山龜鳥獸，八方兆龍
——候風地動儀研究
本文收錄于《第九屆中國機構與機器應用科學國際會議（CCMMS 2011）》論文集
中華機械文化遺產(chǎn)研究會
摘要：本文從歷史文獻與機械感震技術融合理解的角度探索了張衡候風地動儀的感震機制。在候風地動儀的全部組成件中，“都柱”是接收地震信息的第一感應件。“候風”二字取與地震相關的釋義，是對古老的捕捉地震信息經(jīng)驗的總結和提升。在地震的時候，地震“風”一定會打擊預先妥善設定的“候”。據(jù)此形成的候風地動儀的干井長柱式感震設計推斷，具備當初可以達到的認識水平和技術水平。使用現(xiàn)代地震知識可以進一步說明這個創(chuàng)造具備了符合自然規(guī)律的特征：它具備了感震測向的前提、時間、距離、深度和成功的概率。在人類認識地震的歷史進程中，張衡建立了引領人類跨入感震、測向節(jié)點的歷史性貢獻。
關鍵詞：候風，都柱，地動儀，感震
張衡（78——139）的候風地動儀[1]，盡管主流公認是世界最早的地震儀，但近兩千年來其感震機制一直未能出現(xiàn)令人信服的有力分析。因此，國外個別的學者如米爾恩、戴維森、諾特等開始對其真實性產(chǎn)生微詞[2],而國內(nèi)教科書關于如何表述候風地動儀的問題也廣受爭議，一度引起輿論媒體的重視[3]。
候風地動儀歷史上曾進行過公開測試，且被證明其感震功能完全有效。這個歷史記載說明了失傳的候風地動儀在科技史上的真實存在，也可以推論其在一定條件下被后人復原的可能。雖然后續(xù)研究者不可能百分之百地復原古代失傳機械，但可以逐步爭取最大限度地貼近原型，做到本質上一致。本文對候風地動儀感震機制和基本構造進行了探索，提出與現(xiàn)有研究成果有所區(qū)別的解析方案，供讀者分析、比較、參考。
1候風地動儀的研究狀況
歷史上，曾有多位知名學者對候風地動儀的感震機制進行過研究。近現(xiàn)代知名的主要有竺可楨、范文瀾、李約瑟、王振鐸、王湔、李志超、馮銳和王鵬飛等人的研究。這些研究在三個決定復原成敗的關鍵問題上進行了仔細的分析，為最大限度貼近原型做出了探索。
1.1“候風”、“地動”是兩器還是一器
竺可楨認為張衡的候風地動儀實際上是候風儀與地動儀兩種儀器，他依據(jù)的是《三輔黃圖》[4]。
范文瀾在《中國通史簡編》中按竺可楨的意見,把張衡的候風地動儀作為兩種儀器分開記載，但是他注意到《三輔黃圖》所記的不叫“候風儀”,而是叫“相風銅鳥”[5]。
李約瑟的《中國科技史》中《地震學》部分明確以“張衡又發(fā)明了候風地動儀(即地震儀)”的說法入載，僅在句的注④中記錄:“竺可楨在給作者(即李約瑟)的一封私人信件中說,他的論證是以《三輔黃圖》中談到候風鳥的一段話作為依據(jù)的。但是我們未能在這本晉代的古書中找到任何與候風儀有關的資料。”[2]以后的研究都比較重視探討“候風”兩字作為地動儀冠名的可能。
候、風兩字的內(nèi)涵存在與古代感震機制可以融合的釋義，候風地動儀是一件器械的完整名稱，“地動儀”則是其簡稱。
1.2“都柱”究竟是何種構造
候風地動儀有一個關鍵件，稱為都柱。以往所有的學者設計的都柱[6]、[7]、[8]、[9]、[10]都體現(xiàn)了深入慎重的復原思考，都有優(yōu)秀的后續(xù)動作設計，各自成為一個完整的系統(tǒng)。在關鍵的靈敏度問題上，都具備“牽一發(fā)而動全身”的精密構思。只要銅尊發(fā)生極微小的傾斜或水平位移，所有設計都能夠準確發(fā)出表示地震的龍吐珠警報。此外，這些設計還有一個共同特征，即都柱整體都在銅尊的尊底以上，感受的是銅尊傳遞給它的震動，依賴銅尊的動作而動作，是地震的第二感震件。
這個特征沒有確切表達張衡候風地動儀的感震機制?？梢詮?“都”字的釋義出發(fā),探討都柱為候風地動儀第一感震件的可能。
1.3是銅尊的尊體還是尊內(nèi)機關啟動龍吐珠
