对张衡地动仪的科学性与真实性的探讨

来源 :历史教学·中学版 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhl2707
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  [关键词]张衡,地动仪,内部构造
  [中图分类号]G63 [文献标识码]B [文章编号]0457—6241(2010)15—0069—04
  
  《后汉书·张衡传》记载:“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,旁行八道,施关发机。外有八龙,首衔铜丸,下有蟾蜍,张口承之。其机关巧制,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,寻其方向,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,京师学者成怪其无征,后数日驿至,果地震陇西,于是皆服其妙。”
  张衡制造的候风地动仪被描述得精妙绝伦,能在京都洛阳“地不觉动”情况下成功测验到发生在上千里外的陇西地震。多少年来,这个记载以及依据记载复原的地动仪,作为我国古代科技辉煌的证据被写进中学历史课本。然而,这台玄秘神奇的地动仪,也引发了不少争议和质疑。
  奥地利学者Leopold Lee在《zhangheng,Sci-enee and Religion》(《张衡:科学与宗教》)一书中,对张衡地动仪的科学性和张衡对地震学的贡献进行了全盘否定,认为这仅仅是一种中国人的假想,与历史真实不符。
  由于缺乏详细的资料,专家们在地动仪的结构和应用原理上存在巨大分歧。考古学家王振铎先生于1951年设计了一个内置直立杆的“倒立摆”模型,现存于中国历史博物馆(图1),被视为“钦定”模型写入中小学课本。但对此也有学者并不认同,中国地震学的先驱李善邦就认为地动仪是利用悬垂摆原理产生作用的,2004年,河南博物院和中国地震台网中心联合研究张衡地动仪的新复原模型,采用的也是“悬垂摆”原理。   地动仪到底是个什么仪器?能起什么作用?依据什么原理?笔者查阅了相关资料,希望对历史教学有所帮助。
  
  一、地动仪不是预测仪,也不是报警器;而是验震器
  
  1876年,现代地震学奠基人、英国学者庄·米尔恩(John Milne)被邀请赴日本研究地震。在那里他接受了东方文化,成为第一个把《后汉书》翻译成英文、向全世界推荐和介绍张衡地动仪的西方人。1880年,在日本成立世界第一个地震学学会时,他在会上指出,世界上第一台有记载的地震仪器是中国人张衡发明的,认为如果要对它进行归类的话,取名验震器比报警器更恰当,为此他还提出英文单词Seismoscooe,来表示验震器。
  有人误以为张衡在公元132年制造的侯风地动仪能够准确记录地震,甚至可以预测地震。其实,地动仪绝不可能是预测仪,它只有在地震发生之后才起作用,但是能比驿卒更早地通知京城。此外,它也不是现代意义上的地震仪,因为记录一次地震必须有三个要素:发震时刻、震中位置和震级(地震强度)。候风地动仪只能记录地震方向,无法记录发震时刻和震级。
  那为什么又说它是验震器而不是专门的地震报警器呢?因为这两者有着本质区别:报警器不管受到任何震动都会有反应,因此不能区别是地震还是非地震所引起的震动。比如把啤酒瓶子上放在较平的桌面上或窗台上,它便有报警器的作用,稍微有一点动静,瓶子就倒了。而张衡地动仪则是在京都洛阳人们还有没有震感的情况下,已经做出反应,人们再根据铜丸坠落方向,“寻其方向,乃知震之所在”。这说明它能区分地震与非地震引起的地动,告知地震方向,因此,将其称为验震器是再恰当不过了。
  
