曆史記載
在中國科學史上,沒有什麼比候風地動儀更為引人注目。它的發明者是東漢大科學家張衡。
《後漢書·張衡傳》詳細記載了張衡的這一發明:
陽嘉元年,複造候風地動儀,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,旁行八道,施關發機。外有八龍,首銜銅丸,下有蟾蜍,張口承之。
其牙機巧制,皆隐在尊中,覆蓋周密無際。如有地動,尊則振,龍機發,吐丸而蟾蜍銜之,振聲激揚,伺者因此覺知。雖一龍發機,而七首不動,尋其方向,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,而地不覺動,京師學者鹹怪其無征,後數日驿至,果地震隴西,于是皆服其妙。自此以後,乃令史官記地動所從方起。
周圍
有八條滑道,稱為“八道”。儀體的外部裝有八條龍,分布在八個方位,龍口各含銅丸一個,龍頭下方各放置一個張口向上的銅蛙(蟾蜍)。
儀體内部裝有機關,與體外龍頭相連,一旦發生地震,機關被觸發,龍口打開,銅丸落入銅蛙口中,發出聲音,使掌管人知曉,并能判明地震來源的方向。顯然,地動儀是利用物體慣性制成的儀器。
張衡通過自己巧妙的設計,使地震時儀體與都柱之間産生相對運動,利用這一運動觸發儀内機關,從而将地震報出。張衡地動儀的靈敏度很高,《張衡傳》列舉了一個具體例子:曾有一次,地動儀朝向西邊的那條龍突然吐丸,但當時洛陽城裡并無震感,人們議論紛紛,都說地動儀不可靠。過了幾日,送信人來到洛陽,報告說甘肅發生了大地震,大家這才信服了地動儀的精妙。
地動儀的結構模型
關于地動儀的結構,目前流行的有兩個版本:
王振铎模型(1951年),即“都柱”是一個類似倒置酒瓶狀的圓柱體,控制龍口的機關在“都柱”周圍。這一種模型最近已被基本否定。另一種模型由地震局馮銳(2005年)提出,即“都柱”是懸垂擺,擺下方有一個小球,球位于“米”字形滑道交彙處(即《後漢書·張衡傳》中所說的“關”),地震時,“都柱”撥動小球,小球擊發控制龍口的機關,使龍口張開。
另外,馮銳模型還把蛤蟆由面向樽體改為背向樽體并充當儀器的腳。該模型經模拟測試,結果與曆史記載吻合。
它比歐洲出現地震儀的時間要早一千五百年左右。但由于實物的失傳以及原始文獻記載的簡略,使得今人對其内部結構有不同的理解,這是正常的。但無論如何,張衡的地動儀具有很高的靈敏度,這是大家一緻的意見。在此基礎上,通過精心的分析考證、廣泛的學術讨論以及合理的模拟實驗,這個問題一定能夠得到解決。
李志超所想的候風地動儀
李志超認為,從文獻角度來看,漢代字書《釋名》解釋“柱”,說“柱,住也”,表明柱字原義是建築中不動的支撐件。由此,倒立擺結構不得稱“柱”,隻合稱錐。“都”是集總之義,說明不是孤柱,應該還附帶八套機關,而立錐卻隻能是光杆。這樣,僅由“都柱”這一名稱來看,倒立擺之說也不能成立。
李志超進一步指出,倒立錐的設計使原文所述其他一切部件皆成畫蛇添足。尤其是龐大的銅尊,毫無道理可言。再者,從物理評價角度來看,任何測量儀器的性能一般都可用兩個互相矛盾的指标表征:靈敏度和穩定度。倒立錐的設計正好突出了精密計量技術這一主要矛盾。
例如,為提高地動儀的靈敏度,就要把倒立錐的錐底做得很小,使之形成一個錐尖,但很小的錐尖承受巨大的重力壓強,在不可避免的微小震動作用中必将逐漸形成不可逆的變形,其趨向是錐尖下面的支承面形成坑窩,錐尖變得圓滑。
這一過程不可逆,而且是加速的。這樣,倒立錐最終要倒下來,不管有無地震。如果為提高穩定度,将錐尖做成寬到實際不變形,那它的靈敏度必然很低,感知量比人所能察覺的還要大,地動儀也就失去了它的實用價值。
複雜難度
都柱的尺寸推想為高一丈、直徑二尺,這可與總體協調。都柱與尊一樣,都有足夠的重量,這樣才可以從地震獲取充足的能量,不愁“施關發機”所必需的力不夠大。
另外,尊的巨大質量能起到屏蔽作用,減少都柱受到的幹擾,防止誤報。地動儀的全部“牙機巧制”則裝設在都柱及其座腳上,這樣符合“都”字本義。
銅尊是一個帶蓋的大桶,尊的側壁上對稱地設八個圓孔,孔的直徑略小于銅丸,孔外飾以龍首,孔即為龍的喉,喉外為龍舌,舌有淺窩以置銅丸,銅丸靠在喉孔上,既不會掉入尊内,又把喉孔蓋緊了。龍首和龍體都隻是裝飾浮雕。一旦地震,都柱與尊發生相對位移,“施關發機”,龍機将銅丸推出,落入蟾蜍口中,起到報警作用。
為了改善蟾蜍的聲學效應,還可以考慮在蟾蜍腹内另設響器,如方響之類,這可以更接近原文所描述的“振聲激揚”的效果。原文中提到的“牙機巧制”,李志超将其複原為兩級放大杠杆。而所謂“關”,則被設計成分立橫棒,一端頂緊前級杠杆的輸入端,一端頂緊尊的上沿。“關”的作用在于當都柱與尊發生相對位移時觸發放大杠杆。
為了與原文“龍機”的說法一緻,李志超把推動銅丸的杠杆設計成龍形,讓它的下面有兩條腿在轉軸上,尾巴橫折又上翹,構成受控的牙。它的上身有兩隻“手”,是執行自鎖功能的。設置自鎖機構的目的是為了實現原文所說的“雖一龍發機而七首不動”。
李志超稱該機構為龍鎖,是一個懸吊水平環,該環用八條垂直細鈎吊在尊沿上,又用八條水平細鈎牽着都柱,所以隻能作小角度轉動,但足夠自由。環上有16個小立柱,每一對小立柱對着一龍的雙“手”,龍“手”是裝在龍體前的一對爪,爪是有斜縫的掌面,在向前運動時嵌入龍鎖小柱,并撥動龍鎖轉一個小角度,于是其餘七對小柱與對應的龍爪偏離,就把它們閉鎖住了。
在整複時,落丸龍“手”被推複位,也把龍鎖帶動複位。