2005年，王鵬飛在《張衡候風地動儀功能測試和感震原理的探討》[11]一文中對“尊動論”有一段精彩的分析：“地震波振動與由地震引起的地動山搖并不相同,后者振動受地層結構及建筑結構影響，所以其振動方向不與地震波方向一致。銅尊如有振動則屬于后者,它不屬于地震波性震動。這種振動方向必然混淆地震波振動方向,必須排除?！?/p>
銅尊主要是一個排除干擾的機罩兼裝配組件的機架，而非地動儀中的第一感震件。如果由銅尊震動引起龍吐珠動作，那么龍吐珠代表的地震方向將會與實際發(fā)生很大偏差。
2候風地動儀的感震機制與復原思路
2.1文獻字句理解
后漢書《張衡傳》中對候風地動儀的記載是：“陽嘉元年復造候風地動儀以精銅鑄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(fā)機外有八龍首銜銅丸下有蟾蜍張口承之其牙機巧制皆隱在尊中覆蓋周密無際如有地動尊則振龍機發(fā)吐丸而蟾蜍銜之振聲激揚伺者因此覺知雖一龍發(fā)機而七首不動尋其方面乃知震之所在驗之以事合契若神自書典所記未之有也嘗一龍機發(fā)而地不覺動京師學者咸怪其無征后數(shù)日驛至果地震隴西于是皆服其妙自此以后乃令史官記地動所從方起”。（196字）[1]
該段文字中,整體與部件名稱中候風與都柱的確切含義、動作程序中尊則振龍的描述實質、銅尊外觀中員徑八尺的構造目的容易發(fā)生與復原構造相關的理解分歧，需要詳細研究。
2.1.1都柱
一般字、詞典對都柱①的解釋都以張衡候風地動儀為出處，很難查到都柱用于張衡候風地動儀以外的地方。字、詞典對都柱一詞的解釋也僅為“張衡候風地動儀內(nèi)部的一根柱”，沒有展開分析。
張衡用一個都字來描述這根柱，是否意味著這根柱在儀器中的功能可以抽象為一個都字？
古文都②字有許多解釋，其中包含“四面八方向一處匯聚”。如古代釋之為“澤中有丘，蟲鳥都聚”，就非常形象地表達了這一層意思?，F(xiàn)代地震知識告訴我們，假如不考慮干擾因素和波的衰減量的話，在地殼任意一點都可以收到來自地球各個位置的地震波[12]。張衡所在的時代雖然還沒有波的概念，但是古人通過對“地震”與“地水”之間關系[3]的長期觀察和經(jīng)驗積累，早已了解了地震消息在地面以下四處傳遞的現(xiàn)象。因此，都字取“四面八方向一處匯聚”之義較為接近。
用在地動儀部件名稱上的都字所匯聚的，應該就是指四面八方地震在地下傳遞的消息。都柱一詞相當于“接納四面八方匯聚之柱”。這樣理解，這根柱就是整個器具中被張衡設計為承擔直接感受地震任務的件，即“感震之柱”。張衡使用都字描述這根柱，十分干練和確切地表達了“柱”屬于直接感震件的功能定義。
對古樸的井中觀震經(jīng)驗的分析可以獲取“地下深處對地震的反應可能比地面靈敏”的直接經(jīng)驗。因此采用上述將文字與地震現(xiàn)象融合理解的方式，又可以形成對都柱構造位置的理解：它一定被深埋于地面以下更靈敏地感震。
如果先讓其它組成件感受地震，再讓都柱從其他組成件中繼而感受，信息來源就與都字無關，這根柱就不可能稱“都柱”。因此，本文認為，既稱為都，這根柱就是地震的第一感震件。
2.1.2 候風
張衡以候風二字命名地動儀具有針對性，準確表達了古樸的感震機制。
先看候字。候字源出于侯④。“侯，射布也”。古代還有侯弓⑤之詞，意為射侯之弓，侯字解釋為靶子。感震系統(tǒng)要想有效，能不能妥善地設定一個靶子(現(xiàn)代稱為傳感器)，使地震發(fā)生時，傳遞地震消息的物質可以作用于它，讓它得到感覺,是設計成敗的關鍵。這個靶子稱為侯，符合古漢語的表達。
《孔氏曰》侯，候也。闡述了該二字在本質上的一致。侯與候在古代僅有級別上的差異。古以射選賢，君王選中的就是諸侯。被諸侯選中的就是侯側之人，古語在侯的左側再加了一個單人旁，也就是現(xiàn)在寫法的候。根據(jù)古代禮儀，他們射的侯有顏色、圖像等多種區(qū)別。由于此處所涉的是器物，文獻避諱了重要爵名,使用了候而不是侯，應屬可以理解。
