首页 -> 2008年第4期

古代的地震理论与地震观测仪

作者：鲁子健

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　　我国是一个多地震国家，从古至今，见诸史籍记载的地震现象就达八千多次。千百年来，我们的祖先为防止地震对人类社会造致的灾害，曾对地震这种自然现象进行了长期连续的认真观测记录，并总结积累了不少识别地震先兆和避免地震灾害的知识经验。它们是一份十分宝贵的科学历史遗产。现在，国际学术界几乎无不公认中国是16世纪以前对地震现象观测最为精确、记录积累地震资料最为丰富的国家。
　　我国最早的诗歌总集《诗经》中，就有着有关地震的叙述：
　　烨烨震电，不宁不令。百川沸腾，山冢崒崩。高岸为谷，深谷为陵。
　　意思是说，当地震发生的时候，其吼声如电闪雷鸣。它造致江河为之沸腾，山崩地裂，河流被塌方、滑坡和泥石流阻塞；高山瞬间变为深谷，而原来的深谷却转眼变成了丘陵。
　　由于受到社会历史条件和科学技术水平限制，古人对地震形成的原因往往借助于天文现象和阴阳五行学说来加以解释。如东汉时的思想家、文学理论家王充（公元27—约79年）在其所著《论衡·变虚》篇中，曾将地震现象和天象联系起来，认为它们之间有着因果关系。当他观测到的星辰运动自认为有变异时，曾经引用了春秋时期齐国的太卜和通晓天文的大夫晏婴（？—前500年）的一段对话。晏子对太卜说：我看见钩星（水星）运行到二十四宿东宫苍龙的心宿与房宿之间，预示着大地将要发生地震！
　　再如先秦时期的史书《国语》卷一“西周三川皆震伯阳父论周将亡”篇（为我国历史上最早关于阴阳学说的文献）中有这样记载：
　　（周）幽王二年（公元前780年），西周三川皆震。伯阳父曰：“周将亡矣！夫天地之气，不失其序；若过其序，民乱之也。阳伏而不能出，阴迫而不能烝，于是有地震。”
　　这段文字，记载了周幽王二年，在西周的泾水、渭水和洛水三江流域发生的一次地震。这次地震属于破坏性大地震，古人为之惊恐万状，认为是征兆着王朝的盛衰。周朝大夫伯阳父惊呼：“周将亡矣！”古人根据阴阳五行学说进行了解释：天地乃阴阳二气，阳之气轻而清，上浮为之天；阴之气重而浊，下沉为之地。（天）阳和（地）阴按尊卑之序各处其位，不能错乱颠倒，否则“民乱之也”，是被人所搅乱的。人怎么搅乱？根据天人感应，君上倒行逆施，君不君，臣不臣，朝纲紊乱；以下犯上，君臣错位，阴阳倒置，阳气伏在下面不能透露，被阴气压迫得不能蒸发，于是地震就要发生！
　　古人根据天象和阴阳学说，认为天和地是最根本的阴阳概念，地震是因为天和地错位，阴和阳之间相互矛盾着的对立势力失去平衡导致的结果。古人通过自然界本身所存在的矛盾来解释自然现象，虽然并不科学，却仍不失为一种原始朴素的唯物观点。但伯阳父将地震这种自然现象归之为“民乱之也”，将地震和王朝盛衰的社会现象牵强附会地联系起来；晏子则将地震与天象变化联系，企图从中找出因果关系，均属于唯心主义天命观。这也表明当时的唯物主义观点尚处于萌芽时期。
　　北宋时期的思想家王安石（公元1019－1086年）以改革变法为己任。他认为“天行有常”，天象运行也是一种自然现象。它们按照一定轨道或规律运行：“天地与人，了不相关，薄蚀（指日月蚀，这里泛指天象变化）、震摇（指地震），皆有常数，不足畏忌”（《司马温公传家集》）。
　　古人在对地震现象进行长期观测，积累并总结出丰富的地震资料和知识的基础上，为谋求对地震这种突发自然现象及时掌握并加以防范，以减轻灾害损失，遂研究创制出了用以观测地震的科学仪器——地动仪。它的设计创制者，则是对地震现象持有唯物观点，认为人们是可以掌握地震动态和探索其运行规律的东汉科学家张衡。
