张衡传的地动仪能预测地震吗（科学家复制出张衡地动仪模型）

围绕张衡地动仪的争议在科学界早已有之，正方认为它符合地震学原理，是古代科学家对地壳运动理解的精妙产物；而反方则说再精妙它也只是几行文字，你不仅拿不出实物，其实连个图纸都没留下。而中科院院士傅承义的一句话更是给地动仪盖上了棺材板儿：“房梁下吊块肉都比那个强”。

（猪肉真比地动仪强？）

我国古代最伟大的科学发明之一，曾经启发了无数孩子对自然科学兴趣的科学仪器，竟然不如一块吊着的猪肉？！

2017年，张衡的“候风地动仪”从七年级历史教材中消失，有人据此断言：“（中国）历史从来就有两副面孔”。

张衡是东汉时期杰出的科学家，在数学、天文学和地理学方面有深厚造诣，他发明的浑天仪和地动仪一直都是中国古代自然科学先进的标志。然而由于年代久远，张衡地动仪没有一件留存于世，人们只通过《后汉书·张衡传》以及其它史书记载才知道它“以精铜铸成，员径八尺，合盖隆起，形似酒尊”，其内部“牙机巧制”，“中有都柱，傍行八道，施关发机”，当地震发生时，地动仪对应方向龙口张开，它衔着的铜丸落下发出响声以提示方位。

（候风地动仪模型）

与大多数人所想相反，最早对《张衡传》中这段文字感兴趣的其实并不是咱中国人。1875年，日本学者服部一三根据文字表述画出了地动仪的猜想图。英国地质学家约翰·米尔恩（John Milne）1875-1895年间在日本工作，1883年他研究了张衡地动仪原理、尝试复原地动仪；他发明了水平摆地震仪并参与创立日本地震学会。1939年，日本地震学家今村明月（Akitsune Imamura）首次重建了张衡地动仪模型。

（水平摆地震仪示意图）

由于没有留下实物和图纸，现代人只能通过揣摩史书中的寥寥数语来领会地动仪结构。1936年始，中国科技史学家王振铎尝试复原地动仪，此后出现在历史课本以及大众视野中的基本都是王振铎设计的模型。

如果你留心观察过中国商周时期的青铜制品，便不难理解“牙机巧制”这四个字背后所蕴藏深厚的工匠精神。有许多东西几千年前的古人能造出来，但现代人想要仿制却一筹莫展，对于地动仪的重建也是如此。

（立柱式与吊杆式地动仪的原理猜想）

王振铎对张衡地动仪进行了大量研究，但受限于工艺水平，他造出来的地动仪仅能做到形似，无法实现对地震的感应。傅承义院士是著名的地球物理学家、中国现代地震学的奠基人，他那句话其实是当面跟王振铎讲的：“房梁下吊块肉都比（你）那个（模型）强”，很显然傅先生对那个模型不满意，这与某些人理解的（院士说吊块猪肉都比地动仪强）完全是两回事。

房梁下吊肉真比地动仪强？这是个有趣的科学问题，值得我们花两分钟来探究一下。

地震波示意图

地震是一种常见的地球物理现象，当地壳下方某处因为挤压或断层破裂，应力瞬间释放出来，它会以地震波的形式在地球内部向四周传递，地震波主要分为纵波（P）、横波（S）、表面瑞利波（R）和（L）波。P波是一种挤压波，它传递的速度最快，S波紧随其后，而对地面破坏力最大的则是表面波。

P波是纵向运动的压缩波

所以，当A地发生地震时，首先传到B地点的是P波，它挤压的方向与地震波源头方向相反。如果我们在B地点的桌面上放一个单摆，由于球本身在P波到达的瞬间保持静止，因此它会相对于桌面发生摆动，而在波峰过去之后它会向回摆。

（单摆在地震时的表现，黄球错误，红球正确）

几乎所有测量地震的仪器，无论是张衡的地动仪还是傅承义院士“吊在房梁下的猪肉”都是基于同样的原理：有质量的物体会因为惯性保持它原有的位置。你悬吊物体的质量越大，它在地面晃动时就越稳定。

（地震记录仪的铜球在地面晃动过程中保持稳定）

回到张衡的地动仪，它中间的柱子无论是立柱式还是吊杆式，都会在地震发生时倒（摆）向挤压波到来的方向，这一点符合物体的惯性定律。当然，如果我们真在房梁下悬吊一块猪肉，它同样会摆向地震源的方向。

立柱式与吊杆式地动仪的运动原理

在实际情况下，除非你距离震中位置很近，否则地壳运动不会如上图这样夸张，我们甚至无法感觉到地震，因此地动仪中间的柱子晃动幅度极小并且很快就恢复它原来位置，如果你看过民间顶幡表演就能意识到那根柱基本不会倒下，而吊杆式的地动仪也需要做到极其精密才能让它底部的小球脱离。这很可能是现代仿制地动仪模型无法感知地震的真正原因。

更精确的吊杆式地动仪运动原理

同样地，你在房梁下吊块猪肉也没办法感知微弱地震波，傅承义院士用“吊猪肉”打比方，一方面是阐述地震仪工作的原理，同时也仅是揶揄那个粗糙的模型，而非针对地动仪本身。

张衡的候风地动仪尽管只在史书中留下了百余字的描述，但从我们已知的惯性定律和地震运动原理看，其科学性还是值得肯定的。

#谣零零计划#