张衡候风地动仪真的能记录地震吗？

【乐城提示】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。

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候风地动仪的历史

《后汉书·张衡传》的记载：

　　“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，旁行八道，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，寻其方向，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。”

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。

候风地动仪的原理

张衡的地动仪利用了惯性原理，当率先到达的纵波（P 波）来临时，中心的“都柱”会拨动震源方向的机关，让龙头张开。按照我的理解，初始振动是关键，地动仪只有在 P 波初始振动方向与震源反向的假设成立时才管用。

但我看到的资料却表明，P 波可以是膨胀波，也可以是压缩波；初始振动可以指向，也可以背向震中，甚至任何方向。取决于震源的机制，以及地震台站的位置。

所以，如果我的理解以及看到的资料准确的话，张衡的地动仪并不能测定地震发生的方向。它只能测定有地震发生，铜珠掉落的时刻，在古代的精确性下，就是地震发生的时间了。

候风地动仪并不能完整记录地震

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。

但是，即使候风地动仪确实不能测定方向，只能测定地震的发生，考虑到它发明的年代，依旧不可否认它是中国古代一重要发明。也不可否认它是一台地震仪，虽然比较初级。

候风地动仪复原品

英国学者米尔恩根据文献记录复原的“候风地动仪”

日本学者服部一三根据文献记录复原的“候风地动仪”

中国学者王振铎根据文献记录复原的“候风地动仪”

地震局冯锐的“候风地动仪”复原模型

冯锐模型与王振铎模型不同之处在于：

一、“都柱”是悬垂摆而不是倒立摆；

二、蛤蟆由面向樽体改为背向樽体并充当仪器的脚。