胡寧生所制地動(dòng)儀內(nèi)部構(gòu)造圖

　　李 戈

　　近日，82歲的天文儀器專家胡寧生通過(guò)嚴(yán)密的理論分析與復(fù)雜的模擬實(shí)驗(yàn)，成功“復(fù)原”了張衡候風(fēng)地動(dòng)儀機(jī)械原理模型。中科院自然科學(xué)史研究所和中國(guó)科學(xué)技術(shù)史學(xué)會(huì)的專家在南京對(duì)該復(fù)原模型進(jìn)行論證，認(rèn)為該模型是目前對(duì)原文記載還原度最高、未用到古人完全無(wú)法企及的現(xiàn)代技術(shù)，且原理也很科學(xué)的復(fù)原方案。

　　現(xiàn)有模型遭遇瓶頸

　　在中國(guó)國(guó)家博物館，擺放著一件神秘的古代候風(fēng)地動(dòng)儀的復(fù)原模型。據(jù)史書(shū)記載，候風(fēng)地動(dòng)儀為漢代著名科學(xué)家張衡所制。傳說(shuō)某天，地動(dòng)儀上的巨龍口內(nèi)所含銅丸突然掉落。數(shù)日后快馬來(lái)報(bào)，龍頭所指的隴西地區(qū)果真發(fā)生大地震。這臺(tái)精妙的儀器是人類第一臺(tái)地震儀器，為古代通訊不便時(shí)預(yù)測(cè)地震起到了重要作用，其精妙的原理和功效備受世人贊嘆。

　　可惜的是，在西晉末年，候風(fēng)地動(dòng)儀徹底消失，今人無(wú)緣再見(jiàn)地動(dòng)儀的原貌，關(guān)于地動(dòng)儀的外形只有片語(yǔ)留存在西晉時(shí)的《后漢書(shū)·張衡傳》中：“以精銅鑄其器，圓徑八尺，形似酒樽，其蓋穹隆，飾以篆文、山龜鳥(niǎo)獸之形。樽中有都柱，傍行八道，施關(guān)發(fā)機(jī)；外有八方兆，龍首銜銅丸；下有蟾蜍承之。其機(jī)關(guān)巧制，皆隱在樽中。張訖，覆之以蓋，周密無(wú)際，若一體焉。”

　　雖然張衡的候風(fēng)地動(dòng)儀不知所蹤，但古今中外許多學(xué)者均注意到了中國(guó)的張衡和他創(chuàng)制的地動(dòng)儀。為再現(xiàn)古代驚世之器，日本明治時(shí)期的著名學(xué)者服部一三曾將文字記載的外觀畫(huà)成圖紙，卻沒(méi)能再現(xiàn)地動(dòng)儀的神奇功效。英國(guó)地震學(xué)家米倫根據(jù)張衡地動(dòng)儀的記載和服部一三的圖紙，于1892年制成一部高3.5米的懸垂擺地震儀，并將候風(fēng)地動(dòng)儀的科學(xué)原理展現(xiàn)給世界。除此以外，曾經(jīng)的復(fù)原模型多達(dá)十幾部。

　　然而，縱觀這些復(fù)原儀器，要么是設(shè)計(jì)得過(guò)于“簡(jiǎn)單”而實(shí)現(xiàn)不了地動(dòng)儀測(cè)震的功能，要么就是設(shè)計(jì)得過(guò)于“先進(jìn)”而引進(jìn)了現(xiàn)代機(jī)械學(xué)的原理�，F(xiàn)存放在中國(guó)國(guó)家博物館的地動(dòng)儀模型是著名史學(xué)家王振鐸于1951年設(shè)計(jì)的，該模型的工作原理和外形得到國(guó)內(nèi)認(rèn)可，我國(guó)的中小學(xué)教材及其他宣傳材料中出現(xiàn)的均是該模型。但隨著研究的深入和資料的豐富，這個(gè)模型的弊端也逐漸曝露。因?yàn)榈貏?dòng)儀是地震學(xué)的一種專業(yè)儀器，復(fù)原模型必須能夠自動(dòng)區(qū)分出地震和非地震，否則就失去了所蘊(yùn)含的科學(xué)價(jià)值和社會(huì)意義。而幾乎所有的復(fù)制品遇到近處震動(dòng)，如大批人走動(dòng)或地面施工等均有反應(yīng)，這一缺陷成為地動(dòng)儀復(fù)制的瓶頸。

　　迄今還原度最高的地動(dòng)儀

　　近日，原中國(guó)科學(xué)院南京天文儀器研制中心的老專家胡寧生，根據(jù)原始文獻(xiàn)的記載，通過(guò)嚴(yán)密的理論分析與反復(fù)的模擬實(shí)驗(yàn)，克服了地動(dòng)儀復(fù)原中的瓶頸問(wèn)題，重新“復(fù)原”了張衡地動(dòng)儀機(jī)械原理模型。

