候风地动仪，是汉代著名科学家张衡的传世之作，也是中国古代最伟大的发明之一。1700年前，地动仪在战乱中消失，后人只能根据《后汉书》上一段记录来复原地动仪。但是，不少专家在张衡地动仪中采用立柱还是悬垂摆的问题上产生了分歧，一些民众还一度怀疑过张衡地动仪的真实性。历史上的张衡地动仪的真实结构到底是怎样的？

    中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所胡宁生研究员根据历史记载和仪器知识，复原了一台通过立柱来验震的候风地动仪，打破了地动仪中立柱问题的僵局。

    11月16日，中科院自然科学史研究所和中国科学技术史学会在南京对该复原模型进行论证和讨论，专家认为胡宁生的复原是目前“对原文记载还原度最高，也未用到超过古人完全无法企及的现代技术，且原理也很科学”的复原方案。

    立柱验震不再是“神话”

    立柱验震是一种最普通并广泛应用的验震方法，通常是用一根由木料、金属或其他合适材料制成。如果受到某种扰动或震动，立柱就会倾倒。但是近代科学研究发现，立柱的稳定性不足，地动仪使用立柱验震的结论并未被证实。

    在《后汉书》中，古人是这样描述地动仪的：以精铜铸成，圆径八尺，合盖隆起，形如酒樽，饰以篆文山龟鸟兽之形，中有都柱，傍形八道，施关发机。外有地动，樽则振龙机发吐丸，而蟾蜍衔之。

    在这个描述中，有两个字引起了后人的困惑，一是“中有都柱”的意思：在历史文献中，“都柱”只出现过两次，一次是在对张衡地动仪的描述中，一次是在汉墓中有根都柱，至今人们对都柱还有不同理解，地动仪的问题也就一直悬而未决。

    因而，在复原张衡地动仪的过程中，立柱验震是最大的难题。而胡宁生却偏偏跟这根立柱较上劲，他坚持认为立柱验震是地动仪的原始结构。

    为了证实这个结论，他亲手制作了一个地动仪模型：直径为1米的底座，中间立着一根高2米、直径80毫米的铝柱，柱子周围八个方向上装置了相应的杠杆结构，柱子受到一定强度的震动后，倒向杠杆，发动机关，使珠子落下。

    胡宁生在做立柱验震实验时，用实验装置整体移动来模拟大地的运动。实验装置装在东西南北四个方向都能平移的精密滚动导轨组上，可以向八个方向平动装置，每次约20毫米。为了精密测量，推动装置由调速电机驱动。

    记者在现场演示中看到，启动推动装置以后，立柱开始震动，但并没有倒下，持续了近1分钟仍保持稳定状态。将电机调到一定的频率之后，立柱倒向了震源方向。胡宁生前后演示了5遍，只有一次立柱倒向了震源的反方向。在演示的时候，周围的人一起跳动，立柱也没有倾倒。

    “多次实验证明，我设计的立柱既能站起来，也能防止一般的扰动，并能正确倒向轻微震动方向。”胡宁生说。

    两个重要的影响因素——灵敏度和稳定度

    从物理评价角度来看，任何测量仪器的性能一般都可用两个互相矛盾的指标表征：灵敏度和稳定度。当立柱的灵敏度在5—10gal（千分之五到十的重力加速度）时，立柱能多次重复成功站立。但当立柱的灵敏度进一步提高到3—4个gal时，立柱就开始不能每次都站立。

    胡宁生指出，立柱会有不能站立测量的情况，可能由于立柱着地面下不够清洁而混入了灰尘等细小异物所致。如果在立柱的接地面下混入了灰尘等异物，这个异物虽然只有几微米高，但它在受立柱的重压后，其厚度仍可能有1微米以上，这样的一粒灰尘就能使半径1毫米，高度950毫米的立柱发生重心横移达0.36毫米以上。

    胡宁生提出，将立柱着地圆环的宽度做得很窄，可以减少与灰尘接触的机率。圆环改良之后，其灵敏度提高到2gal左右。

    但是，立柱每次倾倒后都需要重新扶正。这需要立柱着地面加工到严格与柱体垂直，并且支撑面要非常水平。

    古代没有精密仪器，胡宁生大胆猜测张衡使用反射光源来测量立柱端面的垂直度。地动仪中立柱和着地件的连接也要非常可靠，胡宁生认为张衡可能采用了蓝宝石作为硬底件。

    复原模型有待进一步完善

    胡宁生的复原工作，可以说从原理上完全符合了历史记载，打破了地动仪立柱验震研究的僵局，但在一些细节方面，专家称仍需要进行完善。

    比如，在实验中，胡宁生用的是低频震动，有专家提出还应用长周期频率试验。此外，制造灵台的土质不同，也会对立柱的灵敏度有影响。

    张衡的地动仪在史书上记载可以测到800公里内的地震，而且其中的立柱只倒向震源方向。

    从现代地震学来看，地震波在传出较远距离时，先到达的是震幅较弱的“纵波”，这时候感应到的震源方向是真正的震源方向，随后震幅较大的横波和表面波，方向则偏离了原先的震源方向。如果立柱没有被纵波震倒，而被后来的横波震倒，立柱倒下的方向就偏离了震源方向。如果候风地动仪能敏感到对较弱的纵波就做出响应，那么一些无关的震动比如跺脚，也能触发它的反应，从而变成误报。

    不过考虑到时代的局限性，张衡地动仪主要是预测地震的发生，而非准确测量地震，测量的结果当然会存在容许范围内的误差。

    “不管怎么说，张衡地动仪的复原工作，是对中国古代文化的肯定，它的文化价值是不可忽略的。”江苏省地震局郑江蓉主任说道。