张衡地动仪复原方案及新的原理解释

Restoration scheme and new principle explanation

of ZHANG Heng seismograph

LIU Shigang

Abstract The restoration work of ZHANG Heng seismograph has not really been realized (ZHANG Zhengyan and GUAN Zengjian. Queries About Feng Rui's Restoration of Zhang Heng's Seismograph, Journal of Dialectics of Nature, 2015, No.37, Volume 1), and the structure of the seismograph is still unknown. In this paper, put forward the new "Restoration scheme based on Pillar-Plinth structure", the principle of seismograph detection is reinterpreted, put forward and concise demonstrated that the seismic wave theory is not suitable for research on restoration seismograph.

 

Keywords ZHANG Heng, Seismograph, Upright rod, Pillar-Plinth, Seismic wave

 

【摘要】张衡地动仪的复原工作并未真正实现（详见2015年《自然辩证法通讯》第37期第1卷，张正严、关增建《对冯锐复原地动仪若干质疑的述评》），地动仪的结构至今未被人们所知。本文创新提出“基于柱-础结构的复原方案”，重新解释了地动仪的验震原理，提出并简要论证了地震波理论不适用于地动仪复原研究。

 

【关键词】张衡，地动仪，直立杆，柱-础，地震波

 

　　古今中外，众多学者纷纷对张衡地动仪进行研究，试图复原地动仪，分别提出各式各样的复原方案或模型。然而，这些方案或模型的一些关键结构都不能严密符合中国古代文献的记载，许多疑难之处没有得到有效的解决或合理的解释，存在各种问题或缺陷，引起众多质疑、反对，分歧严重。迄今为止，现有的各种地动仪复原方案或模型，均未得到学界的广泛认可。

　　人们对地动仪缺乏足够的了解，未能真正成功地复原地动仪。甚至有人认为在历史上并不存在张衡地动仪。

　　笔者认为，人们未能正确理解与解读中国古代文献中的记载，存在着许多误解甚至根本性的错误观点。本文重新解读并依据中国古代文献记载，提出新的地动仪结构复原方案，重新解释地动仪的验震原理，指出地震波理论不适用于地动仪研究，对一些疑点作出明确的判断。

 

1 地动仪的实际用途

　　正确理解、分析、判断地动仪在东汉时期的实际用途，是复原地动仪研究的基础与前提，将决定研究方向与结论。

　　有观点认为，地动仪的用途是监测地动仪所在地区或附近地区发生的地震。本文不同意这个观点，理由：地动仪并不具备预测（或预报）地震的功能，也不具备检测震级、震源深度等功能，因此，用地动仪监测本地区以及附近地区，毫无意义、并无必要。并且，已知的中国古代文献中，只有关于使用地动仪监测出偏远地区地震的记载，而未有关于使用地动仪监测出所在地区或附近地区地震的记载。

　　换言之：地动仪并不具备前面提到的功能，若本地区或附近地区发生地震，人们可以立即确认发生地震，为什么还需要地动仪呢？若发生大地震，在紧急逃生的关键时刻，在巨大的恐慌和混乱中，还有谁顾得上关心地动仪的状态？那么，用地动仪监测本地或周边地区的意义与价值何在？

　　笔者认为，地动仪真正的实际用途是：当距地动仪驻地较远（参考距离300～600千米）的某地区发生较大震级地震（参考震级6～7级）时，地动仪立即响应并报告发生地震的方向。

　　理由：在地动仪问世之前，距离京师（古代首都）较远的某一地区发生较大震级的地震时，京师的人们不一定有震感。若有震感，则他们立即认为京师发生了地震（因古代无“震级、震源、烈度”等概念）；若无震感，因距离太遥远，则不可能立即得知某地区发生地震，往往是几天之后，只能通过快马带来消息才可得知。古代交通、通讯方法极其落后，驿马送信已是最快、最优。张衡发明地动仪，从根本上直接改变了这一状况：地动仪安置在京师，距离京师较远的某一地区发生较大震级地震，即使京师毫无震感，地动仪也能够立即响应并实时示震。在最短的时间内，负责监测的人员就可以立即得知发生地震的方向（以推测大概区域）。

