山龟鸟兽，八方兆龙
——候风地动仪研究
本文收录于《第九届中国机构与机器应用科学国际会议（CCMMS 2011）》论文集
中华机械文化遗产研究会
摘要：本文从历史文献与机械感震技术融合理解的角度探索了张衡候风地动仪的感震机制。在候风地动仪的全部组成件中，“都柱”是接收地震信息的第一感应件。“候风”二字取与地震相关的释义，是对古老的捕捉地震信息经验的总结和提升。在地震的时候，地震“风”一定会打击预先妥善设定的“候”。据此形成的候风地动仪的干井长柱式感震设计推断，具备当初可以达到的认识水平和技术水平。使用现代地震知识可以进一步说明这个创造具备了符合自然规律的特征：它具备了感震测向的前提、时间、距离、深度和成功的概率。在人类认识地震的历史进程中，张衡建立了引领人类跨入感震、测向节点的历史性贡献。
关键词：候风，都柱，地动仪，感震
张衡（78——139）的候风地动仪[1]，尽管主流公认是世界最早的地震仪，但近两千年来其感震机制一直未能出现令人信服的有力分析。因此，国外个别的学者如米尔恩、戴维森、诺特等开始对其真实性产生微词[2],而国内教科书关于如何表述候风地动仪的问题也广受争议，一度引起舆论媒体的重视[3]。
候风地动仪历史上曾进行过公开测试，且被证明其感震功能完全有效。这个历史记载说明了失传的候风地动仪在科技史上的真实存在，也可以推论其在一定条件下被后人复原的可能。虽然后续研究者不可能百分之百地复原古代失传机械，但可以逐步争取最大限度地贴近原型，做到本质上一致。本文对候风地动仪感震机制和基本构造进行了探索，提出与现有研究成果有所区别的解析方案，供读者分析、比较、参考。
1候风地动仪的研究状况
历史上，曾有多位知名学者对候风地动仪的感震机制进行过研究。近现代知名的主要有竺可桢、范文澜、李约瑟、王振铎、王湔、李志超、冯锐和王鹏飞等人的研究。这些研究在三个决定复原成败的关键问题上进行了仔细的分析，为最大限度贴近原型做出了探索。
1.1“候风”、“地动”是两器还是一器
竺可桢认为张衡的候风地动仪实际上是候风仪与地动仪两种仪器，他依据的是《三辅黄图》[4]。
范文澜在《中国通史简编》中按竺可桢的意见,把张衡的候风地动仪作为两种仪器分开记载，但是他注意到《三辅黄图》所记的不叫“候风仪”,而是叫“相风铜鸟”[5]。
李约瑟的《中国科技史》中《地震学》部分明确以“张衡又发明了候风地动仪(即地震仪)”的说法入载，仅在句的注④中记录:“竺可桢在给(即李约瑟)的一封私人信件中说,他的论证是以《三辅黄图》中谈到候风鸟的一段话作为依据的。但是我们未能在这本晋代的古书中找到任何与候风仪有关的资料。”[2]以后的研究都比较重视探讨“候风”两字作为地动仪冠名的可能。
候、风两字的内涵存在与古代感震机制可以融合的释义，候风地动仪是一件器械的完整名称，“地动仪”则是其简称。
1.2“都柱”究竟是何种构造
候风地动仪有一个关键件，称为都柱。以往所有的学者设计的都柱[6]、[7]、[8]、[9]、[10]都体现了深入慎重的复原思考，都有优秀的后续动作设计，各自成为一个完整的系统。在关键的灵敏度问题上，都具备“牵一发而动全身”的精密构思。只要铜尊发生极微小的倾斜或水平位移，所有设计都能够准确发出表示地震的龙吐珠警报。此外，这些设计还有一个共同特征，即都柱整体都在铜尊的尊底以上，感受的是铜尊传递给它的震动，依赖铜尊的动作而动作，是地震的第二感震件。
这个特征没有确切表达张衡候风地动仪的感震机制。可以从 “都”字的释义出发,探讨都柱为候风地动仪第一感震件的可能。
1.3是铜尊的尊体还是尊内机关启动龙吐珠
