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历史沿革
发明背景
张衡所处的汉朝东汉时代，地震比较频繁。据《后汉书·五行志》记载，自汉安帝永初元年（107年）到汉安帝延光四年（公元125年）的十八年间，几乎年年大地震。 [4]地震区有时大到四十二个郡国， [4]引起地裂山崩、房屋倒塌、江河泛滥，造成了巨大的损失。张衡对地震有不少亲身体验。
为了掌握全国地震动态，张衡开始长年研究地动仪。
发明时间
一般认为张衡在汉顺帝阳嘉元年（132 年）发明了地动仪。
测震记录
当时利用这架仪器成功地测报了西部地区发生的一次地震，引起全国的重视。这比起西方国家用仪器记录地震的历史早一千七百多年。
汉顺帝阳嘉三年十一月壬寅（公元134年12月13日），地动仪的一个龙机突然发动，吐出了铜球，掉进了那个蟾蜍的嘴里。当时在京师（洛阳）的人们却丝毫没有感觉到地震的迹象，于是有人开始议论纷纷，奇怪地动仪不灵验。没过几天，陇西（今甘肃省天水地区）有人快马来报，证实那里前几天确实发生了地震，于是人们开始对张衡的高超技术极为信服。陇西距洛阳有一千多里，地动仪标示无误，说明它的测震灵敏度是比较高的。“地动仪”
失传千年
但由于历史久远，张衡地动仪已经失传，没有留下实物与图样，只留下一些简略的文字记载。
原理考证播报编辑
原理考证
据学者们考证，张衡在当时已经利用了力学上的惯性原理，“都柱”实际上起到的正是惯性摆的作用。同时张衡对地震波的传播和方向性也一定有所了解，这些成就在当时来说是十分了不起的，而欧洲直到1880年，才制成与此类似的仪器，比起张衡的发明足足晚了一千七百多年。
现代复原播报编辑
现代复原
1700多年前，地动仪在战乱中消失，它的模样和工作原理成为千古谜团。
日本方案
近代复原地动仪最早的是日本人服部一三。有记载显示，他在1875年就对地动仪外形进行了复原。服部一三将地动仪设计成类似桶状，立雕的龙头和蟾蜍已基本符合今天人对地动仪的认知。 [9]1875年服部一三设计的地动仪外形图
在1936年王振铎发布论文和内部结构图一年之后，1937年日本地震学家萩原尊礼也发布了他复原的张衡地动仪论文。不同于王振铎，萩原尊礼提出了直立杆原理，也就是在地动仪中间，放置一个倒立的直杆，地震时，直杆倒下，从而触发相应的机关。
中日两国在复原地动仪上的文化争论还没开始，两国之间就爆发了战事，于是，孰是孰非，就没了下文。又过了两年，日本地震学家今村明恒设计的地动仪也问世了，他延用了萩原尊礼的直立杆原理，并在直杆的下面放了三个弹簧，因为了有弹簧的复位工作，其原理近似悬垂摆，但问题是，现今还没有发现东汉应用弹簧的记载。在今村明恒进行的实验中，由于直立杆的倾倒方向与地震射线方向垂直，有悖于史书对地动仪的记载，所以，他就没有做后续研究。1939年今村明恒设计的地动仪
英国方案
英国地震学家米伦也尝试了对地动仪的复原。在1883年出版的《地震及其他地动》一书中，收录了他对地动仪的复原图式。他的设计采用悬垂法，并将悬摆突出到仪体外端。 [9]1883年米伦的地动仪复原方案
王振铎方案
王振铎模型（1951年），即“都柱”是一个类似倒置酒瓶状的圆柱体，控制龙口的机关在“都柱”周围。这一种模型最近已被基本否定。
1934年，燕京大学研究生院历史专业的学生王振铎诞生了复原史书中记载的张衡地动仪的念头，他认真地研究了史书的记载，在1936年，画出了第一套自己复原的地动仪模型图稿。这套图纸中，他按照《后汉书·张衡传》中所说“形似酒樽”记载设计了它的外形，但对于内部结构，由于史料中只有区区196字，语意模糊，他遵从了英国地震学家米尔恩1883年《地震和地球的其他运动》一书中阐述的“悬垂摆”的结构原理。也就是从地动仪的上部垂下来一根摆，用以并判明地震方向，并控制相应机关。