再看風字。風在現(xiàn)代日常表達的是地面以上的空氣運動。在古代，風字有多種解釋。
首先從文字間的呼應來看，將候理解為靶子以后，風就可以相應理解為作用于候的力。從力的角度分析，風具有快速、無形、有力、有方向的特點。張衡選擇風來描述這個作用于候的力，準確表達了地震傳播過程中同樣存在的力的以上四個特質。
其次，把這種隨地震同步在地底下傳遞消息的現(xiàn)象描述為風⑥，也符合古代對風字的另一種使用習慣。例如成語“聞風而動”之風：風即為傳遞著的消息之意。
另外古代還有“風動萬物”之說。既動萬物，就包括了地下之物，撼動地下之物的就是地下之風。風動萬物，亦必動候。在地震的時候，地震風刮到（沖擊到、作用到）預先妥善設定的候，候吸收沖量以后立即轉化為動量釋放，引出后續(xù)反應，報告地震發(fā)生。候風這個名稱交待了該地動儀屬于被動感知類地震儀器的性質。以候風二字冠名表達感震機制（本文稱為“候風機制”），充分體現(xiàn)了張衡用字用詞的針對性以及準確性。
一個引申的問題：為什么都柱不叫侯柱？原因很簡單:若稱為侯則不能象都這樣表達柱 “從四面八方獲取，反饋到四面八方”的完整功能。
2.1.3尊則振龍
對尊則振龍的理解可以分出兩個不同的觀點：1.尊僅指殼體，殼體將震動傳給都柱，都柱啟動機關；2.尊是指包含感震構造的整體，而非單純指殼體，從感震開始有一系列內(nèi)部動作，最終表現(xiàn)為外部可以看見的龍吐珠。
文獻中有“嘗一龍機發(fā)而地不覺動京師學者咸怪其無征后數(shù)日驛至果地震隴西”的記錄，對于探索候風地動儀構造的參考重點是“地不覺動”而“一龍機發(fā)”。此處的“覺”,應該包括動覺與視覺。這句記載傳遞了兩個信息：1銅尊不是感震件；2候風地動儀有可以直接在地下感震的深埋件。
地不覺動說明該記錄所指的地震風到達測點時已經(jīng)衰減到對地面物體的作用力微乎其微，無法感知。尊作為一個孤立的殼體來說其動力來自于地面，地面不動，它也就根本無法獲得振龍的動力。但是“一龍機發(fā)”證明地震風終究還是被候風地動儀感受到了，那么其測點就不可能在地面。此處把古文中的尊理解為包含感震構造的整體時就顯得容易合乎邏輯：地動儀有不在地面的重要部件。這個部件就是“接收地震信息的第一感震件”，就是都柱。在地面不動的時候，是都柱從地面以外的地方——地下深處獲得信息，引發(fā)了一系列動作。
2.1.4員徑八尺
文獻記載“員徑八尺”，是指銅尊的直徑。銅尊如此之大，究竟目的何在？銅尊的底下有一口預先設計的干井。干井設計出于回避淺表土層與都柱接觸和深埋都柱的構造推斷。銅尊做成這么大的直徑，目的是為了罩住這口干井。古時沒有可以將直徑控制得較小的鉆井機，全靠人力。井挖得深時，井口相應也要放大，便于開挖。員徑六尺時，開挖的人已經(jīng)可以輕松團轉挖至所需深度，也足以安裝都柱，并可以保證都柱有足夠的直徑。由此推測井的開挖外徑一定小于八尺。銅尊八尺，可以安全完整地罩住干井。
水的波動會干擾都柱傳遞信息的靈敏度，干井則可以有效隔絕地表無關震動對都柱的影響。在干井條件下，固定于井底深處的都柱所采集到的信息將直接到達頂端。
2.2 地震波規(guī)律對構造的約束
侯風地動儀雖然在設計制作的時候還不具備現(xiàn)代知識，但是他既然事實上制成了能夠感震測向的地動儀，就一定在構造的原理上與現(xiàn)代對地震規(guī)律的研究結果有相近之處。
地面以上設計都柱的方法一直沒有說明其測向的理論依據(jù)，一直無法排除國外關于候風地動儀的非議。這些非議的依據(jù)是地震波在地面的運行規(guī)律：地面以上根本就不存在單機測向的任何可能。所以必須討論地震波規(guī)律對構造的約束，才有可能比較合理地認識候風地動儀原設計的思路。
