地动仪

起源

张衡所处的东汉时代，地震比较频繁。据《后汉书·五行志》记载，自和帝永元四年（公元92年）到安帝延光四年（公元125年）的三十多年间，共发生了二十六次大的地震。地震区有时大到几十个郡，引起地裂山崩、房屋倒塌、江河泛滥，造成了巨大的损失。张衡对地震有不少亲身体验。为了掌握全国地震动态，他经过长年研究，终于在阳嘉元年（公元132年）发明了候风地动仪──世界上第一架地震仪。当时利用这架仪器成功地测报了西部地区发生的一次地震，引起全国的重视。这比起西方国家用仪器记录地震的历史早一千七百多年。

但由于历史久远张衡地动仪已经失传，没有留下实物与图样只留下一些简略的文字记载。

历史记载

现代以来中外很多人为复原张衡地动议做了很多努力，在历史文献中新发掘出了一些关于张衡和他的地动仪的文字记载。

张衡地动仪的史书记载：

【南朝】范晔(398年-445年) ,根据前人撰述的几十种有关后汉的历史著作，编写成《后汉书》。 其中《后汉书·张衡列传》记载候风地动仪共196字：

“阳嘉元年，复造候风地动仪。以精铜铸成，员径八尺，合盖隆起，形似酒尊，饰以篆文山龟鸟兽之形都柱，傍行八道，施关发机。外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蜍，张口承之。其牙机巧制，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，寻其方面，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，京师学者咸怪其无征，后数日驿至，果地震陇西，于是皆服其妙。自此以后，乃令史官记地动所从方起。”

【晋】袁宏（328年-376年）的《后汉纪·顺帝纪》记载候风地动仪：“衡作地动仪，以铜为器，圆径八尺，形似酒樽，合盖充隆，饰以山龟鸟兽。樽中有都柱，傍行八道，施关发机；外有八方兆龙，首衔铜丸，蟾蜍承之。其牙机巧制，皆隐樽中，张讫，覆之以盖，周密无际，若一体焉。地动摇樽，所从来龙机发则吐丸，蟾蜍张口受之。丸声震扬，伺音觉知，即有龙机，其余七首不发，则知地震所起从来也。合契若神，自此之后，地动史官注记，记所从方起。来观之者，莫不服其奇。”

【西晋】司马彪（XX--306年）《续汉书》记载候风地动仪：“张衡性精微，有巧艺。作地动仪，以精铜铸其器，圆径八尺，形似倾樽；其盖穹隆，饰以篆文；外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蜍承之。其牙发机，皆隐在樽中，周密无际，如一体焉。地动机发，龙即吐丸，蟾蜍张口受丸，声乃振扬。司者觉知，即省龙机，其馀七首不发，则知地震所从起来也。合契若神，观之莫不服其奇丽。自古所来，未尝有也。”（取自【北宋】李昉《太平御览·工艺部》）

对于三个记载候风地动仪的史书，《后汉纪》比《后汉书》早约69年，《续汉书》比《后汉书》早约139年，从记载的原始性看，《续汉书》优于《后汉纪》，《后汉纪》又优于《后汉书》。

地震记录

地动仪无法记录发震时刻，更无法记录震级。因此，从现代地震学的角度来看，候风地动仪并不能记录地震，不是地震仪。一些科技史著作声称，张衡在公元132年制造的“候风地动仪”能够准确记录地震，比西方第一台地震仪(由意大利人路吉·帕米里制造于1856年)早了1700多年。也有些材料说，候风地动仪可以“预测地震”。不过，史书中有关候风地动仪的记载，仅见于《后汉书》。这一段记载只有区区196字，其中描述地动仪内部结构的内容更只有“中有都柱，傍行八道，施关发机”这12个意义隐晦、众说纷纭的字。以后，北齐的信都芳和隋朝的临孝恭，也都制造过地动仪，还留下了相关著作，可惜他们的著作都亡佚了。显然，仅根据《后汉书》中的简陋记载，要复原张衡的候风地动仪根本不可能。今天的复制品，其实是在史书那些“约束条件”之下所作的新创造。尽管如此，《后汉书》的记载，还是向我们提供了一些有用信息。首先，候风地动仪绝不是地震预测仪。它只有在地震发生之后才起作用，只不过能比从驿卒更早地通知京城的人士罢了。这就好比我们看到闪电，就知道接下来很可能会听到雷声，但在闪电发生时，雷声也已经同时发生，只不过还没有传到我们耳朵里罢了其次，根据地震波的传播机理，候风地动仪是不太可能做到“验之以事，合契若神”的。地震发生时，从震源会发出两种波：一种叫P波，是纵波，它引起的物体震动方向和波的前进方向一致；一种叫S波，是横波，它引起的物体震动方向和波的前进方向垂直。P波的速度比S波快，因此最先到达地面，形成地震波中的初波。据初波的震动方向就可以知道震源方向。但初波非常微弱，因为它只能从震源直直地向着地震波接收处地面传播的P波，而这部分P波携带的能量只占地震波全部能量的一小部分。如果候风地动仪能敏感到对“第一哨”初波就做出响应，那么足以有许多别的和地震无关的震动，比如在它附近跺脚，能引起它的反应，从而让人误把许多不是地震的震动也当成是地震。但如果要让候风地动仪保持一定的“迟钝”性，它又有可能无法“感觉”到地震的初波，直到之后的各种波陆续传来时才被“惊醒”，可是这些迟来的波的震动方向已经完全不能代表震源的方向了。何况，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震中方向。几台地动仪“联网”也可测出震中位置；但它却无法记录发震时刻，所以，这当然也就更不可能是“世界上第一台地震仪”了。