　　引证：《后汉书·张衡传》记载“陇西地震”[1]，其中，京师（今河南洛阳）与陇西（今甘肃天水一带）相距约600千米。这证明，地动仪确实被用于监测距离地动仪较远的地区发生的地震。

 

2 地动仪最重要的结构

　　众所周知，“都柱”是地动仪中最重要的构件，也是关键构件之一，但多部古代文献均未详细描述或解释其形状、形态与结构，因而众多学者见解纷纷，主要包括两种推测：“悬垂摆”与“直立杆”（或“直立竿”）。

　　笔者认为，这些学者的观点，实质上区分为“悬式结构”或“立式结构”，而“直立杆”方案仅属于“立式结构”的其中一种。虽然“直立杆”方案已经被彻底否定，但并不能证明其他的“立式结构”也是错误的。事实上，还有另外一种“立式结构”是正确的。

　　本文提出新的复原方案，严格遵循“与古文献记载完全一致”并且“严格遵循科学原理”的强制性要求，命名为“柱-础方案”（Fig.1），亦属于“立式结构”，与众多“直立杆”方案相比，存在一些显著的差异，具体如下：

　　A) “都柱”是一根实心圆柱体，并且较大，绝对不是“一根细杆（或竿）”。

　　B) “都柱”的下端呈半球形，而不是一个横断平面。这是一个极其重要的关键之处。所有的其他“直立杆”方案均无此特征。半球形并不需要特别精确或完美，原因之一是容易实现（另一原因将在下文叙及），例如使用简易工具通过手工研磨可以满足，即必须符合汉代时期的生产、制造与加工的技术水平。这也是极其重要、关键的。

　　C) “都柱”所附带的特殊支撑构件称为“础座”（亦称“基礎”），它的上端是一个倒锥形的凹陷，而不是普通的平面。这也是一个非常特殊并且极其重要的关键构件。所有的其他“直立杆”方案都没有这个构件。

　　“柱-础方案”受到中国建筑传统的启发：“立柱结构”通常隐含附带支撑构件“础座”（Fig.2）。

     

　　都柱下端呈半球形的优点：显著降低摩擦力，并避免其它缺点。若都柱下端是横断平面，且支撑面也是一般平面，则都柱在即将倾倒时，都柱下端的边沿可能阻碍都柱继续倾倒而使得都柱发生“回复”（即重新稳定竖立），更可能使都柱的下端出现侧向滚动，从而使都柱在倾倒过程中出现偏转或扭转，最终大幅度改变都柱倾倒的方向。日本东京大学地震研究所在早期的研究中，出现了都柱倾倒方向与发震方位不一致的现象[2]。本文谨慎地推测原因，可能是因为当时东京大学所采用的都柱下端的形状为横断平面，并且没有采用特殊构形的础座（这是非常重要的），与本文提出的“柱-础方案”不同。简言之，形状不正确且结构不完整导致最终结果不正确。但是，必须指出的是：东京大学的研究，已经证实“立柱式结构能够感震”这一推理是正确的。

　　冯锐先生与武玉霞女士的论文《张衡候风地动仪的原理复原研究》中指出：“下端平面与杆轴的严格垂直是精加工遇到的第一个问题，即使对王振铎的直立杆而言，底边的加工偏差不能超过0.1mm，古代技术是达不到的……”[2]。众多国外学者以及冯锐先生对“直立杆”原理的否定，实际上是证明了“都柱下端不可能为横断平面”的推理。对于他们的论证过程与结论，本文完全赞同。但是，都柱的下端除了“横断平面”、“平头锥形”之外，还有其它形式。当然，“半球形”是唯一正确的。

　　使用古代的技术，要实现将都柱的下端精密加工成严格垂直于都柱轴线的平面，确实是极其困难的。这一点，毋庸置疑。

　　相比之下，在半球形不需要特别精确或完美的前提下，将都柱的下端制作或加工成半球形要容易得多。

　　既然如此，为何不选择更容易的方法呢？为何不将都柱的下端制作或加工成半球形呢？至于都柱的稳定竖立，则可增加特殊构形的础座来实现并保证。这种结构，本质上就是中国建筑传统中的立柱结构。然而，众多研究地动仪复原的学者们并未在意这种古老的建筑传统。