  二、地震波与非地震波的区别
  
  为什么张衡的地动仪只对地震源产生的地动有反应,而对非地震源产生的地动“毫不理睬”呢?要回答这个问题,我们必须先知道地震波与非地震波有何区别。
  地震被按传播方式分为三种类型:纵波、横波和面波。纵波(又称P波)是推进波,地壳中传播速度为5.5~7千米/秒,最先到达震中,它使地面发生上下振动,纵波传播速度快,但能量也衰减得快,因此破坏性较弱;横波(又称S波)是剪切波,在地壳中的传播速度为3.2—4.0千米/秒,第二个到达震中,它使地面发生前后、左右抖动,破坏性较强;面波(又称L波),是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波,其波长大、振幅强,只能沿地表面传播,是破坏建筑物的主要因素。简单说,地震波的能量主要分布在能引起地面水平运动和摇晃的横波和面波上,而这种以水平运动为主的波动现象是地震波所独有的。相比之下,人为产生的干扰源诸如爆破施工、打桩夯土、重物落地、大型载重机械的运行和跨岩塌方、山体塌陷等自然现象,都属于挤压式的振动。它们虽然也能引发地面振动,但其主要能量分布在纵波上,只能引起地面的上下颠簸,不能引起地面的水平晃动。因此,有无强烈的水平振动便成为地震波与其他干扰波动的区别所在。
  
  三、1951年复原的地动仪存在科学性错误
  
  教科书中的地动仪,其内部是一根直立的细杆孤立置于基座地板上(图2),这种“倒立摆”模型和所记载的地动仪是不相符的。依据如下:
  1 直立细杆的“倒立摆”模型属于不稳定平衡,其倾倒具有随意眭。简单直立于地板的细杆或直柱,它倾倒的方向是元规律可言的,这就与靠地动仪能“寻其方向,乃知震之所在”的功能记载不符。
  2 记载的“都柱”并非“细杆”。《后汉书》所记地动仪内部“中有都柱”是原理复原的最关键一词。王振铎先生根据汉代古墓多为一个柱子支撑的情况,将“都柱”理解为“独柱”,推断它高8汉尺(按1汉建尺=0.2368米换算为1.8944米),直径2寸(4736厘米),长度与直径之比约为40:1。1972年,日本地震学家关野雄根据立杆倾倒的临界加速度计算,杆的长度与直径之比应为1225:1,若按“都柱”高8尺推算,杆直径应为1.5毫米,此时“都柱”必须变成细铜丝才能满足倾倒的要求。因此,把“都柱”理解为“细杆”不能满足实际要求。
  3 对地震的反应顺序不合记载。《后汉书》记载:“如有地动,尊则振,龙机发,吐丸而蟾蜍衔之。”即地震时,先是尊体发生摇晃,带动“都柱”触发龙头机关,进而龙头吐丸。倘若是立杆式,则地刚动,孤立置于基座地板上的细杆立即倾倒,而尊体晃动是由较晚的地震横波引起的。因此,就应该先是“杆”倾倒触发龙头机关,“尊”再晃动。这又与记载描述的顺序不符。
  以上分析说明,教材中的地动仪模型并不是史书中记载的地动仪。
  
