谁发明了世界上第一台地震仪(记录地震的仪器)?也许很多中国人都会回答:张衡。的确,长期以来,我国的中小学教科书和科技史著作一直在宣传,东汉的张衡在公元132年制造的“候风地动仪”能够准确记录地震,比西方第一台地震仪(由意大利人路吉·帕米里在1856年制造)早了1700多年。有的甚至说,候风地动仪可以“预测地震”云云。
然而,认真推究的话,这些说法都是很成问题的。今天,史书中有关候风地动仪的记载,仅见于《后汉书·张衡列传》。这一段记载只有区区196字,其中描述地动仪内部结构的内容更只有“中有都柱,傍行八道,施关发机”这十二个意义隐晦、众说纷纭的字。以后,北齐的信都芳,和隋朝的临孝恭,也都制造过地动仪,还留下了相关著作,可惜的是他们的著作在唐以后全部亡佚了。显然,仅仅根据《后汉书》中的简陋记载,要复原张衡的候风地动仪是根本不可能的;今天的一切复制品,与其说是对张衡原件的复制,不如说是在史书记载的那些“约束条件”之下所作的新创造。
尽管如此,《后汉书》的这段记载,还是可以向我们揭示一些有用的信息。
首先,候风地动仪绝不是地震预测仪,因为它只有在地震发生之后才起作用,只不过比从震区来的驿路使者能更早地通知京城的人士罢了。这就好比我们看到闪电,就知道接下来很可能会听到雷声,但实际上,在闪电发生时,雷声也已经同时发生,只不过还没有传到我们耳朵里罢了。
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:一种叫P波,是纵波,它引起的物体振动方向和波的前进方向一致;一种叫S波,是横波,它引起的物体振动方向和波的前进方向垂直。P波的速度比S波快,因此最先到达地面,形成地面接收到的地震波中的初波(P就是英文primary“最初的”的缩写)。从理论上来说,根据初波的振动方向就可以知道震源的方向。
但是,初波总是非常微弱的,因为它只能是从震源直直地(或者因为在地球内部发生折射而略弯曲)向着地震波接收处地面传播的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。这就好比很多恒星的总发光量都非常大,如果全照射到地球上,足以把地球烤化,但因为只有直直地射向地球的光才能被我们看到,而这部分光只占恒星全部光的一小部分,所以它们看上去才显得黯淡,还不如一个灯泡亮。
这样一来,如果候风地动仪能敏感到对“第一哨”初波就做出响应,那么足以有许多别的和地震无关的振动——比如在它附近跺脚——能引起它的反应,从而让人误把许多不是地震的振动也当成是地震。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振动方向已经完全不能代表震源的方向了。
更何况,要记录一次地震,有三个要素是必不可缺的: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,理论上说,几台地动仪“联网”,也可以测出震中位置;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,候风地动仪并不能记录地震,不是地震仪,当然也就更不可能是“世界上第一台地震仪”了。
2008.05.13于银川
相关文章

Pingback: 科学松鼠会 » Blog Archive » 【置顶】科学松鼠会之地震专辑
不知从现代地震学的角度来看的第一台地震仪是什么时候以及怎么工作的?
另外我一直想问的是为什么美国地震网站的消息那么灵敏? 每次世界各地的地震, 他那边马上震级, 位置什么的都出来了.
假使说张衡地动仪的动作机构先由纵波激发, 作为对横波的检测的先决条件, 完全可以做到报告地震方位啊. 史料有候风地动仪成功报告陕西地震的记载. 换个角度讲, 说明候风地动仪可以排除日常震动的干扰.
