《看歷史》雜志11月刊封面
資料圖：張衡地動儀
原載《看歷史》雜志2010年第11期
大多數(shù)中國人耳熟能詳?shù)牡貏觾x的故事誕生的時間并沒有那么久遠(yuǎn)——直至1950年代，這個故事中的地動儀才被“制造”出來，并進(jìn)入教科書中。直到數(shù)十年后，它被重新發(fā)現(xiàn)與“制造”。
一代又一代的中國學(xué)生，從老師那里聽到這個生動的故事：東漢時期的科學(xué)家張衡發(fā)明了地動儀，這個地動儀像一個酒樽，內(nèi)部有一個細(xì)長豎直的桿直立在正中間，地震時，這根直桿會倒向地震的方位，擊落那個方位的龍首，龍口就會張開，吐出一顆銅丸，正落在下面的銅青蛙的口中，于是觀察者就會判斷出哪個方位發(fā)生了地震。
這個地動儀的故事被當(dāng)作中國偉大科技發(fā)明的典范。但大多數(shù)學(xué)生，甚至包括講述這個故事的老師們并不知道，他們一代一代傳承下來的這個故事誕生的時間并沒有那么久遠(yuǎn)——直至1950年代，這個故事中的地動儀才被“制造”出來，并進(jìn)入教科書中，演變成幾代人的集體記憶。
■ 王氏“地動儀”
1934年，燕京大學(xué)研究生院歷史專業(yè)的學(xué)生王振鐸誕生了復(fù)原史書中記載的張衡地動儀的念頭，他認(rèn)真地研究了史書的記載，在1936年，畫出了第一套自己復(fù)原的地動儀模型圖稿。這套圖紙中，他按照《后漢書·張衡傳》中所說“形似酒樽”記載設(shè)計了它的外形，但對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由于史料中只有區(qū)區(qū)196字，語意模糊，他遵從了英國地震學(xué)家米爾恩1883年《地震和地球的其他運動》一書中闡述的“懸垂擺”的結(jié)構(gòu)原理。也就是從地動儀的上部垂下來一根擺，用以并判明地震方向，并控制相應(yīng)機關(guān)。
1936年，王振鐸在第20期《燕京學(xué)報》上發(fā)表了名為《漢張衡候風(fēng)地動儀造法之推測》的文章，并手繪了一套內(nèi)外結(jié)構(gòu)圖樣做論文的配圖。
畢業(yè)后的王振鐸擔(dān)任了國立中央博物院籌備處專門設(shè)計委員，對于中國古代科技史中張衡地動儀的復(fù)原思考，不僅是他個人的愛好，同時也開始了他成長為博物館學(xué)家和古代科技史學(xué)家的起點。
王振鐸發(fā)布論文和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖一年之后，1937年日本地震學(xué)家萩原尊禮也發(fā)布了他復(fù)原的張衡地動儀論文。不同于王振鐸，萩原尊禮提出了直立桿原理，也就是在地動儀中間，放置一個倒立的直桿，地震時，直桿倒下，從而觸發(fā)相應(yīng)的機關(guān)。
中日兩國在復(fù)原地動儀上的文化爭論還沒開始，兩國之間就爆發(fā)了戰(zhàn)事，于是，孰是孰非，就沒了下文。又過了兩年，日本地震學(xué)家今村明恒設(shè)計的地動儀也問世了，他延用了萩原尊禮的直立桿原理，并在直桿的下面放了三個彈簧，因為了有彈簧的復(fù)位工作，其原理近似懸垂擺，但問題是，至今還沒有發(fā)現(xiàn)東漢應(yīng)用彈簧的記載。在今村明恒進(jìn)行的實驗中，由于直立桿的傾倒方向與地震射線方向垂直，有悖于史書對地動儀的記載，所以，他就沒有做后續(xù)研究。
■ 獻(xiàn)禮
1949年新中國成立，王振鐸的新職位是文化部文物局博物館處處長。新中國在誕生之初，為了弘揚中國古代燦爛文化，國家要求博物館復(fù)原一批代表古代文明的器物作為陳列和宣傳之用。王振鐸接到的任務(wù)中，包括“四大發(fā)明”中的張衡地動儀和司南。
