◇◇新语丝(www.xys.org)(xys5.dxiong.com)(www.xinyusi.info)(xys2.dropin.org)◇◇ 张衡候风地动仪的一种可能机制 作者:郭俊义 看到方舟子最近在 PK 张衡,不免产生了把前几年对张衡 候风地动仪结构的一点想法写下来的冲动。 先从废话开始,官话废话一起慢慢扯吧。 教过几年地球物理课。其中有涉及一点点地震学的知识。 学生是测量专业的。考虑到其它课中已经有很多有关数据 处理的内容,地球物理课中没有包含,而是以介绍物理学原理 为主。最初几年还是介绍地震仪的原理,后来干脆也去掉了。 不过发现,这种选择的结果是学生受罪,老师受累。 在教地震仪原理的时候,总忘不了假装自豪地吹一吹,第 一台地震仪是咱祖先造出来的,就是张衡的候风地动仪。行业 之外有些误解,有人以为地动仪是预报地震的,其实不是,而 是通过观测地震造成的地表运动来确定地震发生地点的大致方 向的。这其实和现代的地震仪不一样。现代地震仪测定的是地 表振动的细节。全球分布的地震仪资料综合在一起可以算出地 震发生的地点、时间、震级即其它参数。核试验也是地震仪台 网监测的。所以核裁军会议上有地震学家。我二十多年前在欧 洲小国比利时留学的时候,有个金发的、高高瘦瘦的女同事, 比我大有近十岁。因为她有时主动帮助我,我也喜欢有事没事 找她说话。她就去日内瓦参加过几次核裁军会。因为住房标准 太低,她不得不住在一个便宜旅馆,到会场需要经过红灯区的 一条街,偶尔会有老男人尾随她,轻声轻气地问问:“小姐,您 的价格是多少?” 在吹牛咱祖先造出的的候风地动仪时,不免会心虚。那仪 器到底长什么样,原理是什么?出于好奇,以及一个老师该有 的、刨根究底的责任心,还真跑到图书馆去找了好多次资料。 最后,忘掉是哪一年了,找到了一篇文章,根据印象和撰写此 文时的互联网搜索,应该是王振铎于 1976 年发表在《文物》 上的《介绍一千八百年前的张衡地动仪》。在其中读到了一些 史书上的记录。不过,感觉是,这些记录不像出自像张衡这样 一个超级学者之手。如果是出自一个超级学者之手,起码要有 几个像v、a之流的物理符号,或者一个二阶微分方程,解释解 释纵波、横波什么的。但是,那记录好像只比我看过的一个老 中医的诊断书着边那么一点点--我的女儿还没到一岁的时候, 老婆总是要有事没事的把孩子往一个专家门诊的老中医那儿抱, 那老中医是我见过的最排场的医生。老中医只动嘴,记录有专 门的助手。老中医的手段看起来非常高明,看了看孩子,圣手 摸了一摸孩子的后脑勺,便做出了诊断,下了药方。诊断结果 是父母在 make 她的时候不够强壮,需要吃药调理过来,药方 我当时也看不懂,更别说记下来了。后来,我也去挂了号,跟 老中医说,自我记事起,就精神不好。结果,老中医诊断的方 法和结果和我的孩子一模一样。印象中,我老婆也好像有同样 的经历,因为已经过了十多年,不很确定了。   候风地动仪的史书记载和两个复原模型的资料在网上很容 易获得,这里不赘述。在原理上,两个复原模型都把注意力放 到了史书记载中的一个 “都柱”上,认为那个都柱就是测震的传 感器。最大的区别是,旧的是立着的,新的是吊着的。本人实 在愚钝,怎么也想不清楚这个传感器怎么区分地震是发生在东 边还是西边,原因将在后面解释。   我的想法是在写地球物理学基础课讲义的第二稿时产生的, 应该是1995年某月某日。因为手写的速度总赶不上大脑,所以 养成了边写边胡思乱想的习惯。那日在写地震波的初动方向时, 碰巧胡思乱想到了张老师的地动仪----这初动不就应该是打开这 台仪器上笼嘴的钥匙吗?当时已经读了那篇应该是王振铎所写 的文章:如果初动是向东,那个都柱就会向西倒;如果初动向 西,那个都柱就会向东倒。可是,这不对劲呀,一个东边发生 的地震,造成的初动既可能大致向东,也可能大致向西,甚至 都可能向南或向北,向上或向下,那仪器怎么分辨到底地震是 在东边还是西边?   在进入正题谈自己的想法前,再看看前几年冯锐等人新做 的一个复原模型。方舟子和冯锐之间似乎还有争论。根据网上 初步了解,新的复原模型只对横波起反应。