1936年，王振铎在第20期《燕京学报》上发表了名为《汉张衡候风地动仪造法之推测》的文章，并手绘了一套内外结构图样做论文的配图。
毕业后的王振铎担任了国立中央博物院筹备处专门设计委员，对于中国古代科技史中张衡地动仪的复原思考，不仅是他个人的爱好，同时也开始了他成长为博物馆学家和古代科技史学家的起点。
王振铎根据前人的猜测，讨论了地动仪内部可能有的各种结构，最后推断都柱的工作原理与近代地震仪中倒立式震摆相仿。具体说来，都柱就是倒立于仪体中央的一根铜柱，八道围绕都柱架设。都柱竖直站立，重心高，一有地动，就失去平衡，倒入八道中的一道。八道中装有杠杆，叫做牙机。杠杆穿过仪体，连接龙头上颌。都柱倾入道中以后，推动杠杆，使龙头上颌抬起，将铜丸吐出，起到报警作用。地动仪用精铜制成，圆经八尺，合盖隆起，形似酒樽。表面作金黄色，上部铸有八条金龙，分别伏在东、西、南、北及东北、东南、西北、西南八个方向。龙倒伏，龙首向下，龙嘴各衔一颗小铜球，与地上仰蹲张嘴的蟾蜍相对。地动仪空腔中央，立一根铜柱，上粗下细。铜柱周围有八根横杆，称为“八道”，各与一龙头相连。铜柱是震摆装置，八道用来控制和传导铜柱运动的方向。在地动仪受到地震波冲击时，铜柱就倒向发生地震的方向，推动同一方向的横杆和龙头，使龙嘴张开，铜球下落到蟾蜍嘴中，并发出响声，以提示人们注意发生了地震及地震的时间和方向。一颗珠子放在平台上，如果将哪方稍微往下一按，珠于就向哪方滚动。又如我们点亮一支蜡烛，将它放在一张不平的桌子上，它总会向低的一方倒。地动仪就是根据这些简单的原理设计的。地动可以传到很远的地方，只不过太远了人就感觉不到了，但地动仪能准确地测到。但是中国科学家认定地动仪的工作原理应该是“悬垂摆原理”，即地动仪是利用了一根悬挂柱体的惯性来验震的，而非当今历史教科书所说的在仪器底部简单地竖立一根直立杆。1951年王振铎复原的地动仪模型
王振铎的推断得到了广泛赞同。曾在中国历史博物馆陈列的张衡地震仪模型，就是根据王振铎的设计复原的。
但是，也有学者提出不同意见。中国科学技术大学李志超就曾对倒立摆结构提出过异议，他以全新的视角，提出了自己对候风地动仪的理解（参见李志超，《天人古义》，河南教育出版社，1995年版）。李志超认为，从文献角度来看，汉代字书《释名》解释“柱”，说“柱，住也”，表明柱字原义是建筑中不动的支撑件。由此，倒立摆结构不得称“柱”，只合称锥。“都”是集总之义，说明不是孤柱，应该还附带八套机关，而立锥却只能是光杆。这样，仅由“都柱”这一名称来看，倒立摆之说也不能成立。李志超进一步指出，倒立锥的设计使原文所述其他一切部件皆成画蛇添足。尤其是庞大的铜尊，毫无道理可言。再者，从物理评价角度来看，任何测量仪器的性能一般都可用两个互相矛盾的指标表征：灵敏度和稳定度。倒立锥的设计正好突出了精密计量技术这一主要矛盾。例如，为提高地动仪的灵敏度，就要把倒立锥的锥底做得很小，使之形成一个锥尖，但很小的锥尖承受巨大的重力压强，在不可避免的微小震动作用中必将逐渐形成不可逆的变形，其趋向是锥尖下面的支承面形成坑窝，锥尖变得圆滑。这一过程不可逆，而且是加速的。这样，倒立锥最终要倒下来，不管有无地震。如果为提高稳定度，将锥尖做成宽到实际不变形，那它的灵敏度必然很低，感知量比人所能察觉的还要大，地动仪也就失去了它的存在价值。
冯锐方案
