提起中国古代的科技成就，很多人都会联想到东汉张衡发明的地动仪。大多数人是通过中小学的教科书了解到张衡及其地动仪的，但是由于没有实物流传于世，从古至今一直有人对地动仪是否真的存在表示怀疑。

教科书里的张衡与地动仪

张衡（78~139年）是我国东汉时期的天文学家、文学家，在数学、史学、地理学、机械发明等方面均有贡献，曾经担任郎中、太史令、侍中、河间相等职。说他是天文学家，是因为他是汉代“浑天说”的集大成者，曾经发明浑天仪，著有《灵宪》《浑仪图注》等著作；说他是文学家，是因为他与司马相如、扬雄、班固并称“汉赋四大家”，著有《二京赋》《归田赋》等名作。

在中小学教科书中，一直不乏与张衡及其成就有关的课文。人民教育出版社旧版小学语文教科书中曾经有一篇课文叫做《数星星的孩子》，说张衡小时候数星星，观察北斗七星绕着北极星转。在多个版本的高中语文教科书中，都收录了南北朝时期范晔《后汉书》中的《张衡传》，这篇文章不但介绍了张衡的生平事迹、主要成就，还着重介绍了其候风地动仪。张衡还是历史教科书的常客。人民教育出版社在20世纪90年代曾经出版过一套小学历史教科书，上册封面配图就是被复原的张衡地动仪的模型照片。人民教育出版社旧版的初中历史教科书中也介绍了张衡的地动仪及其对陇西地震的反应，还附上了地动仪的复原模型和震动示意图（如下图）。

人教社旧版历史教科书中的模型图参照的是王振铎的设计

2017年以后，教育部组织编写了新版的中小学语文、道德与法治、历史教科书，统筹安排相关内容。小学道德与法治五年级上册教科书指出，张衡发明了世界上最早的地震仪器地动仪，还提到该发明入选中国科学院发布的《中国古代重要科技发明创造》；在初中历史教科书中，有让学生搜集地动仪复原模型相关资料的习题；在2019年新版高中历史教科书中提到候风地动仪被誉为“制作侔造化”。

史书中的张衡与地动仪

对于张衡及其地动仪的记载，世人引用较多的是范晔所著《后汉书》，也就是前面提到的曾经入选高中语文教科书的《张衡传》一文。这篇文章提到，张衡发明地动仪的时间是阳嘉元年，也就是132年，当时在位的皇帝是汉顺帝刘保。关于地动仪的形制，文章多有描述，如用精铜制成，直径八尺（大约1.9米），分为上下两部分，上面的盖子中央有突起，形似酒尊，有篆文山龟鸟兽纹饰。仪器里面在中央有一根大柱子，与八方相连，内设机关；仪器外面有八条龙，龙嘴里含着铜丸，每条龙下面蹲着一只蟾蜍，张着嘴等着接掉下来的铜丸。如果有地动，仪器振动引发机关，龙嘴吐出铜丸被蟾蜍接住，声音非常响亮。地动仪的妙处在于，如果一条龙机关发动，另外的七条并不会受影响，由此可以判断地震发生的方向。文章还记载了一次陇西地震与地动仪发作的关联。此外，在《后汉书·顺帝纪》篇章中也有“史官始作候风地动铜仪”的记载。

除了范晔的《后汉书》，还有其他史书也对张衡及地动仪作了记载。西晋司马彪所著《续汉书》比《后汉书》成书要早，相关内容比《后汉书》多了“施关发机”等字，还有一些表述略有差异。不过《续汉书》已经遗失，只是散见于《太平御览》等古书中。东晋袁宏的《后汉纪》成书也比《后汉书》要早，但比《续汉书》晚。袁宏的记载有多处与范晔的不同，比如没有“候风”两个字，没有说陇西地震的案例，还有多处表述差异。学界一般认为范晔关于张衡及其地动仪的记载受到了袁宏《后汉纪》的影响。

通过上述史料的分析，我们可以看到，张衡发明制作了地动仪是比较可信的，地动仪的外观也是比较清楚的——形似酒尊、上下两部分、盖子中央突起、有八条龙、下面对应八只蟾蜍。但外观和内部结构的细节却是不清楚的。从外观来说，汉代酒尊的形状也并非完全统一，地动仪到底像哪种酒尊呢？是上下一样粗，还是上粗下细呢？八条龙是整条的，还是只有龙头露在外面？蟾蜍相对于尊体是朝外蹲着，还是朝内蹲着？龙嘴与蟾蜍的嘴相对位置到底是怎样的？这些都是未知的。再说内部结构，现存的史料只说“中有都柱, 傍行八道”，而且“其牙机巧制, 皆隐在尊中”，但中间的柱子到底什么样，多粗多细、是立柱还是悬柱？柱子跟八条龙是通过什么样的机关联系在一起的？由于没有详细描绘，更没有插图，这就给后人无限的遐想空间。由于不清楚内部机关，也就无法推知地动仪的工作原理。最大的遗憾是，迄今为止，考古发掘都没有发现地动仪的实物，因此也引起一些人的质疑。