　　據(jù)《后漢書(shū)》記載，地動(dòng)儀的內(nèi)部 “中有都柱”。“都柱”即為立柱。此前許多學(xué)者曾認(rèn)為“立柱式”不可行，因?yàn)橄胍_(dá)到高靈敏度，“立柱”需做得“細(xì)如發(fā)絲”，而這么細(xì)的柱子根本立不起來(lái)。因此，以往的復(fù)原模型多拋棄記載中的立柱式，采用懸垂擺的方式。而胡寧生采用被拋棄的立柱式，集中解決正確設(shè)計(jì)立柱這一問(wèn)題。復(fù)原模型的核心部件由一根近2米高、直徑為80毫米的空心鋁管組成。它的“玄妙”之處在于立柱的著地處。胡寧生說(shuō)：“打個(gè)比方，整個(gè)立柱就像一根被削過(guò)的鉛筆，筆芯被削得很細(xì)，但是筆尖處我們將它弄平�！�

　　其次，為滿足監(jiān)測(cè)震動(dòng)所需的靈敏度，立柱“著地處”的要求非常高，甚至連肉眼看不見(jiàn)的一�；覊m都會(huì)產(chǎn)生影響；此外，著地處在立柱多次傾倒后，需保證邊緣不能被絲毫壓凹，否則多次測(cè)震后立柱將無(wú)法直立。因此立柱的著地接觸面必須精益求精，絲毫失誤都會(huì)導(dǎo)致測(cè)震失敗。為此，胡寧生設(shè)計(jì)的復(fù)原模型的著地處為凹面，這樣既便于豎立，又保證即便有灰塵等異物也會(huì)落進(jìn)凹陷區(qū)，不會(huì)對(duì)模型造成影響。此外，立柱下的支撐面也采用極硬的軸承鋼板，保證著地件與支撐件經(jīng)過(guò)數(shù)次“接觸”后雙方都不會(huì)變形。

　　再次，由于未經(jīng)平衡處理而偏重的立柱會(huì)向四周亂倒，因此立柱的重心必須精確調(diào)整到著地處中心的正上方。在模擬實(shí)驗(yàn)中，胡寧生地動(dòng)儀下方的底盤(pán)用可控的加速度控制器給出輕輕的推動(dòng)力，能夠?qū)崿F(xiàn)立柱倒下去的方向就是應(yīng)有的方向。倒下后，模型外部的小球隨之落下。該模型實(shí)現(xiàn)了即使多人在地動(dòng)儀旁邊跳躍也不會(huì)讓立柱傾倒這一復(fù)原難題，使地動(dòng)儀真正實(shí)現(xiàn)測(cè)震的功效。

　　不過(guò)，由于強(qiáng)地震波在超過(guò)約600公里以后就不會(huì)按照直線傳播，因此該地動(dòng)儀的驗(yàn)震距離在600公里以內(nèi)。而且，受慣性影響，試驗(yàn)中會(huì)有約10%的誤差，使立柱倒向地震的相反方向。此外，在實(shí)際測(cè)震中，地動(dòng)儀只能測(cè)定地震發(fā)生的大致方向，不能精確定位地震位置。當(dāng)然，張衡設(shè)計(jì)的地震儀也做不到這一點(diǎn)。

　　業(yè)內(nèi)專家高度評(píng)價(jià)復(fù)原技術(shù)

　　由于候風(fēng)地震儀僅靠文字流傳下來(lái)，因而后人的復(fù)制難免添加了各種科學(xué)想象和推測(cè)。但是這種科學(xué)想象的復(fù)原對(duì)中國(guó)文化的傳承與傳播是有積極意義的。雖然胡寧生的地震儀復(fù)原模型中使用了高強(qiáng)度材料等現(xiàn)代技術(shù)產(chǎn)品，然而中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授李志超認(rèn)為：“現(xiàn)代人復(fù)原古人的技術(shù)不可能做到一模一樣，當(dāng)今材料的運(yùn)用也不可避免。但是必須尊重當(dāng)時(shí)的知識(shí)背景和技術(shù)背景，對(duì)器物的物理分析要符合當(dāng)時(shí)的狀態(tài)�！敝锌圃鹤匀豢茖W(xué)史研究所研究員孫小淳指出：“在吸取了之前各種復(fù)原方案的經(jīng)驗(yàn)后，這次的復(fù)原模型無(wú)論從外形還是原理，都更接近文獻(xiàn)記載�！�

　　此外，中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所研究員胡維佳表示：“過(guò)去王振鐸的立桿模型遇到了困難，所以有人采用‘懸擺’模型�，F(xiàn)在胡先生的模型，等于又把話語(yǔ)權(quán)拉回‘立柱’模型，與古籍記載更加符合。而且通過(guò)胡先生細(xì)致的研究和試驗(yàn)，解決了‘立桿’模型原來(lái)遇到的問(wèn)題�！