准确探知地震：张衡的另类“屠龙术”

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程晓杰

2008年5月12日14时28分，四川省汶川县发生里氏8级地震。悲痛之余，人们不禁想起了历史上发明地动仪的张衡。那么，地动仪是在怎样的背景下研制成功的，其工作原理又是怎样的呢？又是什么原因让政坛上的张衡转而致力于科学这一“屠龙”末学呢？
汉顺帝永和三年（138年）三月一日，放置于京城洛阳、张衡刚刚发明的地动仪西方的龙嘴突然张开，铜球落到蟾蜍嘴里，测知洛阳以西方向发生了地震。几天以后，信使飞马来报，陇西（今甘肃省兰州市西北）发生地震，金城、陇西“二郡山岸崩，地陷”（《后汉书·顺帝纪》），“地震裂，城郭、室屋多坏，压杀人”（《后汉书·五行志》）。那么，地动仪真的能测知地震吗？它是在怎样的背景下研制成功的，其工作原理又是怎样的呢？
张衡（78—139），字平子，南阳西鄂（今河南南阳）人，出身于名门望族。其祖父张堪自小志高力行，被人称为圣童，且一生为官清廉，民间有歌谣传唱：“张君为政，乐不可支。”由于张衡的父亲很早便去世了，于是在张衡幼年的时候，家境已经衰落，有时甚至还要靠亲友们的救济度日。
和帝永元六年（94年），刚满17岁的张衡怀着远游的志愿，离开家乡，直奔故都长安，开始了求师问业的旅途。和帝永元十二年（100年），张衡受聘于南阳郡太守鲍德门下当主簿，掌管文书工作，其间他致力于探讨天文、阴阳、历算等学问。
卸任主簿后，张衡回到家乡。这期间大将军邓骘“奇其才”，多次辟他为幕僚，但张衡始终不就。个中原委，不甚清楚，但根据张衡一生的出入进退来看，有一点可以肯定：决不是张衡不想做官。
事实上，这时安帝尚幼，邓骘以大将军兼舅舅的身份辅政，大权在握。而东汉后期无论是外戚辅政，还是宦官专权，朝政都是十分黑暗的。人们对这种架空皇权的现象十分不满，张衡在《陈事疏》中就曾劝顺帝要掌握“刑德八柄”，做到“威自上出”，这可能就是张衡不肯应邓骘之辟的原因。
在家的三年中，张衡逐字逐句地琢磨《太玄经》义，为研究天文、历算等自然科学问题铺垫了理论基础，不但如此，他在文学、绘画等方面也达到了很高的造诣，因此被时人誉为“南阳通人”。
张衡的名气越来越大，永初五年（111年），安帝诏拜张衡为郎中，三年之后迁为尚书侍郎，一年后再迁为太史令，在九卿之一太常手下掌管“天时、星历”。张衡本“善机巧，尤致思于天文、阴阳、历算”，先前的积累终于找到了用武之地，他自然高兴，除了太史令的日常工作外，“遂乃研核阴阳，妙尽璇机之正”。
安帝建光元年（121年），张衡转为公车司马令，这是卫尉的属官，实际地位比太史令高。但5年之后，即顺帝永建元年（126年）又转为太史令。这当然是官运不亨、失志的表现，所以当时人都认为这“非进取之势也”。
张衡模仿东方朔《答客难》作《应间》表达自己对此事的看法，他在文中反复申述了两点：一是“天爵高悬，得之在命”，“求之无益，故智者偭而不思”，认为应该持“得之不休，不获不吝，不见是而不惛，居下位而不忧”的达观态度，使自己不至于被现实的重压所击倒。二是在仕途不畅、命运不达的情况下也不能自暴自弃而自沉，而要“奉顺敦笃，守以忠信”。他在《应闲》一文中曾说：“一个人不应担心自己地位不高，而应该担心自己道德是否高尚；不应当为收入菲薄而害羞，而应当为知识不广博而耻辱。”所以，张衡的学习内容不受仕途所需的局限，天文、地理、气象、历算等无所不学，尤其爱好文学。在游学期间结识的好友崔瑗曾评价他说：“没有他不学的学问，没有他不请教的老师，为一物不知以为耻，听到有教益的话他就非常高兴。”
最后，张衡决定“庶前训之可钻，聊朝隐乎柱史”。“朝隐”是张衡在怀才不遇时所提出的一种新的处世策略：进，可以以此为阶升官加爵，实现兼济天下之志；退，可以修身养性，独善其身；持中可以借职务之便继续实现人生的价值。这是在新的形势下糅合儒、道两家人生哲学的产物，较之退隐自然要优越得多。正是有着这样的仕途波折，也正是抱有这样坚定的信念，张衡更加孜孜不倦、将势就势，利用太史令之职继续进行天文学研究。