　　由于都柱的下端为半球形，且都柱的上端是自由的（即无支撑、无扶持、不固定），因此绝对有必要将础座的上端制成倒锥形凹陷，这是都柱能够稳定竖立的前提和保证。基于此，当且仅当都柱的轴线与重力线完全重合时（即都柱朝向地心并垂直于绝对水平面），都柱才能稳定竖立，而无论础座是否处于水平状态。这是非常重要的。这意味着允许地动仪的底部轻微的不水平（由于生产、制造和加工技术或工作环境的原因）。

　　也就是说，这种结构的地动仪可以在近似水平的状态下正常工作（不一定要放置在绝对水平面上。当然，如果它能长期放置在绝对水平面上，则最好，但事实上很难实现，尤其是在1800多年以前）。必须强调的是，都柱必须严格垂直于绝对水平面。实事求是地说，当地动仪处于“睡眠状态（实际上是处于监测地震的工作状态）”时，处于稳定竖立并且静止状态的都柱是垂直于绝对水平面的，而不一定是垂直于地动仪的础座或底部（可能是，也可能不是）。

　　对于是否处于绝对水平状态，其他类型的地震仪的要求通常很高。相比之下，张衡地动仪是如此优异。

　　础座上端的倒锥形凹陷的形状、张角角度，对都柱的感震灵敏度与竖立的稳定性，具有决定性的影响。由于采用了础座，都柱的灵敏度与稳定性，不再取决于“长度：直径”的比值，而是与“长度：支撑面直径”的比值相关（但仍受都柱直径大小的影响）。可以理解，由于都柱的下端为半球形，支撑面的直径大小，取决于倒锥形凹陷的张角大小。张角越小，支撑面的直径越大、灵敏度越低；张角越大，支撑面的直径越小、灵敏度越高。

　　础座的倒锥形凹陷在某种程度上降低了都柱的重心，因此，这样的础座有利于都柱的相对稳定竖立。

　　础座还有重要的定位作用：每次复位都柱时，础座使都柱的下端自动地归位于地动仪的内部的底部中心而无需经过测量与校正。

　　在制造材料确定的前提下，由于地动仪内部空间的高度有限，都柱的直径决定了都柱的重量。适当的重量，有利于都柱的感震灵敏度与竖立稳定性：

　　A) 灵敏度受惯性与稳定性的影响，而惯性取决于重量；

　　B) 都柱越重，竖立的稳定性也越高，也更有利于消除非地震因素的干扰，例如打雷、暴风雨、气候变化、热胀冷缩等。

　　然而，过高的稳定性必然破坏灵敏度；而如果都柱太轻，则都柱在倾倒时没有足够的力量推动其他构件。因此，都柱的重量必须适当，既不能太重，也不应太轻。那么，“一根细杆”无法满足这样的要求。所以，都柱只能是一根较大的实心圆柱体。

　　将都柱的下端制成半球形，并使都柱的重量适当，采用上端呈倒锥形凹陷的础座，可以同时极大地提高都柱的灵敏度与稳定性。

　　可见，“柱-础方案”显著区别于“直立杆方案”，众多国外学者以及冯锐先生的批评，适用于否定其他“直立杆”方案，并不适用于否定本文提出的“柱-础方案”。

　　还有学者提出，都柱的构形可能是“上大下小”的柱体（或者上小下大）。本文反对这些观点。理由：

　　A) 生产、制造与加工的技术难度远远大于上下直径相等的实心圆柱体。

　　B) 容易出现“偏心”，这对都柱的倾倒方向的正确性产生不必要的危害。

　　C) 并不会带来额外的好处，在牛顿力学上亦无必要。

　　笔者认为，依据中国古代历史文献记载，都柱只能是“立式结构”而非“悬式结构”。理由：

　　１) 已知的中国古代历史文献中，并不存在“悬、吊、挂、垂”状态的物体称为“柱”的范例。

　　２) 若都柱为“悬式结构”，为何记载张衡地动仪的多部古代文献中，并未使用诸如“悬、吊、垂、挂、提”等可以表征“悬式结构”的字词？这对古代文学家、史学家而言，绝非难事。