干井長柱的構造如果是將都柱固定于井底深處的巖石層，直通地面而不與表層泥土接觸，其對地震波規(guī)律的符合性就不同于在地面以上設立都柱企圖獲取方向信息的構造，也不同于在尊內(nèi)設立都柱成為第二感震件的構造。
干井構造的推斷符合了機械感知地震方向的二個前提：第一是排除無關信息的干擾，第二是排除機械運動時的阻礙。在一定的距離、一定的深度內(nèi)，這個構造有50%測準方向的可能性存在。
2.2.1
P波在地下的推進雖然俯視時是直線運動，但側視卻不是直線。通過不同介質的界面時P波會折射；在不同密度的介質中，推進的速度、衰減量的大小不一樣；地球自轉也賦予P波一個離心力。這些都在與地面垂直的方向扯動了P波的直線性，地球的地質密度分布也迫使P波運動向地表彎曲。P波按照質點軌跡描述的方法，實際上側視是一個類弧線，弧線的末端是地面。從感受方向的角度分析，中遠距離的P波在地下的絕大部分路程都具備水平分力，力的指向是正負震中。
但是，中遠距離攜帶水平方向信息的P波多位于地幔，其深度人不可及。當其進入最后的淺表時已經(jīng)接近與地面垂直，無法測出水平方向。不過，在震中區(qū)以外、距震中800公里左右以內(nèi)的情況不一樣。在這個距離內(nèi)，P波的一部分沒有進入地幔，始終在巖石層穿行，最后穿出地表。這部分在它尚未穿離巖石層之前屬于相同介質內(nèi)的運動，始終攜帶水平方向的信息，這就使800公里內(nèi)的硬巖層具備了具有水平分方向的彈動。過了800公里左右的距離，硬巖層里面就全部是地幔折射回來的P波而沒有這一部分P波了。
再看P波在地面與空氣中的狀況。美國著名地震學家的實驗分析證明：地下崩塌造成的P波，到達地球表面任何地方時初動都是地面向下運動，地下核爆炸造成的P波，到達地面任何地方都將引起地面初動向上；由斷裂破裂產(chǎn)生的P波，初動在兩個相背的象限里推動地面上隆，在另外兩個象限里把地面向下拉。這說明p波在突破地表空氣界面前的折射方向已經(jīng)與地表垂直了：面向天空，轟然而去。人們直接經(jīng)驗到的每一次有感覺的地震無論發(fā)生距離的遠近，最初的感覺都是上下振動，就是這個原因。這證明P波穿出地面的前后已經(jīng)不再攜帶水平方向信息。即使在800公里以內(nèi)，地面下有限深度和空氣中也同樣如此。
候風地動儀當初“一龍機發(fā)”所測地震離測點在600公里左右，具備了測向的距離因素。
2.2.2 都柱的深度位置
都柱固定于巖石層。巖石層到地表的距離是與地質狀況相關的，深淺不一。巖石層是人可以達到的深度。我國古代開挖深井的技術世界領先，漢代已經(jīng)可以挖到地下500米的深度。黃土層雖然總體是比較厚的土層，但即使較深的地方也不過200米略過一點，一般很容易找到距離地面20——30米深度的巖層。由于古代開挖畢竟人力耗費巨大，所以靈臺選擇的地方有可能巖石層較淺。考察靈臺測點附近巖石層與地表的相對位置，就可以判斷當初候風地動儀的都柱向下深埋的尺寸。
候風地動儀的都柱只要固定于巖石層，它就具備了800公里內(nèi)測向的深度因素。
2.2.3
P波全程在膨脹波段與收縮波段間反復循環(huán)。候風地動儀的機械感震裝置的測點是一個定點。如果有效掃過測點時是膨脹波段，就與震源方向一致，如果是收縮波段，就與震源方向相反。無法確定P波最初有效作用于測點的是哪類波段。因此，即使機械感震裝置處于可以感受到P波的距離和深度位置，其表達方向的準確率也只有50%。這與現(xiàn)代利用P、S波時間差測距、加上多測點所獲距離的弧線相交法準確定向的科學性是無法比擬的。
依據(jù)以上分析，候風地動儀測向效果是非正即反，概率各50%，可見某一次測定結果為正向的可能性是存在的。
2.3樸素而有效的感震機制