2005年，王鹏飞在《张衡候风地动仪功能测试和感震原理的探讨》[11]一文中对“尊动论”有一段精彩的分析：“地震波振动与由地震引起的地动山摇并不相同,后者振动受地层结构及建筑结构影响，所以其振动方向不与地震波方向一致。铜尊如有振动则属于后者,它不属于地震波性震动。这种振动方向必然混淆地震波振动方向,必须排除。”
铜尊主要是一个排除干扰的机罩兼装配组件的机架，而非地动仪中的第一感震件。如果由铜尊震动引起龙吐珠动作，那么龙吐珠代表的地震方向将会与实际发生很大偏差。
2候风地动仪的感震机制与复原思路
2.1文献字句理解
后汉书《张衡传》中对候风地动仪的记载是：“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”。（196字）[1]
该段文字中,整体与部件名称中候风与都柱的确切含义、动作程序中尊则振龙的描述实质、铜尊外观中员径八尺的构造目的容易发生与复原构造相关的理解分歧，需要详细研究。
2.1.1都柱
一般字、词典对都柱①的解释都以张衡候风地动仪为出处，很难查到都柱用于张衡候风地动仪以外的地方。字、词典对都柱一词的解释也仅为“张衡候风地动仪内部的一根柱”，没有展开分析。
张衡用一个都字来描述这根柱，是否意味着这根柱在仪器中的功能可以抽象为一个都字？
古文都②字有许多解释，其中包含“四面八方向一处汇聚”。如古代释之为“泽中有丘，虫鸟都聚”，就非常形象地表达了这一层意思。现代地震知识告诉我们，假如不考虑干扰因素和波的衰减量的话，在地壳任意一点都可以收到来自地球各个位置的地震波[12]。张衡所在的时代虽然还没有波的概念，但是古人通过对“地震”与“地水”之间关系[3]的长期观察和经验积累，早已了解了地震消息在地面以下四处传递的现象。因此，都字取“四面八方向一处汇聚”之义较为接近。
用在地动仪部件名称上的都字所汇聚的，应该就是指四面八方地震在地下传递的消息。都柱一词相当于“接纳四面八方汇聚之柱”。这样理解，这根柱就是整个器具中被张衡设计为承担直接感受地震任务的件，即“感震之柱”。张衡使用都字描述这根柱，十分干练和确切地表达了“柱”属于直接感震件的功能定义。
对古朴的井中观震经验的分析可以获取“地下深处对地震的反应可能比地面灵敏”的直接经验。因此采用上述将文字与地震现象融合理解的方式，又可以形成对都柱构造位置的理解：它一定被深埋于地面以下更灵敏地感震。
如果先让其它组成件感受地震，再让都柱从其他组成件中继而感受，信息来源就与都字无关，这根柱就不可能称“都柱”。因此，本文认为，既称为都，这根柱就是地震的第一感震件。
2.1.2 候风
张衡以候风二字命名地动仪具有针对性，准确表达了古朴的感震机制。
先看候字。候字源出于侯④。“侯，射布也”。古代还有侯弓⑤之词，意为射侯之弓，侯字解释为靶子。感震系统要想有效，能不能妥善地设定一个靶子(现代称为传感器)，使地震发生时，传递地震消息的物质可以作用于它，让它得到感觉,是设计成败的关键。这个靶子称为侯，符合古汉语的表达。
《孔氏曰》侯，候也。阐述了该二字在本质上的一致。侯与候在古代仅有级别上的差异。古以射选贤，君王选中的就是诸侯。被诸侯选中的就是侯侧之人，古语在侯的左侧再加了一个单人旁，也就是现在写法的候。根据古代礼仪，他们射的侯有颜色、图像等多种区别。由于此处所涉的是器物，文献避讳了重要爵名,使用了候而不是侯，应属可以理解。
再看风字。风在现代日常表达的是地面以上的空气运动。在古代，风字有多种解释。
首先从文字间的呼应来看，将候理解为靶子以后，风就可以相应理解为作用于候的力。从力的角度分析，风具有快速、无形、有力、有方向的特点。张衡选择风来描述这个作用于候的力，准确表达了地震传播过程中同样存在的力的以上四个特质。