亦有其他学者主张“都柱为立式结构”。例如，胡宁生先生提出“都柱为下端呈平头锥形的立柱”[3]。本文赞同“立柱”的主张，但不赞同“都柱下端为平头锥形”的主张。理由：

　　A) 将都柱的下端加工为平头锥形，且端头平面与杆轴必须严格垂直，需要极为精密的工艺技术。这不符合东汉时期的生产、制造与加工技术水平。

　　B) 退一步说，即使东汉时期的工匠可以将都柱下端精密加工为平头锥形，但由于锥形的端头平面很小，平面的边沿容易磨损，必然致使都柱的端头由平面变成弧面，从而导致都柱无法稳定竖立在另一个平面上。这是该方案不可避免且无法解决的缺陷。

　　C) 这样的结构，要求都柱必须竖立于绝对水平面上，并要求必须长期且稳定。如此苛刻的工作条件与环境，在东汉时期，是无法实现的。

 

3 地动仪的其他关键结构

　　在中国古代文献中，除了都柱之外，还记载着地动仪的其它关键构件。例如：“道”、“關”与“机”等。笔者认为，它们之间的关系如图所示（Fig.3）。

　　“道”应被解释为提供给“關”与都柱上端运行的通道。一个单独的构件界定出总共八条通道，每条通道由都柱运行段与“關”运行段组成。通道的都柱运行段被镂空，该段的一端汇集于地动仪的中心。“道”的用途是提供都柱和“關”之间的连接路径，并为“關”提供承台。

　　都柱的倾倒，实际上受到了“道”的限制与轻微调整。这是因为，地震可能发生在任何一个方向，而地动仪的报告方位仅有八个。这是前文提到的半球形不需要特别精确或完美的另一个原因。笔者认为，如果张衡愿意，报告的方位可以设计得更多，例如十二个甚至更多，这不是不可能实现的（技术上已经没有障碍），但不符合古代人朴素的方位观念，也不利于语言上的简洁表达，因而毫无必要。

　　“關”应被解释为形如门闩的杆状构件，亦源于中国建筑传统。“關”一共有八件，彼此相互独立，都安装在“道”上：“關”的一端朝向都柱，另一端朝向“机”。当都柱倾倒时，都柱推动其中一个“關”，继而这个“關”再推动“机”。显然，“關”的作用是传递动量。

　　“机”应被解释为可以围绕转轴作有限角度偏转的构件，它包括配重部分，利用杠杆原理将铜球相对稳固地长时间夹持在龙口中，当地动仪感测到发生地震时，“机”被“關”推动而释放铜球示震（Fig.4）。它的数量也是八件，与“關”一一对应。

 

　　在已知的中国古代文献中，均未对“都柱”、“道”、“關”等构件进行详细描述、解释，是因为在古代中国建筑传统、文化中，这些都属于众所周知的普通事物，已经非常形象、具体，史学家和文学家确实没有必要再描述或解释。然而，在漫长而悠远的历史洪流里，汉字和汉语经过无尽岁月的流传、演变，一些原本的含义、内涵，不知不觉地逐渐淡化、褪色、流失，甚至发生了巨大的转变，以至于今天的人们百思不得其解，感到迷茫、困惑与困扰，广泛、深刻而久远。

　　史料明确指出，地动仪由青铜制成（尤其都柱的材质，对都柱受到的重力、摩擦力、竖立稳定度、感震灵敏度等关键要素，均直接产生重大影响，因此，严格确定都柱的材质，非常重要、非常关键），它有八个龙首模型，分别朝向八个方向；蟾蜍模型必须放置在龙首模型正下方，每一只蟾蜍模型都正对着一个龙首模型，必须确保蟾蜍模型能够恰好承接住掉落的铜丸，所以，每只蟾蜍模型分别处于准确的固定位置，绝对不是“随意摆放”的。关于地动仪的尺寸，笔者认为，地动仪的直径应为60cm左右，即图示中两龙首之间的距离约为60cm；地动仪的整体高度，应为98cm左右。根据本文所给出的结构图，按照1:1的比例，能够制作出可用于验证的简易试验装置，甚至可以制作出张衡地动仪的仿制品而不需要太高的工业加工精度，而这恰好完全符合东汉时期的生产、制造与加工技术水平。