横波触发传感器的 机制我想不清楚。不过,就算机制没有问题,横波的特征也有 分不清地震是发生在南方或北方的问题。比如说,仪器南面和 北面都发生了地震,震源的位错都是沿东西方向的。但是,南 面地震的位错是断裂带南边向东,北边向西;北面地震的位错 是断裂带南边向西,北边向东。那么,在仪器的位置,两个地 震产生的横波应该有类似的特征,仪器应该不能区分它们。所 以,方舟子和冯锐的争论很可能是在各说各的。方舟子可能在 强调仪器的普遍适用性,而冯锐可能是针对一次特定的地震。 如果是这样,他们就可能谁都没错,只是都理解错了对方。至 于对史料的考证,我没有个那时间和耐心。不过,我怀疑当年 的张衡教授是否能够想到观测后到的横波而避开先到的纵波, 他毕竟不太可能掌握v、a之流的物理符号,或者释纵波、横波 的二阶微分方程。如果真是,那他发明的候风地动仪就不太可 能是普遍适用的,测到一次地震只是运气好。再说,横波足够 大的地方主要集中在断裂带的两侧,这在任何一本地震学教科 书中都能找到。如果地动仪和地震的断裂带基本上在一条直线 上,那还能测到这个地震吗?还有,如果地震是正断层或逆断 层,那会如何?   在那1995年某月某日想到地动仪不可能利用地震波的初动 方向确定地震所在的方向后,后面几天一直在不由得琢磨其原 理。首先当然是反反复复读那篇文章中引用的史书记载。其实, 史书所记录的只是候风地动仪看起来是个什么长像,也许只是 史官去瞧了瞧,做了个记录。至于是怎么测震的,我想不应该 照着史书中那个大概的描述生搬硬套。也许,传感另有其器, 而那个 “都柱”只是一个锤子,用来砸开那些含着珠子的龙嘴, 当然不,也不应该,用来敲碎方舟子的脑袋。再说,张教授也 不太可能于1800年前就想到,在地动仪里面放些辣椒水,先喷 喷那方博士,以符合事件的顺序。   抛开史书的束缚后,问题就简单了。我就想到了一个瞎白丁 的办法。 当然,首先是忘记所有本来就没用的知识,让自己变成了真 正的自我------一个瞎白丁。问自己:如果我两腿东西岔开,面向 北面站着,右面发生了地震,我的脚下该怎么动呢?想啊想啊, 对了,一定是右脚下先动,左脚下后动。那趴在地上的几个蛤蟆 呢?最先动的当然是东面的那个。所以,我的注意力从那个中间 的“都柱”转移到了趴在地上的那几个蛤蟆。是不是这几个蛤蟆才 是真正的传感器呢? 想到这里,就可以设法来设计这台仪器了。设想一下,那几 个蛤蟆是用一根悬空的杆子连到了那个酒樽。在蛤蟆的一头,杆 子是钉头对钉头地支撑着,一个钉子在杆子下方,另一个钉子钉 进了地里。在酒樽的一头则像个杠杆------一方面,杆子不能相对 酒樽有水平错动,另一方面,当蛤蟆那头落下时,杠杆的作用可 以把中间那个都柱以某种方式 “撬” 到首先掉下蛤蟆的这边,砸向 龙头,以让它吐出珠子。也许,出于技术保密的原因,张衡给杆 子们盖了房子,史官没有看到。或者,张衡只是为了美观而给杆 子们盖了房子,史官来的时候正好张衡赴京开院士大会去了,没 能亲自讲解清楚。总之,可以想出N 个理由解释为什么史书里没 有提及链接酒樽和蛤蟆的悬空的杆子。 为什么蛤蟆那头是钉头对钉头呢?道理很简单,是为了使杆 子容易掉下来。 地震发生地那个方向的蛤蟆下面钉在地里的钉子最先动,使 杆子最先掉下来。至于怎么把中间那跟都柱 “撬” 到杆子最先落下 的那一边,对张衡这样的大科学家来说,应该是小儿科。 为了同时增加稳定性和灵敏性,也许张衡用的杆子要长一些, 那些蛤蟆其实是蹲在杆子中间,而两个钉子头在杆子末端互相顶 着。 再多解释就太小看读者的智力了。 有了这些想法后,在聊天的时候和一些人提到过。还想过到 哪个基金申请几万块钱,请个木匠做个样品,看看效果。不过, 自觉得那只是多事。如果能把张衡做的那个挖出来,研究研究倒 也无妨。如果挖不出来,信其有还可以自豪一把。为什么要花钱 去做一个已经没用的老旧机器呢? (XYS20101207) ◇◇新语丝(www.xys.org)(xys5.dxiong.com)(www.xinyusi.info)(xys2.dropin.org)◇◇