文/记者 刘新伟 图文编辑/陈永杰
专家访谈:
新媒体编辑/吕冰心
冯锐(中国地震台网中心研究员,“地震仪科学复原”课题组组长)
中学课本上的张衡地震仪一直伴随着各种争议。为什么人们会将考古发现与修复模型混淆?是在什么基础上恢复的?地震仪能预测地震吗?
日前,一则“张衡的地震仪被教科书删了”的新闻引发热议。事实上,除了张衡的地震仪外,中国古代的许多科技成果都被收录到中学课本中,其中一些还引起了争议。为什么张衡地震仪的复制品不能预报地震?罗盘之祖“思南”能否指路?蔡伦是造纸术的发明者还是改良者?我们一起来验证一下。(更多精彩内容请见《中国古代科学技术中学教材》专题)
▲想象张衡制作艺术家绘制的地震仪(冯锐供图)
历史上,汉朝的张衡曾发明过一种叫做地动仪的装置,史书上有明确记载,但由于历史原因,我们今天已经看不到真正的地动仪了。经过有关专家的努力,张恒地震仪的复制品终于现身。
但围绕张衡地动仪的争议一直在继续。为什么张衡地震仪的复制品不能预报地震?史书记载的地震仪预测的陇西地震是否存在?
张衡的地震仪享誉海内外,也饱受争议
最早关注地震仪的并不是中国人。1875年,日本学者服部一藏(I.)首次尝试复原张衡的地震仪。同年,英国矿物学家约翰·米尔恩应邀来日本任教。来日本之前,他途经中国许多城市,了解中国文化和日本学者修复地震仪的情况。后来,米尔恩从地质矿产研究转向地震研究,并试图复原张衡的地震仪。
米尔恩指出,张恒地震仪是地震探测器的一种(),指的是只对地震作出反应的仪器张衡地动仪,而不是对一般振动作出反应的报警器。这给地震仪赋予了特殊的意义。1883年,他出版了世界上第一部地震学专着,将中国历史书籍中关于地震仪的内容翻译成英文,并介绍了自己的模型,影响很大。
▲张衡(图片来自网络)
1889年,一位德国天文学家在进行天文观测时,意外发现日本熊本发生地震。这一发现不仅证实了地震波的存在,而且首次记录了远距离地震的数据。他使用的工具最初是一个测量重力变化的水平摆倾角仪。米尔恩后来对这台仪器进行了改造——世界上第一台现代地震仪诞生了。后来张衡地动仪,现代地震学逐渐发展起来,米尔恩被誉为现代地震学的奠基人。
米尔恩和英国科技史专家李约瑟对地震仪给予了高度评价,让人们知道中国早在1700年就记录了遥远的地震,肯定了地震仪的存在。据史料记载,公元132年是张衡完成地动仪建造的时间,公元132年也被公认为是第一台地动仪诞生的年份。
影响我国几代人的是教科书上的地震仪模型,是中国科学家、文物修复专家王振铎在前人研究的基础上于1951年修复的。修复的目的也是为了满足宣传中国古代文化和博物馆陈列的需要,最终修复的模型具有前所未有的影响力。长期以来,它一直是我国古代科技成果的标志之一。
然而,从实际应用到科学原理,这种回收模式在学术界一直存在争议。尤其是在功能上无法校验地震,成为很多人否定地震仪恢复模型的主要原因。另外,由于旧版教科书没有说明这是复原模型,所以很多人误以为是考古发现。其实地震仪早就失传了。缺乏教学和宣传,甚至让人误以为地震仪可以“预报地震”,了解实际情况后大喊“我被教科书骗了几十年”。
对地震仪修复的研究从未间断。到2000年,国内外已有13台张衡地震仪修复模型,可惜没有一台能测震。这个问题将地震仪的修复问题提升到了国家层面。“地震仪是中国古代技术的典范,其工作原理直观地展现出来。”
2003年,来自国内历史、考古、地震、力学、美术等9个权威机构的35位专家组成团队,启动了“科学修复地震仪”的研究。
2008年制作修复模型并通过国家验收。目前还没有新模型在真实地震条件下工作的记录,但至少在实验室里,它经受住了专业的地震实验,包括模拟真实地震。
![张衡地动仪为何不能预测地震?(1)(组图) 张衡地动仪为何不能预测地震?(1)(组图)](https://www.zaojiao126.com/wp-content/uploads/2022/12/17625468236_543647442.jpg)
张衡地动仪为何不能预测地震?(1)(组图)
文献中的地震仪真的存在吗?