其次，把这种随地震同步在地底下传递消息的现象描述为风⑥，也符合古代对风字的另一种使用习惯。例如成语“闻风而动”之风：风即为传递着的消息之意。
另外古代还有“风动万物”之说。既动万物，就包括了地下之物，撼动地下之物的就是地下之风。风动万物，亦必动候。在地震的时候，地震风刮到（冲击到、作用到）预先妥善设定的候，候吸收冲量以后立即转化为动量释放，引出后续反应，报告地震发生。候风这个名称交待了该地动仪属于被动感知类地震仪器的性质。以候风二字冠名表达感震机制（本文称为“候风机制”），充分体现了张衡用字用词的针对性以及准确性。
一个引申的问题：为什么都柱不叫侯柱？原因很简单:若称为侯则不能象都这样表达柱 “从四面八方获取，反馈到四面八方”的完整功能。
2.1.3尊则振龙
对尊则振龙的理解可以分出两个不同的观点：1.尊仅指壳体，壳体将震动传给都柱，都柱启动机关；2.尊是指包含感震构造的整体，而非单纯指壳体，从感震开始有一系列内部动作，最终表现为外部可以看见的龙吐珠。
文献中有“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”的记录，对于探索候风地动仪构造的参考重点是“地不觉动”而“一龙机发”。此处的“觉”,应该包括动觉与视觉。这句记载传递了两个信息：1铜尊不是感震件；2候风地动仪有可以直接在地下感震的深埋件。
地不觉动说明该记录所指的地震风到达测点时已经衰减到对地面物体的作用力微乎其微，无法感知。尊作为一个孤立的壳体来说其动力来自于地面，地面不动，它也就根本无法获得振龙的动力。但是“一龙机发”证明地震风终究还是被候风地动仪感受到了，那么其测点就不可能在地面。此处把古文中的尊理解为包含感震构造的整体时就显得容易合乎逻辑：地动仪有不在地面的重要部件。这个部件就是“接收地震信息的第一感震件”，就是都柱。在地面不动的时候，是都柱从地面以外的地方——地下深处获得信息，引发了一系列动作。
2.1.4员径八尺
文献记载“员径八尺”，是指铜尊的直径。铜尊如此之大，究竟目的何在？铜尊的底下有一口预先设计的干井。干井设计出于回避浅表土层与都柱接触和深埋都柱的构造推断。铜尊做成这么大的直径，目的是为了罩住这口干井。古时没有可以将直径控制得较小的钻井机，全靠人力。井挖得深时，井口相应也要放大，便于开挖。员径六尺时，开挖的人已经可以轻松团转挖至所需深度，也足以安装都柱，并可以保证都柱有足够的直径。由此推测井的开挖外径一定小于八尺。铜尊八尺，可以安全完整地罩住干井。
水的波动会干扰都柱传递信息的灵敏度，干井则可以有效隔绝地表无关震动对都柱的影响。在干井条件下，固定于井底深处的都柱所采集到的信息将直接到达顶端。
2.2 地震波规律对构造的约束
侯风地动仪虽然在设计制作的时候还不具备现代知识，但是他既然事实上制成了能够感震测向的地动仪，就一定在构造的原理上与现代对地震规律的研究结果有相近之处。
地面以上设计都柱的方法一直没有说明其测向的理论依据，一直无法排除国外关于候风地动仪的非议。这些非议的依据是地震波在地面的运行规律：地面以上根本就不存在单机测向的任何可能。所以必须讨论地震波规律对构造的约束，才有可能比较合理地认识候风地动仪原设计的思路。
干井长柱的构造如果是将都柱固定于井底深处的岩石层，直通地面而不与表层泥土接触，其对地震波规律的符合性就不同于在地面以上设立都柱企图获取方向信息的构造，也不同于在尊内设立都柱成为第二感震件的构造。
干井构造的推断符合了机械感知地震方向的二个前提：第一是排除无关信息的干扰，第二是排除机械运动时的阻碍。在一定的距离、一定的深度内，这个构造有50%测准方向的可能性存在。
