张衡：发明了地动仪

张衡连续做了6年的太史令，到安帝建兴元年（公元121年），被调任公车司马令。公车司马令的官署设在皇宫的南阙门旁，职责是保卫皇帝的宫殿，通达内外奏章，接受全国官吏和人民的献贡物品，以及接待各地调京人员等等。把科学家张衡调到这样的一个职位上，充分说明封建皇帝如何不重视科学，不让有天才的人有充分发挥才能的机会。然而，就是在这样的岗位上，张衡还是利用一切可能利用的时间和精力，继续进行学术研究。除了天文学以外，他还对数学、物理和机械制造等方面，下了很大的苦功。我们曾提到张衡的数学名著《算罔论》以及制造的计里鼓车，指南车等等，都是在张衡就任公车司马令时苦心钻研的结果。

到顺帝永建元年（公元126年），张衡又被调任太史令。这是张衡第二次做太史令。当时有一些热衷于名利的人乘机嘲笑张衡“辄积年不徒”，不得提升，讽刺他宦途不顺，“去史官5载而复还，非进取之势”，是倦鸟归飞，仍回旧巢，攻击张衡“与世殊技，固孤求是”。还有人把张衡创制的科学仪器看作是“屠龙之技”，认为是“艺成而下”的小道。也有人嘲笑张衡“不务正义”，认为张衡如果把精力用在作官上的话，早就能升官了。面对统治阶级的冷遇和传统势力的冷嘲热讽，张衡特地写了一篇名为《应间》的文章来答复这些“刻舟求剑，守株待兔”的目光短浅之人的嘲笑。

张衡在《应间》里不仅清楚地表明了自己在研究学问上是抱着“约己博艺，无坚不钻的信心和决心，以及“不耻禄之不伙，而耻智之不博”的谦虚态度；同时也表示自己不愿同那些贪图名利、目光短浅的人去争长短，自己坚持着“方将师天老而友地典，与之乎高睨而大谈”的广阔胸怀。

除了浑天仪外，张衡在世界科学史上另一个不朽的创造发明——地动仪，就是在他第二次担任太史令期间研制成功的。发明于公元132年（阳嘉元年）的地动仪，是世界上第一台测定地震及其方位的仪器。地动仪的发明，在人类同地震作斗争的历史上，写下了光辉的一页，从此，开始了人类使用仪器观测地震的历史。

我国是一个地震比较多的国家。几千年来，我们的祖先一直在顽强地同地震灾害作斗争。早在3800多年前，我国便已经有了关于地震的记载。晋代出土的《竹书纪年》中记载，虞舜时“地圻（裂）及泉”，可能就是指的地震；最明确的报道，是夏代帝发7年（约公元前1590年）的“泰山震”，这是世界上最早的地震记录；《诗经·小雅·十月之交》报道的地震情景说，“烨烨（yìyì，意为火光很盛）震电，不宁不令（意为不合时令，使人不安宁），百川沸腾，山冢（山顶）■（即断“崩”）。据考证，这是周朝末年（公元前780年）陕西一带地震引起山崩的生动记载（前二句可能是“地声”、“地光”结合的地震前兆）；公元前三世纪的《吕氏春秋》里记载了“周文王立国8年（公元前1177年），岁6月，文王寝疾5日，而地动东西南北，不出国郊。”这一记载明确指出了地震发生的时间和范围，是我国地震记录中具体可靠的最早记载。此外，在《春秋》、《国语》和《左传》等先秦古籍中都有关于地震的记述，保存了不少古老的地震记录。从西汉开始，地震就被作为灾异记入各断代史的“五行志”中了。