东汉时期，我国中原一带经常发生地震，据史书记载，从公元92年到139年，京城洛阳等地先后发生过20次地震，其中6次是破坏性较大的地震。张衡目睹地震后的惨状，痛心不已，在完成太史令的本职工作之余，他还收集各地的地震情况，记录各地震情，以便能及时掌握全国各地的地震情况，并立志研制出能够预测地震的仪器，解救黎民于水火。经过多年的研究和反复的试验，张衡终于于阳嘉元年（132年）制成了当时世界上第一架观测和记录地震的仪器—候风地动仪。
据《后汉书·张衡传》记载，候风地动仪“以精铜铸成，圆径八尺”，“形似酒樽”，上有隆起的圆盖，仪器的外表刻有篆文以及山、龟、鸟、兽等图形。仪器的内部中央立着一根铜质“都柱”，柱旁有八条通道，称为“八道”，道中安有“牙机”。仪体外部周围铸有八条龙，头朝下，尾朝上，按东、南、西、北、东南、东北、西南、西北八个方向布列。龙头和内部通道中的发动机关相连，每个龙头嘴里都衔有一个铜球。对着龙头，八个蟾蜍蹲在地上，个个仰头张嘴，准备承接铜球。当某个地方发生地震时，地动仪内部的“都柱”就发生倾斜，触动牙机，使发生地震方向的龙头张开嘴，吐出铜球，球落到铜蟾蜍的嘴里，发出很大的声响。
地动仪研制出来以后，张衡将其安置在都城洛阳，起初满朝文武都不相信这台地动仪能够测出地震的方向，并对张衡处处诘难非议，直至和顺三年准确测出了陇西约里氏6.5级的地震后，朝野上下才“众服其妙”。
一些科技史著作声称，张衡制造的候风地动仪比西方第一台地震仪（意大利人路吉·帕米里制造于1856年）早了1700多年。但是张衡发明的候风地动仪没有能够流传下来，史书中对它的记录仅见于西晋范晔所著的《后汉书·张衡传》中短短的196个字，于是张衡的地动仪成了千古不解的谜团，我们今天看到的地动仪是考古学家王振铎多年考证研究后于1951年制作的仿制品。
那么，张衡发明的候风地动仪真的可以预测地震吗？它的科学依据是什么呢？
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，只不过能比驿卒更早地通知京城的人，古人于是就认为它能够预测地震。
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：一种是纵波（又称P波），它引起的物体震动方向和波的前进方向一致；另一种叫横波（S波），它引起的物体震动方向和波的前进方向垂直。纵波的速度比横波快，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，因为它只是从震源直直地向着地震波接收处地面传播而来的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，那么有许多别的和地震无关的震动，比如在它附近跺脚，便能引起它的反应，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。
更何况，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，更无法记录震级。因此，从现代地震学的角度来看，候风地动仪并不能预测地震，因为直到现在地震预测仍是全球性的难题。但是，据学者考证，张衡在当时已经利用了力学上的惯性原理，同时他对地震波的传播和方向性也有所了解。所以在当时落后的生产力条件下，这些成就在当时来说是十分了不起的，张衡的这一伟大发明确属难能可贵，也足以奠定了他“科圣”的历史地位。
那么，张衡为何能在当时落后的条件下做出如此出色的科学成就？