2.2.1
P波在地下的推进虽然俯视时是直线运动，但侧视却不是直线。通过不同介质的界面时P波会折射；在不同密度的介质中，推进的速度、衰减量的大小不一样；地球自转也赋予P波一个离心力。这些都在与地面垂直的方向扯动了P波的直线性，地球的地质密度分布也迫使P波运动向地表弯曲。P波按照质点轨迹描述的方法，实际上侧视是一个类弧线，弧线的末端是地面。从感受方向的角度分析，中远距离的P波在地下的绝大部分路程都具备水平分力，力的指向是正负震中。
但是，中远距离携带水平方向信息的P波多位于地幔，其深度人不可及。当其进入最后的浅表时已经接近与地面垂直，无法测出水平方向。不过，在震中区以外、距震中800公里左右以内的情况不一样。在这个距离内，P波的一部分没有进入地幔，始终在岩石层穿行，最后穿出地表。这部分在它尚未穿离岩石层之前属于相同介质内的运动，始终携带水平方向的信息，这就使800公里内的硬岩层具备了具有水平分方向的弹动。过了800公里左右的距离，硬岩层里面就全部是地幔折射回来的P波而没有这一部分P波了。
再看P波在地面与空气中的状况。美国著名地震学家的实验分析证明：地下崩塌造成的P波，到达地球表面任何地方时初动都是地面向下运动，地下核爆炸造成的P波，到达地面任何地方都将引起地面初动向上；由断裂破裂产生的P波，初动在两个相背的象限里推动地面上隆，在另外两个象限里把地面向下拉。这说明p波在突破地表空气界面前的折射方向已经与地表垂直了：面向天空，轰然而去。人们直接经验到的每一次有感觉的地震无论发生距离的远近，最初的感觉都是上下振动，就是这个原因。这证明P波穿出地面的前后已经不再携带水平方向信息。即使在800公里以内，地面下有限深度和空气中也同样如此。
候风地动仪当初“一龙机发”所测地震离测点在600公里左右，具备了测向的距离因素。
2.2.2 都柱的深度位置
都柱固定于岩石层。岩石层到地表的距离是与地质状况相关的，深浅不一。岩石层是人可以达到的深度。我国古代开挖深井的技术世界领先，汉代已经可以挖到地下500米的深度。黄土层虽然总体是比较厚的土层，但即使较深的地方也不过200米略过一点，一般很容易找到距离地面20——30米深度的岩层。由于古代开挖毕竟人力耗费巨大，所以灵台选择的地方有可能岩石层较浅。考察灵台测点附近岩石层与地表的相对位置，就可以判断当初候风地动仪的都柱向下深埋的尺寸。
候风地动仪的都柱只要固定于岩石层，它就具备了800公里内测向的深度因素。
2.2.3
P波全程在膨胀波段与收缩波段间反复循环。候风地动仪的机械感震装置的测点是一个定点。如果有效扫过测点时是膨胀波段，就与震源方向一致，如果是收缩波段，就与震源方向相反。无法确定P波最初有效作用于测点的是哪类波段。因此，即使机械感震装置处于可以感受到P波的距离和深度位置，其表达方向的准确率也只有50%。这与现代利用P、S波时间差测距、加上多测点所获距离的弧线相交法准确定向的科学性是无法比拟的。
依据以上分析，候风地动仪测向效果是非正即反，概率各50%，可见某一次测定结果为正向的可能性是存在的。
2.3朴素而有效的感震机制
古人观察地震时早已积累了“井中观震”的经验。这个经验突破了浅表局限，丰富了人类观察地震的视觉渠道。候风地动仪以都柱为第一感震件，依据了这个经验，将感震渠道同样设定在地表以下。张衡的创造思路是:将古老的视觉渠道观震拓展成为动觉渠道感震。这个感震机制虽然达不到现代科技对数据的要求，却可以有效判断出实际的震与未震。
自张衡将“井中观震”发展为“井中感震”以后的这些年，“井中感震”随着科技的发展而不断成熟完善，至今已经进入了“井中测震”的新阶段。海南的数字化监测井就能够监测到震中远在2000多公里之外的汶川的地震波[13]。