　　张衡（公元78—139年），宇平子，南阳西鄂（今河南南阳）人，是东汉时期著名的科学家、思想家和文学家，东汉安帝（公元107—125年）和顺帝（公元126—144年）时期，曾两度担任太史令，掌管天象观测和制订历法；在宇宙天体观上力主浑天学说。其在《浑天仪图注》一书中，对西汉以来的浑天学说有关天地体系或结构的观点作出了极其精辟的表述。他设计制造了第一台利用铜壶滴漏以水力为动力运转的浑天象，类似今天的天球仪。浑象所演示的天象变化与实际天象运行完全吻合。他还创制了一种活动日历，叫做“瑞轮蓂荚”，实际上是一台自动日历，对古代天文学作出了重大贡献。
　　
　　张衡是我国古代杰出的科学家。在他的一生中，曾经历过不少地震、山崩的灾害，仅在东汉和帝永元元年（公元89年）起始的50年中，京师洛阳和陇西等地就曾发生过33次地震和13次山崩、泥石流等灾害现象；其中大约有6次属于破坏性地震，特别是汉安帝元初六年（公元112年），一年之中，就发生了两次大地震：山体动摇，江河之水皆为之鼓荡，停泊之舟多覆溺，大震前后还发生过一系列微震和余震，房屋大批倒塌，人畜伤亡惨重。张衡是河南南阳人，又在首都洛阳任职，对当时的许多地震，有不少属于亲身体验。同时，他担任太史令官职多年，不但掌管天文历法，而且各地发生了地震上报朝廷后，都由他记录下来。他因此掌握了不少大震前的先兆现象，如震区出现的灼亮闪光，如雷鸣轰吼的地声，水位和气象的异常变化，动物的异常反应等等。他在掌握了大量地震资料的基础上，通过长期的研究实践，得出了人们可以掌握地震动态的科学结论。在古代交通不便，信息不灵的情况下，为了及时掌握各地方发生地震的信息情报，他感到很有必要创制出一套仪器来对地震现象进行观测和监控。他经过积年累月的艰辛、孜孜不倦的探索研究，终于在东汉顺帝阳嘉元年（公元132年），设计创制了世界上第一台地震观测仪，定名为候风地动仪，为人类及时掌握地震灾害谱写了科学技术史上的光辉篇章。
　　《后汉书·张衡列传》记载说：
　　阳嘉元年，复造候风地动仪。以精铜铸成，员（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，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。京师学者咸怪其无征。后数日驿至，果地震陇西，于是皆服其妙。
　　
　　地动仪系由精铜材料铸造而成，其圆径为八尺。罩在仪器顶部的仪盖降凸起，外形像一个酒坛子。坛周围装饰有山、龟、鸟、兽等图案。仪器内部安装有一根都柱，类似惯性运动的摆；在摆的周围和仪体相连接的八个方位安装有八组杠杆机械，以操纵启闭开关。外周相应雕刻设置了八条腾飞的龙，盘踞在仪体的八个方位。每个龙头嘴中都含有一个小铜球；龙头下面相对应地都安放了一只蟾蜍，张口向上，随时等候吞含从龙口中落下的铜丸。地动仪的牙机，类如齿轮，其制作相当精巧，隐藏在仪器腹内。顶盖与仪体合拢非常严实，没有一点缝隙。如果什么地方发生了较强地震，仪器接收到震波，其都柱偏侧触动龙头的杠杆，就会使处在那个方位的龙嘴张开，铜球当啷一声自动落入蟾蜍口中。这样，根据仪器方位的机制，观测人员根据铜球“振声激扬”，就知道在什么时间、什么方位地区发生了地震。经过其后所发生的地震实况加以验证，地动仪所指的方向和地震实际发生的方向几乎完全吻合。
　　地动仪制成后，被安置在首都洛阳。东汉顺帝永和三年（公元138年），陇西发生了一次六级以上的地震，仪器从相应方位的龙口中掉下了一颗铜球；但位于京城的人们却没有震动感觉，便纷纷怀疑和责备地动仪不灵验。可是，不数日，邮驿从远离洛阳千里以外的陇西（今甘肃南部）传来地震情报，证明这一天确实发生了地震，大家才佩服惊叹地动仪的神妙。
　　张衡创造科学仪器，利用地震波来测知地震。地动仪能相当灵敏地遥感地震波的信息。这是一项伟大的发明，开创了人类使用科学仪器测知地震的历史篇章；同时也宣告了一切唯心主义天命观或天人感应论将地震现象神秘化观点的破产。
　　
　　作者：四川省文史研究馆馆员
　　四川省社会科学院研究员