这和他一贯坚持唯物主义，反对唯心主义和迷信思想的个性是密不可分的。东汉初年，谶纬迷信已闹得乌烟瘴气，一般学者大谈“谶纬图录”，鬼话连篇，借以谋求富贵。当时地震频发，人们对地震这种自然现象是无法理解的，于是只好将之归为天意。如公元92年那次地震，在《后汉书·五行志》中有一段，把地动山摇之因归咎于“窦太后摄政，兄窦宪专权，将以是受祸也”的记载。朝廷上的一些达官贵人认为地震是天意，想知“龙王”动向是痴心妄想，但张衡不相信这一套，他认为地震是一种不受任何人旨意影响的自然现象，于是决心造仪器，用人的力量来测定地震。
公元133年，张衡特别上奏章揭露图谶的虚妄，明确提出反对图谶、禁绝图谶的主张。充满神学迷信内容的谶纬是东汉王朝的国典，如果有人反对图谶，也就等于说反对汉朝的皇权，就会被统治者认为是“非圣天法”，就会遭到压制和迫害。在如此的社会背景之下，想革故出新，张衡的仕途顺遂梦注定只能是空中楼阁。
张衡以科学上的成就而名垂史册，但是他彼时的身份却应该是为民请命，为万世开太平的一介官员，但他“聊朝隐乎柱史”，单单致力于科学这一“屠龙”末学，如此作为，张衡是不是真有点舍本逐末、不务正业了呢？
其实，张衡“聊朝隐乎柱史”的真正目的还在于“且韫椟以待价”（《应间》），所以他在履职太史、潜心候风地动仪之时，仍不忘政治上的进取。这期间他曾多次上书：做《应间》的同时，即上《顺帝封事》，永建五年（130年）上《陈事疏》；阳嘉元年上《论贡举疏》、《请禁绝图谶疏》，二年上《京师地震对策》、《论举考廉疏》。这些策疏大都言辞犀利，用语直率，有时甚至直接批评皇帝。大概是张衡这些切直无掩的疏谏终于使顺帝发现了这个多年滞留史官的张衡颇具政治才能，于是将他提升为侍中，其职能是“掌侍左右，赞导众事，顾问应对”，即做皇帝的高级顾问。
有一次，顺帝问张衡，当今天下人最痛恨的是谁？宦官们怕张衡说出自己，都用眼睛瞪着他，张衡只好“诡对而出”，但宦官“恐终其为患，遂共谗之”（《后汉书·张衡传》）。这个事情对张衡震动很大，也使他左右为难：任凭宦奸为非作歹却只能缄默不语、志意相左；我行我素，又难免有危险加身。
在这人生的十字路口，张衡需要求得心理平衡，找到继续实现人生价值的途径。《思玄赋》就是他内心从矛盾—平衡—选择—再到新的平衡的真实展现。他在赋中既抨击了“珍萧艾于重笥兮，谓惠芷之不香”的反常世道，也抒发了“奋余荣而莫见兮，播余香而莫闻”的深沉浩叹，同时也表现了“恫后辰而无及”这生不逢时的苦闷，而且还露出了“畏立辟以危身”的危惧心理。他希冀进取，现实不允许；消极自沉，有悖于心志。痛苦至极，他曾想学仙远遁，然而强烈的入世精神又把他拉回现实。他也曾一度求之于命运，但命运只能帮人解脱，却不能助人重振自我。然而，自我实现理想的执着追求终于使他对传统命运观进行了积极的改造，从中找到了新的精神支柱。他认为命运虽然难知，但命运却统属于天，恶有恶报，善有善报，只要自己处义行仁，必不会有灾祸加身。消极的宿命论在张衡那里变成了积极的有命论，“苟中情之端直兮，莫吾知而不恧”。他实现了新的心理平衡，决心“共夙昔而不贰兮，固终始之所服也”，以循道为务，决不向现实妥协，这成为他晚年立身处世的指导思想。
永和元年（136年），张衡出任河间相。这时的河间王是章帝的孙子刘政，他骄奢无束，不遵典宪，且河南又多豪强，共为不轨，是个很难治理的地方。张衡所以被委任此相，可能是朝中权贵怕他留朝于己不利，企图借此置张衡于死地。但是张衡已经在心理上体认到惩办豪强上符天理，中遵典宪，下合人情，定会得到上天的福佑。因而他把这最后的从政理民当作实现政治理想的大好时机，“衡下车，治威严，整法度，阴知奸党名姓。一时收禽，上下肃然，称为政理”（《后汉书·张衡传》），成为一个政治家。三年后他请求致仕，但未获恩准，被“征拜尚书”，当年，这位62岁的老人寿终于任上。
带着对仕途的疲惫，带着对故土、对科学未完的眷恋，这位一生致力于科学研究的科学家走了，逝者如斯，留给我们的是他的科学精神，即不屈的追寻，追寻人对自然的超越和主宰，让人类从此不再受灾难牵连，让世界从此太平安享。