地动仪的复原

地动仪如此精妙，吸引了不少人尝试复原。比较早的复原有以下几个案例，学者们都提出了设计图，但没有开展实物复原工作。

1875年，日本学者服部一三绘制了地动仪复原图，但只有外形，没有内部结构，更没有复原实物。这张图的影响很大，1931年，北平鹫峰地震研究室曾据其临摹绘制，地质学家李善邦的文章也记录过该图，后来这篇文章被英国科技史家李约瑟发现，这张图也进了他那著名的《中国科学技术史》中。1936年伦敦科学博物馆出版的《应用地球物理学专刊》也发表过一张与服部设计非常相似的地动仪复原图。1883年，英国学者米尔恩也画了地动仪复原图，同样没有复原实物，米尔恩当时在日本东京帝国大学担任地质矿物学教授，后来曾发明水平地震仪，是现代地震学的开创者之一。1917年建筑师吕彦直在《科学》杂志发表了地动仪的复原图，也只是一个外形设计图，且与米尔恩的有些相似，细节有所不同。

关于张衡地动仪的实物复原，是从20世纪50年代才开始的。参与复原的既有国家文物、考古、博物馆和中国科学院等单位，也有民间的企业和个人。其中影响较大的是王振铎和冯锐等人分别完成的两个复原模型。

王振铎是国内知名博物馆学家和科技史专家，曾经就读于燕京大学研究院历史系，后来长期从事文物和博物馆工作，复原了大量古代科技发明。1936年，王振铎尝试对地动仪的发明进行探讨，并发表了《汉张衡候风地动仪制法的推测》一文。1951年，他设计出了1:10的复原模型。8年后，中国历史博物馆建成时，根据王振铎1951年的模型精工制作了1:2的木质模型陈列展览。后来很长一段时间出现在我国教科书和邮票上的地动仪模型，都是以此为样本的。不过，王振铎在1963年曾经对地动仪的设计图做过修改，但没有进一步去复原实物。

王振铎1951年版地动仪复原设计图

1953年中国人民邮政发行的纪念地动仪的邮票

再来说中国地震台网中心冯锐等人的复原工作。2002年，在地震科学联合基金会的资助下，冯锐主持的“张衡地动仪的工作原理研究”项目开始起步。2004年，中国地震台网中心与河南博物院共同开展了地动仪的科学复原工作，组织了由8个单位的地震学家、历史学家、考古学家、自动化学家和美术家等参加的研究组，冯锐任课题负责人。课题组调研了大量的文献，考察了安放地动仪的灵台，做了大量准备工作。新的复原模型于2005年4月先后通过了专家委员会、国家文物局和河南省政府组织的验收。该模型后来一直在河南省博物院展出。此后，公众视野中就出现了冯锐等人设计的地动仪复原模型。2015年，香港特别行政区发行了一套“中国古代科学家”邮票，其中张衡那张邮票上采用的就是这个新的模型。

冯锐等设计复原的地动仪模型

2015年香港发行的“中国古代科学家”主题邮票采用了冯锐等设计的地动仪模型

通过比较可以看出，王振铎和冯锐等人设计复原的地动仪模型存在多处差异。从外观来看，王振铎的模型参照的是盆形尊，器如半球体、盆状下收、圈足，八条龙都有完整的身体，蟾蜍与尊体分离；冯锐等人的模型参照的是穹隆状尊，隆盖、直壁圆桶、平底、器足，八条龙只有龙首露在外面，以蟾蜍作为尊体基座。此外，二者在尊体的纹饰等方面也有很多差异。从内部结构看，二者都利用了杠杆原理，但王振铎采用的“都柱”方案是直立柱，而冯锐等人采用的是悬垂柱。目前，在中国科学技术馆新馆中，两个模型同时展示给了观众。

除了上面提到的复原研究工作，中国科学院退休研究员胡宁生提出了新的直立柱模型和验震实验；中国台湾成功大学教授颜鸿森等人主要针对地动仪的内部结构，提出了多种不同的设计方案；中国科学技术大学科技史专家李志超对地动仪复原的设计也提出了自己的方案。

模拟实验与复原研究是科技史研究的重要手段。对于科技史上重大发明创造的复原，需要结合历史文献记载、出土文物资料，充分考虑科学原理、质地材料、当时的社会文化背景等因素，是一项难度非常大的工作。这也是张衡地动仪的复原模型一直存在争议的主要原因。

总的来说，根据史料的有限记载，想要复原出跟张衡的地动仪一模一样的模型是不可能的。同时，张衡的地动仪对于地震发生的时刻、震级、震中具体方位都无法给出准确信息。该地动仪只能在地震发生后做出反应，并没有预报地震的功能。

尽管如此，现有的史料并非孤证，还是可以让我们相信地动仪是确实曾经存在过的，不能因为记载不够详细、没有实物留存于世就全盘否定地动仪。在历史的长河中，古人曾经有过不计其数的发明创造，但由于制作材料、战争、灾害等各种原因，很多都没有实物保留下来，后人只能通过历史文献对其有一个大致了解。至于那些既没有实物留存，也没有载于史册的发明创造，连想象的空间都没有留给后人。

     本文发表于《百科知识》2020-12（A）：20~23