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张衡的地动仪在现代还能用上吗?

时间:2010-7-31 专题:张衡地动仪
王振铎先生的模型已被证明是一个错误模型,必须放弃。而复原“张衡地动仪”必须另辟蹊径,冯锐所拥有的条件只有两个,第一,是被很多史学家评论为“孤证”的《后汉书,张衡传》中仅有的196个汉字。

第二,就是冯锐用了两年的时间得出的,张衡地动仪是“悬垂摆”原理的结论。然而这还只是理论结果,要想做成一个实实在在看得见,摸得着,能验震,又符合汉朝特点的仪器,谈何容易。

冯锐:虽然我们有这个心去做复原,但是我们要必要性,能不能干下去,我们心里说句实话还是打着鼓的。说别人不对容易,那你做一个,难啊。

复原工作要经常涉及古代历史、文学、美学这是一个自然科学以外的全新领域。

冯锐:这时候我特别感到我们作为自然科学家对古文了解实在是太差,实在是太差,我们有时候去博物馆,感到我们简直是没有知识,像野人一样,很多看不懂。

冯锐既要考古,又要根据考证的结果进行复原设计。但是怎样保证设计的准确,从哪里开始呢?

在后汉书中记载着“柱”“道”“关机”“丸”四个神秘的结构,应该怎样设计这四个结构,即符合汉代工艺,又能检验真实的地震,冯锐唯一的根据只有《后汉书》。

冯锐:你要做这样的复原怎么起步呢?这在技术上有一个很要紧的是个问题,就是定量,定量是这个问题的关键。

寻找定量的依据是自然科学与考古学本质的区别。

回顾通篇《后汉书》冯锐几乎倒背如流,这196个字中只有一个定量词“圆径八尺”,但要复原地动仪靠这一个条件还远远不够。

张衡的科学水平如果不是传说,那么在后汉书中就必定隐藏着科学的玄机,冯锐必须利用这唯一的条件,找到更多的定量参数。

冯锐:那么既然是两米左右的话,那它这个都柱如果悬挂起来,它最大的长度,充其量是两米,……那么我把这个柱子我碰它一次,让它晃动,一晃动它就有个固有周期,这是体固有的属性,现在一摆的周期是一秒到六秒,在这个范围内,张衡地动仪它的过往周期是1.7秒差不多到2.1秒左右,在将近两秒的位置,那不恰恰是我们现在地震仪的合理范围,…好,这个参数决定我可以做了。

冯锐通过测量,计算得到了第一个定量数据,“都柱”摆动的固有周期2秒。

冯锐眼望着书架,思索着第二个定量是什么?“傍行八道”“一龙发机,而七首不动”“如有地动尊则振”。

冯锐:如有地动尊则震,好,震这就是有参数的,尊则震是人眼睛看到它震了,那么将近两米这么高的物体,你一眼就能看到它振动,看到它晃动了,…所以我们在办公室做实验,看看那个书架,我们用一个小东西看一看,眼睛能不能看出来,…这个幅度多大?差不多三毫米到四毫米,起码有这么大。

第二个定量参数尊体的位移量也有了。冯锐认为在后汉书中绝不仅只有两个定量参数。

冯锐:我反复想,还有一个参数,就是陇西地震,尝一龙激发而地不觉动,京师学者咸怪奇无征,那就是说地面动了,人还不觉得动,那么地震就有办法了,这个力度应该是三度到四度,三度到四度那个裂度,它加速度差不多是千分之一的加速度,也就是说每秒每秒一个厘米左右,好,那我们加速度就有了。

“一龙激发而地不觉动”得到了地震波的加速度,“尊则振”得到了尊体的位移量,和“都柱”的晃动得到了悬垂摆的摆动周期,还差什么?冯锐在心里反复背咏着后汉书。

冯锐:他讲后数日驿至,数日什么意思?一般我们可以理解三五天吧,那么人一天跑一百里地可以了,那么马呢我们就算足了吧,一百公里、两百公里,那几百里地了也就这样,那么三五天我们就这样算下去,这个距离就应该差不多是五百多公里到八百公里,这个大体范围就有了,我们拿地图一量确实距洛阳地区,这么大距离就是陇西,对的。这个距离我们就知道了,这个距离我们跟历史地震比较地震的大小,我们就可以估算出来,应该是六级半左右到七级。

根据《后汉书》中对张衡地动仪内部的描述,以这四个定量参数为基础,再找到隐藏在字里行间的秘密,从新设计出符合记载的四大神秘结构,柱、道、关机、丸。

冯锐苦苦求证的量化参数,在1800年前张衡是不可能掌握的。谁能知道,张衡是运用怎样的方法,造出如此巧夺天工的器物的。

由于准备充分,设计开始出乎意料的顺利。

冯锐:中有都柱,这个好理解,那么中间有一个粗的大的重的柱子,这是个惯性体,它的惯性运动来检测出地震,就是非常合理,非常物理的思想。棒性八道有八个道,那么接着有八个龙,八个方向,这个好理解,还有龙机发,说机就是杠杆,牙机就是杠杆,过去有出土,就是这个弓箭,首先铜丸好理解,这四个是比较好理解的。

然而这样的顺利没能持续太久,在设计“都柱”部分时,为了达到龙首吐丸,冯锐在都柱的四周设计了八个触点,但是这个像狼牙棒一样的“都柱”令设计过于复杂,这样的设计能够达到“一龙发击,而七首不动”吗?