這一次，王振鐸否定了自己1936年的設(shè)計，根據(jù)后漢書中“中有都柱”的記載并借鑒萩原尊禮的直立桿原理，用了一年時間，于1951年設(shè)計并復(fù)原出1：10比例的木質(zhì)“張衡地動儀”模型。
那是一個熱情沸騰的特殊年代，王振鐸復(fù)原的“張衡地動儀”概念模型一問世就受到了空前關(guān)注。這一肩負(fù)著20世紀(jì)50年代的中國，對古代科技研究和中華文明推廣普及任務(wù)的模型，成為新中國唯一一件“張衡地動儀”宣傳模型。
1952年4月號的《人民畫報》對這尊模型的成功復(fù)原進(jìn)行了報道。中央人民政府文化部社會文化事業(yè)管理局的王天木，以《偉大的祖國古代科學(xué)發(fā)明地動儀》為題，用了一個整版的篇幅圖文并茂地向讀者講解了地動儀的結(jié)構(gòu)和工作原理——這一次王振鐸既否定了自己1936年認(rèn)同的懸垂擺原理，又沒有繼續(xù)今村明恒的彈簧復(fù)位原理，而是將懸垂擺變成了倒立的直桿。
特別值得提出的是，王天木的這篇報道清楚地寫明：“可惜張衡這一重要發(fā)明早就失傳了，隋朝時科學(xué)家臨孝恭尚寫有一部《地震銅儀經(jīng)》，也未能傳流下來。”在文章的最后，還用一個段落寫道：“這里介紹的這個模型，是我們在1951年設(shè)計完成，主要是根據(jù)《后漢書·張衡傳》的記載，及考古材料而復(fù)制的。”
1953年中國郵政發(fā)行了一套主題為“偉大的發(fā)明”的特種郵票，一共四枚，其中特7 4-1是司南、特7 4-2是張衡地動儀、特7 4-3是計里鼓車、特7 4-4是渾天儀。
接下來這尊由王振鐸復(fù)制的“張衡地動儀”就被編寫進(jìn)入全國中小學(xué)教科書——不同于《人民畫報》的是，后來歷次修訂的教科書中，不再提這是后人根據(jù)文獻(xiàn)和自己的理解復(fù)原的概念模型，一代代教師和學(xué)生就這樣認(rèn)為課本上的圖片就是當(dāng)年的張衡地動儀。
王振鐸也沒有想到，他的一項本職工作在作為新中國獻(xiàn)禮后，教育并激勵了幾代中國人，木質(zhì)模型被大多數(shù)中國人誤以為是不可更改的唯一模型。在中國地方性的博物館里，王氏模型也被當(dāng)作文物來仿制和收藏。不僅進(jìn)入了教材，就連中國地震局也用這部復(fù)原模型做了幾十年標(biāo)志，直到近年才取下。
1951年復(fù)原的“張衡地動儀”還承擔(dān)了發(fā)展對外友好的使命，作為中外文化交流的重要載體，它在半個多世紀(jì)的時間里，數(shù)次走出國門展出。它甚至作為人類文明的化身，被置于聯(lián)合國世界知識產(chǎn)權(quán)組織總部，而和它并排展出的，是美國人從月球帶回的巖石。
■ 否定的開始
通過各種對外宣傳，外國地震學(xué)家也誤認(rèn)為王氏模型就是張衡地動儀的原物。從1960年代起，這個地動儀就不斷地遭受到地震學(xué)界的質(zhì)疑，這個模型的偏謬和失誤在科學(xué)實驗和理論探索的一步步深入下暴露出來。批評與否定的聲音不但對著地動儀，還直沖東漢張衡而來。
從1969年開始，日、美、荷、奧等國地震學(xué)界發(fā)表了一系列的措辭嚴(yán)厲的論文。1972年，日本學(xué)者關(guān)野雄用計算否定了直立桿原理，接下來，荷蘭的斯萊斯維克、美國人賽維于1983年也提出王氏模型不能成立，并從根本上否定了直立桿原理。