  四、“悬垂摆”模型复原地动仪的科学性和合理性
  
  经历过地震的人大多知道:当地震来临时,抬头可以看到灯和风铃等悬挂物会不停地来回晃动。古代仪器的发明基本是对所观察现象的模仿和利用,激发张衡设计地动仪可能就是吊钟或钟锤等常见的悬挂物,它们平时稳定不动, 只有在地震时才会左右摇晃。吊钟和钟锤都是典型的悬垂摆,挂的越高,晃动越明显,这也就很容易引起古人的观察和模仿。
  结合上文,我们知道地动仪不可能是“倒立直杆”模型,而很可能是通过对天然验震器一悬挂物——的模仿借鉴。在地动仪尊体内悬吊“都柱”,即在尊体内悬吊着粗大的柱子(如图3)。当地震波传来时,利用“都柱”的晃动,触发机关,从而告知地震的来临。
  原理搞清楚了,新的问题又出现了:地震波的量是非常微弱的,它如何能引起都柱晃动进而触动机关呢?1783年在意大利也曾有地震学家做过类似的设想,他们在悬挂物的两边放上两个小铃,他们以为地震波一传来,铃声就响了,后来发现这根本就无法实现,因为地震波的量太小了。那么,张衡是如何破解这一难题的呢?
  《后汉书》所记载的那场“地不觉动”的陇西地震,发生于东汉阳嘉三年十一月壬寅(公元134年12月13日),是地动仪造出后的第三年。京城洛阳距震中约500-700公里,洛阳地震烈度为3-4度,地面的水平位移量3-4mm。远在陇西的地震波传来时,地面发生微小的水平晃动,引起了洛阳城南灵台上的尊体的摇晃,继而带动“都柱”来回晃动,触发机关、吐丸等一系列反应。为什么如此轻微的地震,人都未能察觉,尊体会晃动?这一方面是尊体本身较高(地动仪尊体高度在2.6到2.9米之间),灵台又建在高高的土坡上,高度的放大作用使得摇晃相对明显些。另一方面,灵台位于洛阳城南,在洛阳与灵台之间恰好有洛河通过,河床两边土层松软,这样就能利用地基松软的放大功能,增加地动仪的灵敏度。
  张衡的高明还在于技术上采用触发机构,解决了对地震波微弱信号进行检测的难题,通过“施关、发机”两步机械连带动作,实现了悬垂摆在微弱的地面运动和低频条件下的拾震问题。
  《后汉书》及《续汉书》中对地动仪结构的描写几乎完全一样,都只有四个字——“施关发机”。复原专家开始也以为“机关”就是一个结构,经过推敲终于明白了“机”和“关”并不是同一结构。《后汉书》在“施关发机”后面写道:“其牙发机,皆隐在尊中。”皆是复数,也就是说尊体内有不同的部件组成。这就意味着地动仪内部,从原来理解的“柱”“道”“关机”“丸”四个装置,还应增加一个重要的装置“关”。在古汉语中去的教案一样,杂志就没有必要刊登出来。
  为什么要刊登《“太平天国农民战争”说质疑》等学术论文?
  署名“野狼”的游客:《“太平天国农民战争”说质疑》和《说“九儒十丐”和儒士儒学在元代的地位》这样的文章对中学历史教学有什么帮助?
  责任编辑:以上两篇文章都是特约稿。作者沈渭滨先生专长近代史,对太平天国运动研究着力颇多;王晓欣教授主要从事蒙元史的教学与科研工作,主讲“中国古代后期史”被评为国家级精品课程。我们将他们的文章放在中学版,一则为中学历史教师了解学术动态提供路径;二是因为文章通俗易懂,内容接近中学历史。我刊认为中学历史教师的眼光不能局限于课本,诸如太平天国、中国民族资本主义发展等问题,学术界有争论、有质疑、有新说,教师应当了解并合理地吸收。死扣课本、抱残守缺是对学生的不负责,也不利于学生批判思维的养成。
  中学历史教师是否应该吸收学术新成果
  署名“天知道”的游客:历史教师不能把教学内容简单寄托给读本、教材,自己去学习,充电更重要。我们不要去赶什么学术潮流,咱们也赶不上,我们要做的和能做能的就是告诉学生所讲的历史是什么、过程是怎么样的。具体能得到什么观点那是学生自己的事,切忌别以培养什么正确的价值观为己任。
  徐圣伦:没有研究,盲目照本宣科不仅不会提高教学绩效,而且是与新课改精神背道而驰的。如果研究没有吸纳学术前沿的成果,没有与现实社会相结合,没有与教学相结合,研究就会成为没有价值的落后的研究,因为历史既是过去的史实和过去研究方法的产物。随着时代的发展、思想的解放、史料观念的更新、研究范式的多元化,历史一定有很多史实需要被证伪,有很多观点将被扬弃、更新、补充,只有这样,才会与时代相吻合、相促进,才会适合当代人的需要,才会展现历史教学的活力。教学研究是教学的引领,只有在研究基础上的教学才会高屋建瓴,少走弯路,科学高效。而教材中的观点和叙述侧重点的不恰当也要求教师既要做研究者,又要做实干家。这一切都要求教师要不断进行专业充电,否则,不仅研究不会出成果,课堂教学也不会异彩纷呈、科学高效。