古人觀察地震時早已積累了“井中觀震”的經(jīng)驗。這個經(jīng)驗突破了淺表局限，豐富了人類觀察地震的視覺渠道。候風地動儀以都柱為第一感震件，依據(jù)了這個經(jīng)驗，將感震渠道同樣設定在地表以下。張衡的創(chuàng)造思路是:將古老的視覺渠道觀震拓展成為動覺渠道感震。這個感震機制雖然達不到現(xiàn)代科技對數(shù)據(jù)的要求，卻可以有效判斷出實際的震與未震。
自張衡將“井中觀震”發(fā)展為“井中感震”以后的這些年，“井中感震”隨著科技的發(fā)展而不斷成熟完善，至今已經(jīng)進入了“井中測震”的新階段。海南的數(shù)字化監(jiān)測井就能夠監(jiān)測到震中遠在2000多公里之外的汶川的地震波[13]。
2.3.1靈動放大報信裝置2000年前可以實現(xiàn)制作
詳細列出一種（可以有多種）核心動作過程要求，并交代各相關件作用如下：
要求都柱在獲得感知以后要有發(fā)出信號的功能，這個功能應該是一個帶有方向的運動。將一根較細的青銅棒和粗長都柱的上端連為一體。當都柱受到震動以后，上端的青銅棒具有彈性，可以放大這種震幅。而且結束震動以后可以主動復位。
都柱帶有方向的運動應該產(chǎn)生另一個部件的動作以實現(xiàn)力的放大。都柱的銅棒頂端應當有一個錐臺型件，上面平穩(wěn)安放一個缺冠的銅球體，缺冠平面置于平臺。銅球體在晃動中越出錐臺上平面，并沿錐面自動避開縫隙，斜向滑落進入八道之一，下滑過程實現(xiàn)了力的放大。
這個放大了的力量應該足以打開杠桿系統(tǒng)。龍頭杠桿內(nèi)外各半，外重于內(nèi)，平時可以壓住龍口銅珠。內(nèi)部長臂雖然較輕，但是加上銅球滑落的撞擊力，總慣量卻在瞬間大于外部，迫使外部龍口向上打開。
杠桿系統(tǒng)釋放銅珠，撞擊蟾蜍，形成音效報信。龍口咬合時銅珠依靠重力定位于龍口內(nèi)，龍口打開后的落珠過程是第二次力的放大：撞擊蟾蜍以后產(chǎn)生較大的聲響，完成報信。
與上述過程相關的諸件以銅澆鑄件為主，沒有一件是漢代無法制作的部件。
2.3.2純機械地動儀的功效與缺陷
依據(jù)本案思路復原候風地動儀必然會存在以下特征：1不受周邊非地震性震動影響。這是干井隔絕的作用。2可以感受到800公里以內(nèi)的P波，并作出45度范圍以內(nèi)的方向反應。3這個方向反應存在正負表達的相同幾率。 4無法判斷強度和烈度。
3結論
本文對文獻記載候風地動儀的關鍵文字闡述了另一種理解方式，闡述了候風地動儀設計必然受到地震波運動規(guī)律局限的觀點，闡述了符合上述兩點的靈動放大報信裝置在張衡年代技術水平下成功制作的可能性，希望可以豐富候風地動儀復原工作的參考。
人類認識地震包括了觀震、感震、測震、預報地震四個歷史階段。張衡的努力與貢獻表現(xiàn)在以下方面：“地震時可以感受方向信息”認識的建立、捕捉這種方向信息的有效努力——感震途徑的發(fā)現(xiàn)、機械感震技術的創(chuàng)建、靈動放大報信裝置的創(chuàng)制與成功的測向實踐。
候風地動儀是兩千年以前冠絕世界的“系統(tǒng)工程”。雖然現(xiàn)代傳感技術早已淘汰了機械感震技術，但是張衡依然是引領人類突破迷茫無奈的被動觀震狀態(tài)實現(xiàn)主動感震的第一人，在人類認識地震、有效預報地震的頑強、持續(xù)的努力中，他歷史性解開了一個關鍵環(huán)節(jié)。
注釋：
①
②
水流匯聚，亦指水流匯聚之所。漢語大詞典
⑼ 水溪所聚謂之都 水經(jīng)注·文水 辭海
③
④
⑤
⑥《唐韻》方戎切《集韻》方馮切《正韻》方中切，𠀤音楓。風以動萬物也?！逗訄D》風者，天地之使?！对逢涥柵鵂戯L?！吨芏Y·春官·保章氏》以十有二風，察天地之和命，乖別之妖祥?？滴踝值洹拘缂隆俊撅L字部】風
⑿消息。漢語大詞典
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