　　关于外观形状的说明。采取这样的外观形状，是因为：

　　A) 可以最大限度地节约制造材料，避免浪费。

　　B) 严格符合中国古代文献中记载的“形似倾樽”，即“外形像倒立的樽”，证据：中国古代容器“樽”如图所示（Fig.5）。

 

4 新的原理解释

　　通常认为，地动仪的感震原理是惯性。但是，笔者认为，仍然存在不为人所知的原理与细节，以及一些错误的观点／认知。

　　笔者认为，当较大震级的地震发生时，震源与距离较远处（参考距离300～600千米）地表的相对关系表现为“冲击──反弹”，在时间顺序上，较远处地表受到冲击，然后产生反弹。由于距离较远，这种冲击与反弹，可能是柔性并且不明显的，因此人们不易察觉。冲击过程与反弹过程中，都柱的惯性导致都柱向震源方向倾倒。众多学者的研究，都只注意到了冲击过程，并未注意到反弹过程。笔者认为，冲击过程中，惯性使都柱发生重心偏移；反弹过程中，惯性进一步加剧了都柱的倾斜，致使都柱倒向震源方向。若仅有冲击过程而不存在反弹过程，那么，由于摩擦力的存在，有可能出现都柱仅仅发生轻微的倾斜但并未倾倒的情形；正是由于反弹过程的存在，惯性作用加剧，致使都柱最终倒向震源方向。也就是说，致使都柱倒向震源方向的因素，并不仅仅是冲击过程中都柱的惯性，更为主要的因素是反弹过程中都柱的惯性。因此，反弹过程比冲击过程更重要，不应、不可忽视或忽略反弹过程。

　　几乎所有的研究机构、学者（包括国内外知名学府、学界权威），都基于地震波理论对地动仪的工作原理进行分析、研究，认为适用“地震波致动／触发”机制。笔者认为，这种认知是错误的，存在极大的局限，地震波理论并不适用于研究张衡地动仪，也不适用于解释张衡地动仪的工作原理。理由：

　　A)地震波是单向传播的，由于这一特点，众多学者都只关注远地地表受到震源冲击的过程，并未关注地表向震源方向“反弹／回弹”的回复运动过程。然而，回复运动过程，恰恰是张衡地动仪工作原理最为核心、最为关键的重要之处。

　　这些学者尤其未能认识到：在地表向震源方向的“反弹／回弹”运动过程中，都柱下端可活动，但受到限制，而上端是自由的，受惯性作用只能朝向震源方向运动，因此，都柱的倾倒方向一定是指向震源方向，这是必然性的结果，这也是“合契若神”的真正原因。

　　B)由于地震波（无论何种地震波）的强度随着传导距离的增加而衰减，经过较大地理尺度传导的地震波，其所携带的能量已经微乎其微。显然，在“地不觉动”的情形中，由于距离过于遥远，到达地动仪驻地的地震波已非常微弱，其所携带的能量，不足以“推倒”都柱；若地震波携带足够推倒都柱的能量，则已经达到“引起人们有震感”的程度，不符合史料记载的情形；事实上，都柱的倾倒，只能是因其自身的惯性所导致，而惯性致倒的过程，依赖于地表的往复运动而出现，绝非单向传播的微弱地震波所能驱动或产生。许多学者对此认识不清、不足，甚至并未意识到他们的研究建立在并不适用的理论基础之上。

　　C)地震波类型众多，性质、形态、特征各异，作用复杂，受地质／介质、结构影响，各种地震波之间也会出现交叠、混合现象，在较大地理尺度的传导过程中，还会出现多次的相互干扰／影响，进一步弱化、分散了地震波致动／触发的作用及效果。

　　D)地震波会越过仪器，继续向前传导，即不会停留／驻留。也就是说，地震波对地动仪的作用时间极短，致动效果极其微弱，由于摩擦力的存在，即使都柱下端为半球形，也不足以推倒都柱。在地表的回复运动过程中，都柱的惯性一直存在，尤其作用于都柱上端的惯性，足以致使都柱出现较大的倾斜克服摩擦力而朝着震源方向倒下。

