2010年12月24日

張衡地動儀之謎破解


張衡地動儀復原機械圖。(A)新模型之外觀。(B)內部結構說明。

作者/王瑞良(任職江蘇常州市科學技術局)

近年來接連發生的汶川海地智利和玉樹大地震等,無一不牽動著世人的心,也讓人類更關注地震的預測和預報其實,這種關注早在古代就開始了

據史籍記載,世界上第一台觀測地震的儀器——地動儀,是中國東漢科學家張衡於西元132 年發明的,它比國外的同類設備早誕生1000 西元134 12 13 日,這台儀器成功地實測出甘肅天水一帶的隴西大地震,初步揭開了地震這一自然災害的神祕面紗張衡地動儀是人類第一次利用慣性原理成功測出地震方位的驗震儀器,是中國古代科學技術具有代表性的輝煌成就之一,它的問世,開創了人類用科學儀器檢測地震的新紀元

然而,由於年代久遠和自然災害戰亂等原因,這台地動儀早在1700 多年前就神祕地消失了,它的原理和外觀,長期以來成為人們心中的不解之謎所幸的是,後漢書張衡傳等歷史文獻,對地動儀做了如下記載:「……以精銅製成,員徑八尺,合蓋隆起,形似酒尊,飾以篆文山龜鳥獸之形中有都柱,傍行八道,施關發機外有八龍,首銜銅丸,下有蟾蜍,張口承之……」,根據這一史料,百餘年來,中外科學家一直試圖破解它復原它
十九世紀末,中國日本和英國的科學家曾先後繪製出復原模型直到二十世紀70 年代,國內外相繼提出了13 種不同的模型,但這些都屬於概念模型,未能製成樣機

現在陳列在許多博物館內沿用多年廣為人知的地動儀模型,則是中國歷史博物館科技文獻專家王振鐸於1951 年設計的,其內部採用了直立桿原理,即在儀器的底部豎立起一根直立桿但是,地震學界對這台儀器模型的科學性一直抱有懷疑,因為它不能實測地震
2002 年起,以中國地震台網中心研究員馮銳為負責人的研究小組,在有關單位的資助支援下,開始了對地動儀原理復原的新一輪研究他們依據後漢書續漢書等史料的記載,並充分利用了唐山越南雲南等四次大地震的實際案例資料,通過電腦的控制,在液壓振動台上實現了相當於當年隴西大地震,導致京師洛陽之極其微弱的地面振動,然後把新復原模型放到振動台上驗證

驗證中,他們緊緊抓住史料中中有都柱,傍行八道這個原理復原的關鍵,從地震學理論出發,考證了都柱的基本詞義,在振動台上對原本框架結構的懸掛都柱進行了嚴格試驗,證實了新模型只對地震引起的水平運動有反應,而對垂直運動和其他非地震的人為干擾(如人工爆炸)未出現誤觸發的反應,從而證明:張衡地動儀的工作原理應當是懸垂擺原理,即地動儀是利用了一根懸掛柱體的慣性來驗震的,而不是沿襲多年的直立桿原理【更詳細的內容,請參閱第492期科學月刊】

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