东汉时期，我国地震比较频繁。据《后汉书·五行志》记载，自和帝永元4年（公元92年）到安帝延光四年（公元125年）的三十多年间，共发生了二十六次比较大的地震。汉安帝元初6年（公元119年），就曾发生过两次大地震，第一次是发生在2月间，京师洛阳和其他42个郡国地区都受到影响，有的地方地面陷裂，有的地方地下涌出洪水，有的地方城廓房屋倒塌，死伤了很多人；第二次是在冬天，地震的范围波及8个郡国的广大地区，造成了生命和财产的巨大损失。当时人们由于缺乏科学知识，对于地震极为惧怕，都以为是神灵主宰。

张衡当时正在洛阳任太史令，对于那许多次地震，他有不少亲身经验。张衡多次目睹震后的惨状，痛心不已。为了掌握全国的地震动态，他记录了所有地方上发生地震的报告，在他已有的天文学基础上，经过长年孜孜不倦的探索研究，终于在他50岁的时候（公元132年），发明了世界上第一架用于测定地震方向的地震仪—地动仪。

据《后汉书·张衡》记载，地动仪是用青铜铸成的，形状很象一个大酒樽，圆径有8尺。仪器的顶上有凸起的盖子，仪器的表面刻有各种篆文、山、龟、鸟兽等花纹。仪器的周围镶着8条龙，龙头是朝东、南、西、北、东北、东南、西北、西南8个方向排列的，每个龙嘴里都衔着一枚铜球。每个龙头的下方都蹲着一只铜铸的蟾蜍，蟾蜍对准龙嘴张开嘴巴，象等候吞食食物一样。无论哪个地方发生了地震，传来地震的震波，哪个方向的龙嘴里的铜球就会滚出来，落到下面的蟾蜍嘴里，发出激扬的响声。看守地动仪的人听到声音来检视地动仪，看哪个方向龙嘴的铜球吐落了，就可以知道地震发生的时间和方向。这样一方面可以记录下准确的地震材料；同时也可以沿地震的方向，寻找受灾地区，做一些抢救工作，以减少损失。

汉顺帝永和3年（公元138年）2月3日，安放在京城洛阳的地动仪的正对着西方的龙嘴突然张开，一个铜球从龙嘴中吐出，掉在蟾蜍口中。可当时在京城洛阳的人们对地震没有丝毫感觉，于是人们议论纷纷，怀疑地动仪不灵验；那些本来就不相信张衡的官僚、学者乘机攻击张衡是吹牛。可是没隔几天，陇西（今甘肃省东南部）便有人飞马来报，说当地前几天突然发生了地震。于是人们对张衡创制的地动仪“皆服其妙”。陇西距洛阳有1000多里，地动仪标示无误，说明它的测震灵敏度是相当高的。据《张衡传》所记洛阳人没有震感的情况来分析，地动仪可以测出的最低地震裂度是3度左右（按我国12度地震烈度表计），在1800多年前的技术条件下，这可以说是一项非常伟大的成就。

张衡的地动仪创造成功了，历史上出现了第一架记录地震的科学仪器。在国外，过了一千多年，直到公元13世纪，古波斯才有类似仪器在马拉哈天文台出现；而欧洲最早的地震仪也是出现在地动仪发明1700多年以后了。

然而，由于封建王朝的统治者对于科学技术上的发明创造素来不加重视，所以张衡在地震方面的研究和发明，得不到他们的支持。地动仪创造出来以后，不仅没有得到广泛地推广使用，就连地动仪本身也不知在什么时候毁失了，这实在是科学技术史上的一大损失。

张衡地动仪的内部结构原理，史书上的记载非常简略，使人无法详知，这是很令人遗憾的。在张衡以后，我国历史上有几位科学家对于地动仪有过专门的研究。例如南北朝时的河间（今河北省河间县）人信都芳曾经把浑天、欹器、地动、铜乌、漏刻、候风等机巧仪器的构造，用图画绘写出来，并且加以数学的演算和文字的说明，并把这些资料编成一部名叫《器准》的科技名著；隋朝初年的临孝恭也写过一本《地动铜仪经》的著作，对地动仪的机械原理，作了一些说明。但是这些重要著作，也没有能够留传下来。近代中外科学家做了不少研究工作，提出了一些复原方案。1959年，中国历史博物馆展出了王振铎复原的张衡地动仪模型。但是在准确测定地震方向的问题上，王振铎的模型和《后汉书·张衡传》中的记载仍有出入。