　　E)冯锐先生指出：“……这是由于地震波自身的传播路径会由于折射和反射而弯曲，波动的偏振面也会由于地层物性的差异而改变。”[4]换言之，“地震波的来源方向并非总是指向震源方向”。

　　基于上述理由，若僵化地套用地震波理论，必然受到误导／局限，研究陷入误区而不自知，不能自拔。

　　此外，许多学者在研究立式结构的都柱时，得出“都柱的倾倒方向是随机的（都柱的倒向不一定指向震源）”这一试验结果／研究结论[2,5]，于是，他们改弦易辙，转向悬式结构的研究。笔者认为，他们之所以得出这一错误的试验结果／研究结论，可能是由于以下几方面的原因：

　　A)研究人员所设计的试验装置结构，与真实的、合理的张衡地动仪结构相比，存在较大甚至是巨大的差异。如：

　　(1)采用的都柱构形不正确。尤其都柱的下端，他们都只采用横断平面的构形，这是最主要、最关键的失误之处。并且，许多学者对“圆径八尺”的理解是错误的（后文详述），受此影响，连带着对都柱长度、直径的设定也出现了根本性的错误。笔者认为：正确的都柱下端构形，只能是“半球形”；应当基于“圆周长八尺”的理解，相应地设定都柱的长度、直径，而非基于“直径八尺”的错误理解。

　　(2)未设置础座，都柱仅仅是竖立于一般平面，而非竖立于础座的倒锥形凹陷之内。

　　(3)未设置限行通道，故而无法对都柱的倾倒进行必要的控制、约束。

　　(4)未同时存在限行通道与础座。若无限行通道、础座分别以及共同对都柱的制约，则都柱在倾倒过程中很可能发生侧偏、扭转、滚动，从而改变了倾倒方向。

　　(5)所用都柱的材质是否符要求，亦未可知。（都柱材质的重要性，前文已述）

　　B)试验研究环境可能不正确。比如：若地动仪驻地即为震中或附近，地震时都柱的倒向，确实会出现“随机乱倒（指向不确定）”的现象，但是，发生在本地或附近的地震，都柱倾倒的指向已经失去意义。纵观史料，并不存在记载地动仪报告本地区发生地震的记录，而是记载地动仪监测到距离地动仪驻地较远的地区发生的较大震级地震的记录。因此，不应在地震的震中或附近研究都柱的倾倒方向。

　　C)试验的方式、方法可能存在问题。欲检验都柱是否倒向震源方向，以及都柱的感震灵敏度，应当在“真实的地震”发生时，实时进行观察、比较、分析，但“真实的地震”发生的时间、地点、震级、震源深度等均为不确定因素，尤其发生在距离地动仪较远地区的较大震级地震。的确，实时研究难度较大，因而，研究人员普遍采取“人工模拟地震”的方法，对各式各样的都柱，进行感震效果（倾倒方向、灵敏度等）测试或试验。笔者认为，这是不科学的。理由：模拟条件下的震动，往往非常接近地动仪，在性质上已属于“本地地震”，并且，与自然界中真实发生的地震相比，必然存在较大甚至是巨大的差异，更难以模拟出中国古代文献中记载的“地不觉动”的情形。最关键的是，迄今为止，这种人工模拟，都未能正确地、完整地模拟出接近真实情形的“远地地表向震源方向‘反弹／回弹’的运动过程”（由于认识不清、不足，无意中忽略；或认为无关紧要而有意省略；或已意识到并做了模拟，但与客观情况相比较，差异过大、仿真不够）。因此，模拟条件下的研究，只能作为价值有限的参考，并不具备指导性、结论性的意义。必需特别强调的是：中国古代文献记载中，已用“验之以事”明确指出“用地震的事实来检验地动仪”，而非“以试验的方式”。

 