致力于中國科技史研究、并極其推崇張衡發(fā)明的英國學(xué)者李約瑟則發(fā)現(xiàn)了1951年模型與史書的記載不太相符。1984年，美國地震學(xué)家博爾特院士直接問過他的中國學(xué)生——從1966年邢臺地震到1976年唐山地震，總是教災(zāi)區(qū)群眾“倒立酒瓶子”的馮銳，“中國人是不是很能喝酒？”在得到馮銳“李白斗酒詩百篇”答復(fù)后，大笑著說：“無怪你們的地動儀像個酒桶。”博爾特提出的問題集中在1951年模型身上：“中國目前最流行的地動儀模型工作原理模糊，模型簡陋粗糙，機械磨擦大大降低了靈敏度，對地震的反應(yīng)低于居民的敏感，其作用應(yīng)予以質(zhì)疑，而且利用銅丸的掉落方向來確定震中也是不確定的”。
在全國上下都沉浸在古代偉大發(fā)明的榮耀之中時，王振鐸的老朋友、中國地震學(xué)奠基人傅承義院士當(dāng)面指出了1951年模型的原理性錯誤。
那是1976年的一天，兩位老友聊天的時候談到了地動儀，傅承義說了一句，房梁下吊塊肉都比你那個模型強。在地震學(xué)家的世界里，所有懸掛物都是天然驗震器。在張衡生活的年代，人們已經(jīng)習(xí)慣懸掛器物，出土文物中顯示出的編磬、編鐘、吊錘、紡線錘和吊桶、吊籃，還有吊肉和房檐上懸掛的鮮魚，都會成為這種天然的驗震器。
比這種當(dāng)面批評更尷尬的是，在出國展覽時，由于沒有合理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也沒有模仿地震的震動臺，龍口中的銅丸無法吐下來。一張1988年“張衡地動儀”訪問日本奈良時的照片，記錄下這樣的情景，中方解說在向日本觀眾講解地震儀工作狀況時，手持一根木棍，木棍捅一下，龍口中的銅丸才會掉到下面青蛙的口中。
■ 重新復(fù)原地動儀
1966年，邢臺發(fā)生地震，馮銳正在京讀中國科技大學(xué)研究生二年級。這批學(xué)生在第一時間趕到災(zāi)區(qū)，抗震救災(zāi)并印發(fā)各種宣傳震時逃生的小傳單。其中有一條是在房間里倒立一個酒瓶子，如果瓶子倒了，就是地震來了，馬上出逃。
這樣的“常識”馮銳都不知道傳授給了多少人了，直到2002年的一天，國家地震局高級工程師、《防災(zāi)博覽》 編輯武玉霞找到他，問他為什么在一篇科普常識中寫“地震沒地震，抬頭看吊燈”，而他早年散發(fā)的傳單卻是教人們倒立酒瓶子？前者的工作原理是驗震器的慣性原理、也就是懸垂擺原理，而“倒立酒瓶子”的原理又是什么？
武玉霞的發(fā)問正當(dāng)其時，不久之后，馮銳在國家圖書館買了一本奧地利學(xué)者雷立柏的《張衡：科學(xué)與宗教》，雷立柏從哲學(xué)的角度否定了張衡，同時否定的是中國東漢時期的科學(xué)史。他認(rèn)為，“對張衡地動儀的迷戀正是華夏科學(xué)停滯特點的典型表現(xiàn)”。
雷立柏并不了解東漢歷史，不知地動儀很可能是毀于東漢后期的戰(zhàn)火，所以，用他的觀點來解釋，地動儀失傳的原因，正是因為它不科學(xué)、無實用價值，所以根本沒有傳下去的道理。
武玉霞和雷立柏一個提問，一個質(zhì)疑，使馮銳開始翻閱那篇用“中有都柱”等196個字來描述張衡地動儀的《后漢書·張衡列傳》，專業(yè)地震工作者的優(yōu)勢在于，他可以根據(jù)“圓徑八尺”(八漢尺，一漢尺等于23.5厘米)這個范曄留下的數(shù)據(jù)，做倒推計算，算出都柱的高度，而這個高度只能是一個懸垂擺，而無法是一個直立的桿。
科技史學(xué)者一般是用建立在數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)理模型上的地震學(xué)理論去驗證自己的假設(shè)。用這套理論，能把各地震臺網(wǎng)搜集到的真實震力轉(zhuǎn)為地震波型，再將波型轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)。而馮銳卻是從數(shù)據(jù)開始，去倒推出了地動儀的工作原理。當(dāng)數(shù)據(jù)與理論吻合時，便證明了懸垂擺的合理性，圖紙上的復(fù)原可以結(jié)束了。