刚好前几天有跟人说明个这个问题,直接复过来补充一下
科普一下,多年来教科书中的那个模型是无效的;
要改变人在旁边跳一下就会动作必须采用悬挂方式,这是因为震荡频率不同的关系;
但悬挂式仍然比较粗糙,我猜想在实验条件及方式不足的古代,定义多大的振幅响应是很困难的,要获知地震波是升还是降以得到方位也是较难的,除非制造一堆能响应不同震级规格的地动仪,但这矛盾就来了,这些东东在古皇帝那里是作为神器来看的,但既然达不到普适的功能那么没留下样件这东东没改进也就很正常了,并且我们的老祖宗对实验向来没啥耐心,所以对此我抱5
另:至于上面个位要讨论易经/观天象这些先进古代科学的朋友,你自已哈哈哈觉得说倒我就算了,我没空
附:
关于地动仪的结构,目前流行的有两个版本:王振铎模型(1951年),即“都柱”是一个类似倒置酒瓶状的圆柱体,控制龙口的机关在“都柱”周围。这一种模型最近已被基本否定。另一种模型由地震局冯锐(2005年)提出,即“都柱”是悬垂摆,摆下方有一个小球,球位于“米”字形滑道交汇处(即《后汉书·张衡传》中所说的“关”),地震时,“都柱”拨动小球,小球击发控制龙口的机关,使龙口张开。另外,冯锐模型还把蛤蟆由面向樽体改为背向樽体并充当仪器的脚。该模型经模拟测试,结果与历史记载吻合。
http://www.douban.com/group/topic/3190972/
区区一个博士生,开口闭口科普别人,不觉得羞耻吗?这类话还是少说为妙,因为很可能你就碰到一个专家手里了,隔行如隔山,现在的科学太专业化了,换个专业的文章拿你看,你连门都找不着,怎么去科普你不熟悉的知识?而有些科学常识,绝大部分的人都是知道的,不知道或者不清楚的也只是少数,动不动就想用这些知识去科普人家,不显得太嫩了么?
另外你所提到的在旁边跺一脚产生振动的问题觉得很不合理,你做实验如果对振动很敏感你会去用力跺一脚么?很显然的事情,在放置这么精密仪器的地方,绝不会允许这么做的.古人和我们的智慧并没有多大差别,所差的只是知识罢了,不要把自己想象的比人聪明.
以前在中央台看到过一个都江堰的介绍.里面提到一种利用水流产生的压力来固定石头的方法.虽然那时候没有精确的三角数学知识,但是他们仍然用他们的智慧计算出合理的角度,使水流的冲击力被压力导致的静摩擦力相抵消,这才导致了它千年而不跨.人不要太自大,不要为自己学到一点知识而沾沾自喜,谦虚做人,低调做事.
干嚎,接着干嚎。
哈哈,对你这种水平的人,用不着...
口口声声要科普别人的人,有种拿出水平来,否则别来卖乖
Pingback: Bo Zhang’s Homepage » [转载] 科学松鼠会之地震专辑部分文章
手动 trackback
http://gezhi.org/node/974
是我们没接收,还是你那边没ping出?
Pingback: 博客李淼 » 关于地震的一些科普文章(不断更新中)
这样一来,如果候风地动仪能敏感到对“第一哨”初波就做出响应,那么足以有许多别的和地震无关的振动——比如在它附近跺脚——能引起它的反应
==================================
这个我倒觉得不比担心--古代天象是大事,专门给仪器安排一大片闲人禁入区域,不是难事。
跺脚只是举个例子,呵呵。光是自然界中的振动就很多的。
古代能引起震动的因素不多,没有汽车,没有火车。最有可能的,只是战马奔腾
要做到完全隔振确实是很难的,且不说整个实验室都不能穿皮鞋,不能跑步,就是十几公里外一辆汽车撞到树上也会产生明显的干扰
这个倒不至于.高频振动传不远,低频振动也可以通过气弹簧有效过滤...当然这是说现代.
目前需要精密实验的平台,自身质量一般都比较大,能够进一步减小外界扰动带来的影响.
呵呵,可能是因为地震波的强度还是比较大吧,在引力波探测中,这些干扰都会湮没信号的:)
真是正确的废话。。。