5 复原研究中若干疑点的判断

　　本文对这些疑点做出的判断：

　　A)关于“干扰”的问题。许多学者提出了“抗干扰”的观点。笔者认为，没有必要过多地考虑地动仪的抗干扰能力。理由：1.古人所处的时代，不存在由于大型施工、重型车辆经过等人为因素产生的地面震动带来的干扰；2.人们在地动仪附近的日常活动，不可能跺足而行，亦无必要故意碰撞地动仪，因此，不会对都柱的相对稳定产生影响；3.都柱为重金属铸品，其自重较大，天然地具有一定的抗干扰能力。

　　B)关于“自动复位”的问题。对于感震部件的复位，一些学者认为，应当是“自动式”的。本文不同意这一观点。理由：中国古代文献中未见关于“地动仪可以自动复位”的记载。并且，在1800多年前，将感震部件设计并制造出具备自动复位能力的结构，极其困难（即使在今天，不使用电力驱动的前提下，设计出纯机械式的自动复位结构，仍然极其困难）。此外，“自动复位”可能还会带来可靠性问题。

　　C)对文字的理解。如：“都柱”、“傍行”、“施”、“關”等等。文字往往具有多种含义，且还有古义、今义之分，可能存在较大差异。笔者认为，不能以今义理解古代事物，否则，产生误解是必然的。

　　D)关于地动仪的大小、形态的推测。许多学者将“圆径八尺”理解为“圆的直径是八尺”。本文不同意这一观点。笔者认为，“径”字应解释为“所经过的路径”，因而“圆径”应理解为“圆所经过的路径”，即圆周长。理由：地动仪的尺寸，若以“直径八尺”论，则相当庞大，需要大量的青铜，必然使地动仪的自重较大，可能导致长期承载地动仪的地面发生不均匀沉降，从而严重影响地动仪工作。并且，太大、太重的地动仪，不利于生产、制造、搬运。因此，“地动仪的直径为八尺”是极其不合理的方案。而若以“地动仪的圆周长为八尺”论，以上缺点皆无。

　　关于形态方面，八只蟾蜍不应与樽体整合。理由：(1)有利于生产、制造；(2)便于调整接收铜丸位置，以利于观察、取出铜丸，亦可将蟾蜍的头部向外、尾部朝向樽体的方式摆放（笔者赞同这样的摆放方式，但认为并非关键、重要之处，不会对主体产生实质性影响，无须过于讲究。示意图中的摆放方式，是向王振铎先生致敬）；(3)若有损坏，易于修复、更换。相反，若八只蟾蜍与樽体成为一体，则极大地增加了生产、制造的难度，并不利于维护。因此，确无必要“一体化”。

　　E)关于“符合东汉时期的生产、制造与加工技术水平”的问题。如果提出的方案或模型，工艺精度要求非常高，结构非常复杂或精密，远远超越东汉时期的生产、制造与加工技术水平，那么，将出现“古代机械现代化”的不合理情形，这不符合事实。

　　F)除了本文提出的构形之外，都柱是否还可能存在其他的形态？例如：都柱下端呈圆锥形凹陷且础座上端呈半圆形，或都柱为棱柱体的可能？笔者认为，没有必要选择这些更难以加工的结构。

 

致 谢

特别感谢父亲刘乃良、母亲虞森嫦。

特别向福州华侨中学的林回健先生致敬并感谢。

在本文的撰写过程中，厦门航空福州分公司地勤部的沈田先生、成都航空职业技术学院的曹鼎先生、四川交通运输职业学校的虞琳迪女士，给予极大的鼓励与支持，对此表示感谢。

在查阅参考资料时，得到了中国地震台网中心武玉霞女士的帮助，对此表示感谢。

 

参考文献

1 (南朝)范晔. 后汉书·张衡传[M]. 北京：中华书局, 1965:1909.

2 冯锐, 武玉霞. 张衡候风地动仪的原理复原研究[J]. 中国地震, 2003, 19(4):358-376.

3 胡宁生. 张衡地动仪立柱验震的复原与研究[J]. 中国科技史杂志, 2020, 41(3):425-434.

4 冯锐, 武玉霞, 朱涛. 地动仪的史料和模型研究[J]. 自然科学史研究, 2006, 25(增刊):34-52.

5 冯锐, 武玉霞, 朱涛, 等. 对地动仪传统模型的置疑[J]. 自然科学史研究, 2006, 25(增刊):16-33.