2003年，河南博物院決定在官網(wǎng)上張榜招賢，讓張衡的地動儀真正能動，不要再通過人為控制進(jìn)行“表演”。
于是，馮銳的團(tuán)隊擴(kuò)大了，文史界的參與，使得“孤”證《后漢書》不再孤立。文史學(xué)者在比《后漢書》早的《續(xù)漢書》，以及《后漢紀(jì)》等七部古籍中找到了更多關(guān)于張衡地動儀的記載。196個字的記錄，變成了238個字。
通過這些文獻(xiàn)，馮銳他們算出了張衡地動儀的高度、懸垂擺長度、震蕩頻率等。與此同時，課題組調(diào)來了隴西地震的歷次波形圖。通過對波形圖的計算，證明張衡的地震儀在公元134年的確測到了隴西的地震。張衡地動儀不再是“傳說”和“神話”。
■ 糾偏
復(fù)原古代科技模型的幾個途徑中，文獻(xiàn)記載詳細(xì)并存有實物的，復(fù)原出來最為真實；另一種情況是，只有文獻(xiàn)記載，但實物早已失傳。而王振鐸和馮銳共同面對的，都是沒有實物參照的問題。
不同的是，王振鐸只能通過文獻(xiàn)進(jìn)行單槍匹馬的探究。而馮銳由于專業(yè)優(yōu)勢，在參閱文獻(xiàn)的同時還有地震理論及數(shù)理計算來幫助他尋找真相。加上后來成立的課題組，使得馮銳的復(fù)原工作進(jìn)行得更為合乎科學(xué)邏輯。
馮銳復(fù)原的地動儀于2009年9月初小學(xué)開學(xué)不久，安裝在北京市重點學(xué)校史家小學(xué)，這家學(xué)校的校長黃守圣說，在考試的時候，會要求學(xué)生今天按照正確的答案回答，而非教材上要求的那樣。
此時，全國中小學(xué)教材在講到地動儀時還是幾十年一貫的倒放一根“直立桿”理論。而馮銳已經(jīng)多次與人民教育出版社溝通，最初得到的答復(fù)是需要地震局的證明文件，但當(dāng)看到最新修訂的《中國大百科全書》，對于“張衡地動儀”這一詞條已經(jīng)做出修正，人教社便準(zhǔn)備在2010年有所改動。
2009年9月20日，中國科技館新館開幕，地動儀在新館與觀眾見面，并在震動儀模擬的地震波中進(jìn)行吐丸的工作。觀眾可以親自動手按下按鈕，觀察在不同波型下地動儀的不同反應(yīng)——只有橫波到來它才吐丸，其他來自縱波的震動，都無法使地動儀有任何反應(yīng)。這就排除了其它的干擾，如很重的關(guān)門、汽車過境的震動、巨大的炮聲等。
美籍華裔理論物理學(xué)家、國際華人物理學(xué)會會長楊炳麟，訪華期間聽了馮銳在中科院理論物理所做的報告會后，認(rèn)為從這部機器上可以看出，張衡應(yīng)該是最早利用慣性原理的驗震的人，這是物理發(fā)展史中的里程碑。
2010年1月24日，馮銳接到教育部長袁貴仁的電話，袁貴仁在仔細(xì)閱讀馮銳修改教科書的建議和相關(guān)資料后，原則同意修改“張衡地動儀”這一章節(jié)。2010年秋季教改出臺以后，按照教學(xué)大綱，“張衡地動儀”已不再是歷史課本中的內(nèi)容。人教版歷史課本中已拿掉了這一知識環(huán)節(jié)。作為對這一錯誤的補救措施，人教社今后會將新版地動儀的知識加到教師用書中。
2010年開幕的世博會將張衡地動儀新模型列為展品之一，中國政府也將馮氏原理的張衡地動儀，納入“中國古代機械成就展”這一全球巡展之中。
對于這座再次震動了地震界的“張衡地動儀”，馮銳認(rèn)為：“只能說它是我們在當(dāng)前這個時代對張衡的理解”。他希望未來還會有人能夠超越，能夠更加接近張衡。