  署名“LRM”的游客:不能把复杂的历史问题简单化。有人还建议在新课程推进过程中,编写简明读本给老师。如果这样,那老师更不知如何教学了。我个人觉得,新课程背景下老师应加强专门史的重新学习。
  何学保:之所以有争论是因为对于历史教学价值的认识不同,好似前面对于历史教学有效性的争论,是理想与现实之间的矛盾使然。
  署名“尼尼”的游客:历史教学本来就应该是细节教学,没有特别的史料作依托,空对空怎么能够说清楚历史是怎么回事,以压缩饼干式的历史教学去滋养学生的身心,不也是缘木求鱼?这不是很明白的道理,怎么想要对这个问题进行实验研究?就这个问题的提出就很能说明问题?我们的历史教学现状,我们的历史教师,我们的历史教材,我们的历史考试——呜呼哀哉,我们的历史教学的意义有多大?
  责任编辑:这个问题困扰了很多教师,的确,理想与现实的矛盾并不容易跨越,但若放弃理想,何止是历史教师的悲哀。历史教师的任务是教学而非研究,但却不应将二者对立、分割,应该尽量将成熟的研究成果引入课堂。这需要学习和积累。我刊将尽力为教师提供这方面的帮助,这也是我们刊登《“太平天国农民战争”说质疑》等学术论文的用意之一。
其他文献
<正>西晋以后,北方处于混乱中。内迁的少数民族纷纷起义建国,但其又迅速衰亡而被另一批周边的少数民族通过率兵进入中原征战而取代。这种民族的兴起与衰落、国家的建立与衰亡
【摘要】本文研究的是高职计算机公共课教学中“混合教学模式”的应用与实践,是以高职院校山东中医药高等专科学校的《计算机应用基础》课程为研究目标,主要探索混合教学模式中的网络教学与传统教学的结合模式,目的是寻找二者结合点,探索出新的教学模式。“混合教学模式”是一种先进的教学模式,是我国职业院校近几年探索的新方向。  【关键词】混合教学 网络平台 自主学习  【基金项目】山东省职业教育与成人教育科研规划
海南香水湾一号(2007-2010)香水湾一号是HSD水平线空间设计对亲海式度假酒店的研究性项目。“海上四合院”是对她的定义,在建筑上运用商周时期的建筑构建与现代室内设计的结
周末上午朋友来访,送她出门时,她忽然对我说:“该多注意一点孩子了,从她眼中我读到了忧郁。”回到家中,看着正默默玩着玩具的女儿,我轻声问:“小叶子,你星期天最想干什么?”女儿忽闪着
期刊
当莎迪接到电话,13岁的女儿和她的新朋友在商店行窃时被抓住,她的心情沉重。因为莎迪是商店的老主顾,老板没有马上起诉她们,但是…… 自从女儿米歇尔交上这个叫帕牧的新朋友
现今的体育课堂,教学理念开放了,教学方式丰富了,可选择的教学内容也多了,可为什么还是出现了学生喜欢“体育”而不喜欢“体育课”呢?一说到上体育课,都愿意自由活动,自己去
[教学设计思想]  新《语文课程标准》强调学生是学习和发展的主体。语文教学应该根据学生身心发展和语文学习的特点,关注学生的个体差异和不同的学习需求,激发学生的主动意识和进取精神,倡导自主、合作、探究的学习方式。如何结合教材内容,教会学生新的学习方式,使学生在学习语文知识的同时,体验学习的过程,获得学习的能力,笔者在《向沙漠进军》教学中进行了大胆的尝试。  [教学设计]  新设计的核心思想是使学生在
中考在即,可以说每一位家有考生的家长,都在关心着孩子的学习与考试。可是,如果关心方法不当,效果可能会适得其反。那么,中考前夕家长应如何关心孩子呢? 首先,从心理上关心
留守儿童的童年应是伴着鲜花、沐浴着阳光成长。然而现实生活中,他们的脸上却写满了忧郁,幼小的心里装满了思念和孤独。对留守儿童这一群体的管教,学校、家庭、社会三方一个
《隋书·地理志》(下简称《隋志》)所载郡县颇多“有关官”系之者,而遍检文献,所谓“关官”之确解乏考,《隋书》、《通典》所载杨隋官制皆无“关官”之目,惟有“关令、关丞”