张衡地动仪的内部机械的具体构造，虽然早已失传了，可是近年来我国的科学技术工作者，凭借他们所掌握的现代科学知识，依据《后汉书·张衡传》的有关记载，参照考古资料，经过多方面的探索，终于考证推论出1800多年前张衡制造的地动仪的机构原理，并且设计了这座仪器的想象图。

《后汉书·张衡传》中所载地动仪“中有都柱，傍行八道，施关发机”，这是地动仪的主要结构。根据许多学者的反复研究，张衡地动仪的基本构造符合物理学的原理，它同近代地震仪一样，是利用物体力学的惯性来拾取大地震动波，从而进行远距离测量的。这个原理到现在也仍然在沿用。王振铎先生比较正确地推断出这座仪器是由两部分组成：一部分是竖立在仪器樽形部位中央的一根很重的铜柱，铜柱底尖、上大，相当于表达惯性运动的摆，张衡叫它作“都柱”；另一部分是设在“都柱”周围和仪器主体相接联的八个方向的八组杠杆机械（即在都柱四周围连接八根杆子，杆子按四面八方伸出），直接和八个龙头相衔接）。这八根杆子就是《后汉书·张衡传》中的“傍行八道”，也就是今天机械学上所说的“曲横杆”。这两部分都设置在一座密闭的铜体仪中央。但因为“都柱”上粗下细，重心高，支面小，象个倒立的不倒翁，这样便极易受震动——即令是微弱的震动——而倾倒。遇到地震时仪体随之震动，只有“都柱”由于本身的惯性而和仪体发生相对的位移，失去平衡而倾斜，推开一组杠杆，使这组杠杆和仪体外部相联的龙嘴张开，吐出铜球，掉在下面的蟾蜍口中，通过击落的声响和铜球掉落的方向，来报告地震和记录地震的方向。

张衡设计的地动仪，也是他的唯物主义自然学说的形象体现。地动仪的仪体似卵形，直径和浑象同样大，象征浑天说的天。立有都柱的仪器平底，表示大地，在天之内。仪体上雕刻的山、龟、鸟、兽象征山峦和青龙、白虎、云雀、玄武二十八宿。乾、坤、震、巽、坎、离、艮、兑等八卦篆文表示八方之气。八龙在上象征阳，蟾蜍在下象征阴，构成阴阳、上下、动静的辩证关系。都柱居于顶天立地的地位，是按照古代“天柱”的说法作的布局。而其中的机关自然是采用了杠杆结构。

张衡的这一卓越发明，不仅体现了科学家的智慧和创造精神，而且也反映了我国东汉时期的先进科学文化水平，这是令我们感到无比骄傲的。

除了地动仪外，张衡还创造了另一个气象学上的仪器，这就是候风仪。以前许多人以为“候风仪”和“地动仪”是同一种仪器，据最近科学家的研究，这种认为是错误的。《后汉书·张衡传》里“阳嘉元年，复造候风、地动仪”这句话，是说张衡在当年同时创造了候风仪和地动仪两个仪器。不过《后汉书·张衡传》中没有记载候风仪的构造。现在我们把有关候风仪的情况介绍一下。