另一种模型由地震局冯锐（2005年）提出，即“都柱”是悬垂摆，摆下方有一个小球，球位于“米”字形滑道交汇处（即《后汉书·张衡传》中所说的“关”），地震时，“都柱”拨动小球，小球击发控制龙口的机关，使龙口张开。另外，冯锐模型还把蛤蟆由面向樽体改为背向樽体并充当仪器的脚。该模型经模拟测试，结果与历史记载吻合。那么，地动仪的内部结构究竟什么样子，有不少学者对此作过探讨。早在南北朝时，北齐信都芳撰《器准》，隋初临孝恭作《地动铜仪经》，都对之有所记述，并传有它的图式和制作方法。可惜的是唐代以后，二书均失传。2005年冯锐提出的地动仪复原构想
2004年8月，河南博物院与中国地震台网中心组成课题组，联合研究张衡地动仪新的复原模型。直至如今，这项课题取得重大进展，课题组用“悬垂摆原理”取代了传统的“直立杆原理”。2005年4月16日，这一科研成果得到了来自中国科学院、国家博物馆、中国地震局等单位的地震学和考古学专家的肯定。专家们认为：这台复原地动仪首次把概念模型还原成了科学仪器，使之真正有了验震功能。
验收：地动仪复原模型把概念模型复原成了科学仪器。4月16日上午，河南博物院《天地经纬》专题陈列厅，由地震学、考古学、机械工程学等相关学科的专家组成的验收委员会，开始对用挑剔的眼光注视着地动仪复原模型（1/3小样）。当日下午，验收组的7位专家经过激烈讨论，最终认为：新模型首次把概念模型复原成了具有验震功能的科学仪器，迈出了复原研究的历史性一步。这个验收意见意味着，新复原的地动仪通过了阶段性成果验收，后续工作只需对某些技术细节做进一步优化，对外观做出最终确定。河南博物院副院长田凯对此感触颇深：“我们不仅在复原一件仪器，也在找寻1000多年前那位伟大科学家‘求实疾虚’的科学精神……”
心愿：一定要让地动仪模型“动”起来。1998年，河南博物院新馆建设过程中，田凯负责主持《河南古代文化之光》陈列。布置汉代展厅需要展示张衡的地动仪，当时最权 威的模型陈列在原中国历史博物馆里，它是王振铎先生于1951年设计的，这台卵状体上含有8条飞龙的模型，已成为地动仪的“标准形象”。河南博物院请苏州天文仪器研究所按王振铎的模型重新复制了一个木制模型，并提出“能否让地动仪动起来”，得到的回答是：不可能，即使是中国历史博物馆里陈列的那台也不能检测地震。但对方可以在模型下面人为地安上一个装置，让它动起来。“我们展出的是科学仪器不是玩具，这样做是对观众的欺骗。所以当时只能造一个不能动的模型，但这个情结在我心里一直存留了好多年。”田凯说。6年后，了解到国家地震局和国家博物馆的研究人员正在做复原工作。2004年8月，河南博物院与中国地震台网中心签订了合作协议，组成了课题小组，共同复原张衡地动仪。
解谜：找到“垂悬摆原理”。该课题的负责人是中国地震台网中心冯锐研究员。冯先生表示，1700多年前的地动仪究竟如何工作是首先须破译的谜团，深入研究证实，地动仪应该是“悬垂摆原理”而不是王振铎模型的“直立杆原理”。几十年来，国内外地震学界对王振铎模型的否定意见一直没有停。更有近现代西方学者认为张衡地动仪之所以失传，是因为它没有达到科学的要求，它不是个科学的东西。冯锐说：“看到这些严厉的批评以后，我们才感到问题的严重性。”历时1年多，课题组最终确认了地动仪的工作原理应该是“悬垂摆原理”，而不是“直立杆原理”。
评价：这是一次重大跨越。地动仪的历史资料，最著名的是《后汉书·张衡传》中的记载，虽然只有196个字。早期的复原工作都是据此开展的。冯锐的课题组把资料的考证和利用扩大到《续汉书》、《后汉纪》等古代文献，但相关文献的总字数也不过231个。这些资料，使他们复原的史料根据更加充分。在研制过程中，冯锐还采用了一些新技术、新方法，即利用洛阳地震台接收到的现代陇西地震记录，算出模拟的陇西历史地震的波动效应，然后把数据输入计算机，再控制特殊的振动台完成洛阳地面震动过程的复现，用这种运动信号对振动台上的复原模型进行检验和改进。验收组的专家们认为：新模型对4次实际地震事件已经实现了良好的验震反应，迈出了从概念模型到科学仪器的关键性一步，研究工作突破了古代科学仪器复原的传统模式，是一次重大的跨越。验收会结束后，中科院地质与地球物理所的滕吉文院士说：“地动仪是中华文明留给人类的宝贵文化遗产，各国科学家都在尝试复原，如果我们不把这件事做好，那就是罪过。从原理上和制作过程上讲，这台复原模型符合史料记载，符合张衡的基本思想……这台地动仪复原模型代表了现代人的认识，它在现阶段是最好的。”