长期以来,学者们只能参考范烨《后汉书·张衡列传》中的196字来复原地动仪。这让不少人质疑地震仪的真实性。事实上,学术界本身就有“一证不成立”的约定俗成。“地震仪科学复原”项目组组长、中国地震台网中心研究员冯锐认为,“缺乏丰富的文本是历史研究的共同特征,稀缺性不能成为结论的依据。”
“科学修复地动仪”课题组通过深入文献挖掘发现,从东汉末年到范爷写《地动仪》之前的320年间,东汉史书共有13部。书,其中 9 人幸运地留下来了。部分史书虽不全,但其中《徐汉书》、《后汉记》、《汉书·顺帝记》、《丁录》4部丰富了对地动仪的记述,将正文量扩充至254字。
▲《续汉书》、《后汉记》、《汉书·顺帝记》、《丁录》丰富了对地动仪的描述(冯锐供图)
除了找到新的文献外,他们还找到了考古学的旁证。历史上,张衡曾在洛阳南郊的“灵台”进行观测,这是中国最早的国家天文台。早在1975年,中国社会科学院考古研究所就曾在这里进行考古发掘,发现了放置地震仪的房间。2003年以后,修复队对灵台的地震地质情况进行了3次实地考察,发现房间的地面处理比较特殊,刚好可以容纳一台“圆径八尺”的地震仪,高平台基础对地震波有结构作用。,有利于地震测量。
早期争论的另一个焦点是“陇西地震”是否存在。《后汉书》提到都城(洛阳)人没有反应,又收到陇西地震的消息,验证了陇西地震。从公元132年到公元139年张衡死时,人们在古籍中发现了7次地震记载。其中只有138处明确指出了“晋城—陇西”地震,让人以为地震仪是在测试这次地震。但其他史书记载的地震现象与《后汉书》不符。这些记录都是关于洛阳地区的剧烈反应。
针对这个问题,冯锐团队扩大了史料发掘范围,结合历史背景、古代地名、张衡的生平和诗词,得出地震仪测试134年陇西地震的结论。作为一名专业地震学家,冯锐团队对地震事件进行了严格的“后验经验”,即根据地震波动场的可重复性特征,在相同观测精度下,可以利用其他类似事件进行比较。他们对比了清代详细记载的5次陇西地震,震级范围和烈度衰减都在合理范围内——洛阳人没有感觉到,或者只是感觉到了。还检查了现代地震的记录,
▲冯锐复制的地震仪(冯锐供图)
当然,以现在的技术还很难还原古代地震。有科技史研究者认为,采用清朝和现代的资料,不能反映当时的情况。但至少有多项证据表明地震仪的真实性。
对于地震仪的遗失,有人认为它作废,成了摆设。冯睿结合汉朝的社会背景,给出了否定的答案。他发现,在地动仪问世后的时代,皇帝奉行的政治思想是“当朝之说”,高官会因为地震而被免职。这种情况发生了12次,都是在地震仪发明之后。张衡本人也受到牵连,被赶出北京。“随着张衡政治地位的下降,地动仪的丢失在所难免。”
为什么张衡地震仪的复制品不能预报地震?
地震仪是利用惯性测试地震的装置,学术界并无异议。但对于地震仪的复原,各方争议最大的还是地震仪原理的复原,即地震仪为什么能在感受到地震后,让龙嘴里的小球按照方向落下。百年研究工作聚焦于史料中的8个字,“中有京台柱,一路有八径”。在冯锐看来,这里有两层意思,一是古语说“独柱”是一根大柱子;二是至少一端具有水平运动的自由度。
一百多年来,中外学者提出了数十种修复方案。在核心原理上,讲解完“独柱”后设计的方案其实只有四种——直立杆、倒立摆、悬摆和自由柱。王振铎的模型使用的是一根直立的杆子,就像笔尖朝下的铅笔,但这种模型在各种振动的影响下会随机下落,达不到抗震测试的目的。本来,这个设计早就被学术界抛弃了。近年来,有学者试图“复活”直立杆,仅作为学术讨论,并未得到充分验证。
▲张衡地震仪立柱模型
倒立摆模型最初是由日本人设计的。它在直立杆的下部安装了一个弹簧。理论上,它可以用于地震测试。但被学术界否决了,因为汉代的技术水平还达不到制造弹性钢的水平。自由柱由中国学者李志超提出,将多个铜球置于一根柱下,但也因灵敏度低而被淘汰。
▲ 冯锐复制地震仪工作原理(冯锐供图)
在物理学中,悬浮物体更能验证地震波的水平运动,因此提出了摆模型,这也是米尔恩最初的提议。今天,中国科技馆的地震仪使用的是冯锐设计的钟摆模型。关键在于“测震”。该型号在实验室通过了多项专业测试。经过进一步研究,团队重新设计了更符合古文字的外观,这台修复后的地震仪成为了“终极版”。虽然这个方案还存在争议,比如用现代知识复原古代技术是不合理的,但是自从冯锐团队在2012年完成了1:1青铜地震仪原型铸造之后,就没有进行过大规模的复原工作。
“真正的”地震仪仍然是个谜。