2.3.1灵动放大报信装置2000年前可以实现制作
详细列出一种（可以有多种）核心动作过程要求，并交代各相关件作用如下：
要求都柱在获得感知以后要有发出信号的功能，这个功能应该是一个带有方向的运动。将一根较细的青铜棒和粗长都柱的上端连为一体。当都柱受到震动以后，上端的青铜棒具有弹性，可以放大这种震幅。而且结束震动以后可以主动复位。
都柱带有方向的运动应该产生另一个部件的动作以实现力的放大。都柱的铜棒顶端应当有一个锥台型件，上面平稳安放一个缺冠的铜球体，缺冠平面置于平台。铜球体在晃动中越出锥台上平面，并沿锥面自动避开缝隙，斜向滑落进入八道之一，下滑过程实现了力的放大。
这个放大了的力量应该足以打开杠杆系统。龙头杠杆内外各半，外重于内，平时可以压住龙口铜珠。内部长臂虽然较轻，但是加上铜球滑落的撞击力，总惯量却在瞬间大于外部，迫使外部龙口向上打开。
杠杆系统释放铜珠，撞击蟾蜍，形成音效报信。龙口咬合时铜珠依靠重力定位于龙口内，龙口打开后的落珠过程是第二次力的放大：撞击蟾蜍以后产生较大的声响，完成报信。
与上述过程相关的诸件以铜浇铸件为主，没有一件是汉代无法制作的部件。
2.3.2纯机械地动仪的功效与缺陷
依据本案思路复原候风地动仪必然会存在以下特征：1不受周边非地震性震动影响。这是干井隔绝的作用。2可以感受到800公里以内的P波，并作出45度范围以内的方向反应。3这个方向反应存在正负表达的相同几率。 4无法判断强度和烈度。
3结论
本文对文献记载候风地动仪的关键文字阐述了另一种理解方式，阐述了候风地动仪设计必然受到地震波运动规律局限的观点，阐述了符合上述两点的灵动放大报信装置在张衡年代技术水平下成功制作的可能性，希望可以丰富候风地动仪复原工作的参考。
人类认识地震包括了观震、感震、测震、预报地震四个历史阶段。张衡的努力与贡献表现在以下方面：“地震时可以感受方向信息”认识的建立、捕捉这种方向信息的有效努力——感震途径的发现、机械感震技术的创建、灵动放大报信装置的创制与成功的测向实践。
候风地动仪是两千年以前冠绝世界的“系统工程”。虽然现代传感技术早已淘汰了机械感震技术，但是张衡依然是引领人类突破迷茫无奈的被动观震状态实现主动感震的第一人，在人类认识地震、有效预报地震的顽强、持续的努力中，他历史性解开了一个关键环节。
注释：
①
②
水流汇聚，亦指水流汇聚之所。汉语大词典
⑼ 水溪所聚谓之都 水经注·文水 辞海
③
④
⑤
⑥《唐韻》方戎切《集韻》方馮切《正韻》方中切，𠀤音楓。風以動萬物也。《河圖》風者，天地之使。《元命包》隂陽怒而爲風。《周禮·春官·保章氏》以十有二風，察天地之和命，乖別之妖祥。康熙字典【戌集下】【風字部】風
⑿消息。汉语大词典
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朱治华 教育部将研究教材中地动仪描述[N]上海新闻晨报2010.12.5
董纯蕾教科书中地动仪的图片是复原模型[N]上海新民晚报2010.12.7 A4
专家直指四大缺失 北京青年报转人民日报海外版 [N] 2010.12.16 A8
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[13] 顾申宜 李志雄《海南地区五口井水位对汶川地震的同震记录及其频谱分析》国际地震动态中国地震学会第十二次学术大会论文摘要集 [C] 2008年
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