2008年8月5日，受国家“张衡地动仪科学复原”课题组委托，山西夏县宇达青铜文化产业园宇达集团成功铸造完成“张衡地动仪”。其造型设计由清华大学美术学院雕塑系王培波教授等完成，新模型用优质青铜精心铸造，在新落成的中国科技馆展出。
据悉，国家“张衡地动仪科学复原”课题组由中国地震台网中心、清华大学美术学院、国家博物馆、北京机械工业自动化所、河南博物馆等多学科的专家组成，中国地震台网中心研究员、地震学家冯锐任课题组组长。
2009年，正式开馆的中国科技馆新馆展示了新的地动仪模型。该模型由中国科学院教授冯锐团队复原。 [9]
史料记载播报编辑
史料记载
【南朝】范晔(398年-445年) ,根据前人撰述的几十种有关后汉的历史著作，编写成《后汉书》。 其中《后汉书·张衡列传》记载地动仪共196字：
“阳嘉元年，复造候风地动仪。以精铜铸成，圆径八尺，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。” [1]东汉科学家张衡
【晋】袁宏（328年-376年）的《后汉纪·顺帝纪》 [2]记载地动仪：
“衡作地动仪，以铜为器，圆径八尺，形似酒樽，合盖充隆，饰以山龟鸟兽。樽中有都柱，傍行八道，施关发机；外有八方兆龙，首衔铜丸，蟾蜍承之。其牙机巧制，皆隐樽中，张讫，覆之以盖，周密无际，若一体焉。地动摇樽，所从来龙机发则吐丸，蟾蜍张口受之。丸声震扬，伺音觉知，即有龙机，其余七首不发，则知地震所起从来也。合契若神，自此之后，地动史官注记，记所从方起。来观之者，莫不服其奇。”
【西晋】司马彪（XX--306年）《续汉书》记载地动仪：
“张衡性精微，有巧艺。作地动仪，以精铜铸其器，圆径八尺，形似倾樽；其盖穹隆，饰以篆文；外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蜍承之。其牙发机，皆隐在樽中，周密无际，如一体焉。地动机发，龙即吐丸，蟾蜍张口受丸，声乃振扬。司者觉知，即省龙机，其馀七首不发，则知地震所从起来也。合契若神，观之莫不服其奇丽。自古所来，未尝有也。”（取自【北宋】李昉《太平御览·工艺部》） [3]
对于三个记载地动仪的史书，《后汉纪》比《后汉书》早约69年，《续汉书》比《后汉书》早约139年，从记载的原始性看，《续汉书》优于《后汉纪》，《后汉纪》又优于《后汉书》。
史籍考证播报编辑
史籍考证
员径八尺
《后汉书》对地动仪的记载为“员径八尺”。“员径八尺”是有不同的解释的。一段时期的主流解释说：“员是通假字。员径实际上是圆径。就是如今说的圆的直径。”尽管这种解释相当流行，但是，在考古发现放置候风地动仪的房基只有九尺宽以后，人们已经不再认为地动仪是一个庞然大物了。
员字的本意是周围。员径是周围的一圈的意思。我们常常使用的“幅员辽阔”这个词就是这个含义。这样一来，员径八尺的地动仪实际是周围八尺。可能暗合一尺一龙。看来这八尺不是信手拈来的。如果唯有这个八数和八龙无关，其余的都和八龙相关，这真有些说不过去。八尺是记载中的数值，那个尺是当时所使用的尺子。大概那时的一尺相当于如今SI制的23厘米多一点。因此八尺大概折合当今的59厘米的样子。这是一个确切的基数。以下为原内容。实为误也。