冯锐:就说当这个地震波来了以后,它触发铜丸是一个球掉的时候,其他是不动的,这个真是张衡在给我们出难题,因为地面幅度非常小,你想如果是三四个毫米,我们按照四个毫米做计算,这个柱体和这个杠杆,这个接触点要非常近非常近,它要两个方向的近,非常近。

当一个方向的地震波传来时,都柱带着八个触点向前运动。触发一个机关,吐丸。但是每个触点相邻45度的位置上还有两个触点,也同时被触发了,这样的设计是非常不严谨的。

冯锐:所以我们在设计那个触点的时候,是非常卡的非常非常紧张的,你动它不会碰它,碰它不会碰它,这个加工就很难了,由于触点和触点之间的缝隙只有三四毫米的距离,迫使都柱的设计要非常精确,加工要非常精密,调整要非常精致,一切在严格的标准下进行,才有可能最终达到“一龙击发,而七首不动”。张衡会不会也选择了这样的设计,或者还有更好的方案。冯锐不得不再一次钦佩张衡。如此困难的技术他在1800年前就已经解决了,难怪有人说张衡是天外来客。“都柱”的设计变得缓慢异常。

都柱的设计还没有结束,难办的事情接踵而至。由于“都柱”的需要摆动空间,于是引发了外部尊体的大变化。原来椭圆的蛋型必须改变。

然而冯锐还不能理解,后汉书中对地动仪外观“合盖隆起,形似酒尊”的描述。

冯锐:后汉书只是讲气盖隆起,这隆起到什么样子,这个说不清楚,王振铎模型成椭圆的蛋型,是为了给内部的倒立棍足够的摆动空间而设计。但在查遍汉代资料后,冯锐发现,汉代根本没有这样的酒樽。而大多的汉代酒尊,都是像蒙古包的直筒尖顶造型。冯锐认为,古人既然提到“合盖”的问题,就一定有它的目的。

在北京大学博物馆,冯锐见到了真正的汉代酒尊。这是一个完美的金字塔造型。只有具备这样稳定的结构,才能作为科学仪器使用。冯锐看着这尖顶的酒樽,体会着,难道这就是后汉书中所说的“合盖隆起”吗?

冯锐:当时我们在看书的时候,也不知道怎么办这个时候卢兆荫先生他有一天晚上给我打个电话,说冯瑞,我又找到一个有关张衡地动仪的一些材料,说是续汉书,我说续汉书是怎么回事,他说司马彪写的,我也没有反应过来,我的历史不行,司马彪、司马毅我都搞不清楚这个,他说西晋的,我朝代也搞不清楚,很惭愧,我什么时候,他说西晋的,他说比范晔,我们看的后汉书还早一百多年呢,哎哟,我说这真是喜从天降,当冯锐迫不及待的拿到《续汉书》后,书中对酒尊的描述令冯锐,恍然大悟。

冯锐:这个他明确讲,它的盖是气盖穹庐。

冯锐:那就等于是上面是一个穹庐天,然后有个龙,是天上飞龙下来了,下面是蟾蜍,那这个比喻就是一个非常好的一个地学观点,

为了求证古代仪器,精准的外形特征同时还能满足科学仪器的稳定要求。冯锐来到古观象台,测量古代仪器,寻找历史的证明。

冯锐:那九尊它上面是一个穹庐形的盖,下面是一个直筒,然后下面有器族,什么动物,这个部分中间的直立部分你侧面一看,它是个矩形,我们中国青铜器这个高度和它的宽度之比,就是侧面看,是多少呢?0.62这是什么参数啊?0.618就是接近0.62了,黄金分割的参数啊。

冯锐:这个龙制作0.618就在轨道的下方,特别好看,而它的质心更低,这是一个很美丽的东西,所以这是我们中国科学的,科学和美术的一个很好结合的一个典范。

站在城头,冯锐仿佛有了些艺术家的气质。作为一名自然科学家,从来也没想过自己的研究课题,有一天竟然和考古,艺术紧紧的联系在了一起。遥想千百年前的古人,是什么样的动力,什么样的智慧使他们创造出如此巧夺天工的作品。令今人看来也只有赞叹的余地。

都柱的设计问题还没有解决,一个新的问题又产生了。在王振铎的模型中,蟾蜍被设计成,散放于尊体四周。由于占地面积过大,明显与“圆径八尺”1米85的限定不符。在博物馆工作的李先登也认为这样设计并不合理。

李先登:我跟王先生就提出来过,我说散之四周,不严密,你这位置怎么摆?因为我们搞陈列嘛,是往前点摆,往后点摆,……王先生说,还是你们看吧,摆怎么合适就合适,还有一个令冯锐无法理解的是,后汉书写地动仪的文字只有196个,为什么范晔要写两次蟾蜍受丸的功能,很显然这不符合古人惜墨如金的特点。所以不能用了
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