竺可祯先生在《中国过去气象学上的成就》一文里写道：“在气象仪器方面，雨量器和风信器都是中国人的发明，算年代要比西洋早得多。《后汉书·张衡传》：‘阳嘉元年，复造候风、地动仪。’《后汉书》单说到地动仪的结构，没有一个字提到候风仪是如何样子的，因此有人疑心以为候风、地动仪是一件仪器，其实不然。《三辅黄图》是后汉或魏晋人所著的。书中说：“长安宫南有灵台，高15仞，上有浑仪，张衡所制；又有相风铜乌，遇风乃动。’明明是说相风铜乌是另一种仪器，其制法在《汉书》上虽然说得不详细，但是根据《观象玩占》书里所说的：“凡俟风必于高平远畅之地。立5丈竿，于竿者作盘，上作三足乌，两足连上外立，一足系下内转，风来则转，回首向之，乌口衔花，花施则占之。’即可以知道张衡的候风铜乌和西洋屋顶上的候风鸡是相类似的。西洋的候风鸡到12世纪的时候始见之于载籍，要比张衡候风铜乌的记载迟到1000年。”

除竺可祯先生的论证之外，另外还有三项有关候风仪的资料。（一）、《后汉书·百官志》中注载太史令的属官有灵台特诏42人，其中有3人是专管“候风”这一项职务的。因此可知制造候风仪，观测气象，是张衡做太史令时职务范围以内的事情；（二）、《西京杂记》中载皇帝仪仗队里有“相风乌车”一项。依此我们可以推知“相风乌”这种仪器，不仅安置在灵台上，同时也可以装置在车辆上面。候风仪的发明可能是在张衡之前，张衡制造的候风仪虽然有所改进，但已不是特别突出的新发明，因而史籍也就不详细记叙了；（三）、北魏时信都芳所著《器准》一书，把地动、候风、铜乌并列做三项；隋代临孝恭所著的《地动铜仪经》，不带“候风”二字。因此，我们一方面可以推想铜乌和候风这两个器物的构造可能是不完全相同的；另一方面，也可以认为地动仪和候风仪是两种完全不同的仪器。

张衡在创造地动仪以外，制造了候风仪，是可以肯定的。通过这些论证，也可以窥见我国两汉时代在气象仪器上的创造和应用方面的部分情况；同时又证明张衡对职务认真负责，并能在科学研究上结合实际，善于学习前人的科学经验而有所创新改进，是我国科学史上的伟大先驱者。

(明)李可久《华州志》也记载了地震时地裂缝的概况以及人员伤亡情况。顺治《渭南县志》记载：“嘉靖乙卯季冬十二日子夜大震，声如轰雷，势如簸荡，一时公私庐舍城垣尽圮。死者数万人。地裂数十处，水涌……”

(明)张瀚《松窗梦语》记载：“嘉靖乙卯冬地震渭南、华州等处，余自出陕，经渭南县，中街之南北皆陷下一二丈许”。 万历《华阳县志》卷七记载，“民惊溃走，垣屋尽倾，知县陈希元等罹变，人畜压死不可胜计，地裂水涌，人多坠于穴，自乙卯至己末震渐方止，自古灾伤无此惨也”。

米登岳《华阳县续志》记载，“地裂数丈，水涌数尺，殿宇为之倾倒，隆庆六年三月曾重修”。

(明)赵时春《赵浚谷文集》卷八曾记载，“山多崩断，潼关道壅，河逆流，清三日，水从坼窦涌沙，没麦败田，圮屋覆灶”。

万历《白水县志》记载：“且走山裂石，涌水泛河，变异之大，’古今所未有也”。

(明)宗臣《宗子相文集》记载：“地颤山愁千万里，奇峰片片下沉水，黄河直上峰头座，忽散人家室屋里。往往屋上游赤鲤，千门万户半作鬼，广厦高宫尽成土，白日不闻父老哭”。

万历《同官县志》记载：“嘉靖三十四年大饥，十二月十二日夜地震有声，同漆二河水涨，坏公私庐舍以百计”。

嘉靖《耀州志》记载：“嘉靖三十四年十二月十二日夜，关中地大震，河水涨，井泉水溢。人死者耀州三干余人，同官二干五百余人，富平三万余人；三处坏公私庐舍以数万计。始将军山比宝鉴山高，是后二山等高，他处陵谷变迁，人死者益多”。