“圆径八尺”，“圆径”是圆周长，不是圆半径。圆周长八尺折合185公分，直径为60公分。这样大的仪器是合理的。1、我国最早的数学书籍《周髀算经》（约成书于公元前1世纪），记载圆周率是“径一周三”，三国时期，数学家刘徽认为“古之九数，圆周率三圆径率一，其术疏舛。”而把圆周率推算到3.1416，世界领先上千年。可见，现今和汉代对圆形各部术语不同，如今的圆周长当时叫做“圆径”、圆半径当时叫做“圆周”；2、一般是先制作仪器，之后根据仪器大小建筑专用安置房间。1975年，河南省考古队在洛阳市南郊，发掘出土了一座搭建在山坡上的建筑。这就是建于东汉建武元年“公元25年”著名的灵台。灵台是古时帝王用来观天象，占幸运，卜吉凶的高台建筑。经资料考证“张衡地动仪”也曾经放置在这里，并进行过地震观测。该建筑室内只有2.2米见方，地动仪若是半径八尺（1.85米），放进去就没有活动余地了，显然不合适，应该另建更大的。若直径是60公分，只占地面总面积的九分之一，还有很多空间，可放些配套设施，如计时刻漏等；3、任何器具以用为本，在完成功能的前提下又利于制作和操作，体积尽量小，不是越大越好。地动仪直径1.85米实无必要，而直径是60公分，无论是制作、搬运、安放、操作、观察等都方便。
中有都柱
“中有都柱”，指正中有都柱。“都柱”是专用名词。当时从西方传入一种杂技叫“都卢”，在张衡的《西京赋》里描写西京热闹景象时就有“都卢寻橦”，说的就是这种杂技，“寻”是攀援，“橦”是柱子，演员在柱子上攀援表演惊险动作。演员使用的柱子就叫“都柱”。都柱有两种，一种是上下端固定的，一种是上端固定下端游离，可自由摆动，后者表演难度更大。如今仍有该项目叫“爬杆”。都卢是音译，而都柱则是本地名称。就像“坦克”是外语音译，而其各种部件（履带、炮塔等）就用本国名称了。测定地动必须有个相对不动的物体，动体和不动体之间产生压力带动仪器活动。张衡设计地动仪时一定由此出发寻找目标，他在观看都卢表演时受到启发，或者进一步做了实验，晃动周围立柱时悬吊的都柱相对不动。因此利用了都柱原理。
都柱，候风地动仪最主要的部分就是都柱。其结构未知。仅从外形看应该是一个柱子。这是毫无疑义的。关键是那个柱子如何候风。当它候到来风之后又是如何知会关去发机的呢。把它仅仅想成一个粗大的柱子是不是太天真了。都字的一个解释是“天子所宫曰都。”可以理解为“那个谁都管的‘头头’住的地方叫都”。如果地动仪的主管是候风“君”，它住在那个地方是不是可以叫“都”哇?如果候风君的宫殿是一个柱子的外型。把它叫“都柱”应该没有不可以的地方。以前解释都柱为“大柱子，粗大的柱子”这没有什么不对的地方。都柱看上去确实又高又粗（相对）。就像你看见某处的一个水塔或带有除尘的大烟筒。你一定不会反对水塔里边有提水的动力设备，不会反对烟筒里边有除尘、降低有害气体的净化设备。这样你也不会反对都柱里边有候风设备。又见“宫曰都”之宫乃一统称。故知都柱绝非一实芯吊柱也。都柱居中因“中有都柱”。因此推知其里必有候风设备。
都，大也。天子所宫曰都。
柱，直立之木曰柱。引申凡直立着皆曰柱。如河中之山曰底柱。筝之支柱曰筝柱。
宫，垣内群室之总名。古者周垣之内统名曰宫。
中，不偏之谓中。口象四方，一竖界其中。央四方之中曰央。
两项关键技术
1、 “地动摇尊，尊则振，则随其方面，龙机发，即吐丸”。该技术是测报地震纵波的关键。由“机、关巧制”结构来完成。如《合并图册》。
地震纵波使尊体同向移动，关端触及顶柱（相对不动）而后移，连杆上端反向移动而发机，龙口张开铜丸落下。完成报震。
2、 “虽一龙发机, 而其余七首不动”。该技术是定向功能的关键。由“尊中有都柱，傍行八道”的特殊结构来完成。如《