在这个领域里面曾经做出过辉煌的贡献，这是我们中华民族多么伟大的骄傲，多么辉煌的成绩。”
中国地震局地球物理所的一篇文章也有类似的观点：“复原地动仪并不是要替代现代地震仪和监测台网。说到底，只是为了从科学上研究一下，按照史料记载做出一个古代地动仪，结构简朴，原理明晰，试一试，看一看，能不能够实现高精度验震……（那是）和先哲进行超越时空的思维对话！使公众对张衡的科学实践有更加具体而深刻的认识，由此会得到无穷的思想启迪。”
巧合的是，这也是米尔恩的意思：“张衡地动仪的价值决不仅仅在于它是一个古老的发明，更重要的在于，它竟以极其相近的思路留给了现今时代的科学仪器以许多有意义的启迪。”1893年，米尔恩研发出世界第一架现代地震仪。
文字整理：新快报记者 邱治
参考资料
潘春华：地震仪是如何监测地震的
吴忠良：关于张衡地动仪意义的讨论
范晔：后汉书
卢永、孙振强、郑江蓉等：张衡地动仪工作原理探究
冯锐、武玉霞：张衡候风地动仪的原理复原研究
冯锐、武玉霞、朱涛等：对地动仪传统模型的置疑
新华社：中国复原历史上第一台验震器——张衡地动仪
扬子晚报：复原张衡地动仪 百多年来一直在继续
现代快报：九旬老专家复原张衡地动仪
中国地震局地球物理所：地动仪的历史真实和科学价值
中国新闻网:中国科学家宣布：复原张衡地动仪 破解千年之谜
