張衡發明的地動儀真的能預測地震嗎？

地震預測是全球公認的難題（不是地震局給自己找借口），目前美國日本等地震研究領先的國家，雖然也會繼續研究該問題，但是他們已經轉向更實際的問題了。也就是說，他們已經把思路從預測地震轉向了減輕地震災害上了。目前普遍認為，地震可能存在准周期和叢集的現象，但是仍然有一部分地震的複發是無規律的（這怎麼預測啊）。

即使是准周期複發的地震，複發周期達數百年、上千年，而人類開始地震記錄和研究不過短短百年時間，連一個複發周期都沒經歷過，目前的研究手段和技術還遠遠達不到準確認識地震複發的水平，那麼預測地震到底有多難？那就相當於預測一天之內哪分鐘會下雨。可是在2000多年以前，中國的著名科學家張衡就研製出號稱可以預測地震的儀器：地動儀。那麼在現代來說，地震預測都是一項世界性難題，中國古代的科學家就能知道它的原理？換句話說，地動儀是否真的可以預測地址？

地動儀資料簡介

地動儀是中國東漢科學家張衡創造的一傳世傑作。張衡所處的東漢時代，地震比較頻繁。張衡對地震有不少親身體驗，為了掌握全國地震動態，他經過長年研究，終於在陽嘉元年（公元132年）發明了候風地動儀，這也是世界上的第一架地動儀。張衡所處的東漢時代，地震比較頻繁。據《後漢書·五行志》記載，自和帝永元四年（公元92年）到安帝延光四年（公元125年）的三十多年間，共發生了二十六次大的地震。地震區有時大到幾十個郡，引起地裂山崩、房屋倒塌、江河泛濫，造成了巨大的損失。張衡對地震有不少親身體驗。為了掌握全國地震動態，他經過長年研究，終於在陽嘉元年（公元132年）發明了候風地動儀──世界上第一架地震儀。它有八個方位，每個方位上均有口含龍珠的龍頭，在每條龍頭的下方都有一隻蟾蜍與其對應。任何一方如有地震發生，該方向龍口所含銅珠即落入蟾蜍口中，由此便可測出發生地震的方向。當時利用這架儀器成功地測報了西部地區發生的一次地震，引起全國的重視。這比起西方國家用儀器記錄地震的歷史早一千多年。

地動儀歷史考證

漢順帝陽嘉三年十一月壬寅（公元134年12月13日），地動儀的一個龍機突然發動，吐出了銅球，掉進了那個蟾蜍的嘴裡。當時在京師（洛陽）的人們卻絲毫沒有感覺到地震的跡象，於是有人開始議論紛紛，責怪地動儀不靈驗。沒過幾天，隴西（今甘肅省天水地區）有人快馬來報，證實那裡前幾天確實發生了地震，於是人們開始對張衡的高超技術極為信服。隴西距洛陽有一千多里，地動儀標示無誤，說明它的測震靈敏度是比較高的。公元138年2月的一天，張衡的地動儀正對西方的龍嘴突然張開來，吐出了銅球。按照張衡的設計，這就是報告西部發生了地震。可是，那一天洛陽一點也沒有地震的跡象，也沒有聽說附近有哪兒發生了地震。因此，大伙兒議論紛紛，都說張衡的地動儀是騙人的玩意兒，甚至有人說他有意造謠生事。過了幾天，有人騎著快馬來向朝廷報告，離洛陽一千多里的金城、隴西一帶發生了大地震，連山都有崩塌下來的。大伙兒這才信服。

地動儀的工作原理

張衡時代的儀器是機械儀器，那時候還沒有電子設備，什麼感測器，模擬電路與數字電路都是沒有的，唯一有的就是青銅器。那麼張衡在公元134 年前做的地動儀的核心部件就是一個青銅的圓柱子——根據《後漢書》的語焉不詳的記載，我們大致可以判斷，該圓柱子可以存在3種不同的可能性，分別是：

a：上端自由，下端固定

b：下端自由，上端固定

c：上端與下端都是自由的，都不固定

三種不同的圓柱子擺放方式

地震發生前，這根圓柱子會朝某一個方向傾倒，砸中那個方向上的龍吐出珠子，被底下的蛤蟆接住。因此，從力學原理上來看，這圓柱子在地震來臨之時傾倒，這就是利用了所謂「共振」的物理原理。共振的意思是說：銅柱子的固有頻率（任何固體都有一個固有頻率，所有大橋也有固有頻率，軍隊在大橋上齊步走的頻率如果與大橋固有頻率相同，就會發生共 振）與地震來臨前發射的次聲波（一種頻率小於20赫茲的聲波）的頻率非常非常接近，所以銅柱子從地震次聲波里吸收了能量，導致共振的發生，銅柱子的振幅越 來越大，馬上就會倒塌。

因共振而崩潰的大橋

那麼，問題來了，銅柱子應該朝哪個方向倒塌？根據中國地震台網馮銳等人的試驗，銅柱子的倒塌方向是隨機的，不一定會朝地震發生的那個方向倒塌。因此，可以說，張衡的「地動儀」是利用「共振」原理來工作，這一點是值得肯定的（因為地震前的次聲波傳播速度很快，在地震的縱波與橫波傳過來之前，次聲波早一步到達事發地點，因此這個地動儀有一定的預測地震的作用），但此「地動儀」是無法判定地震發生的方位的。用共振來解釋生活現象， 從東漢到晉朝，已經成為當時學界的主流思想之一。晉朝學者張華就曾經在他的書《博物志》里解釋了一個現象：當時有些老百姓家裡的銅臉盤每天早上晚上都會莫 名其妙的自己顫抖起來，發出嗡嗡的聲音，張華解釋說，這是因為銅臉盤的固有頻率與皇宮裡早晚2次敲鐘的聲音頻率一致了，發生了共振。

張衡發明的地動儀真的能預測地震嗎？

地動儀無法記錄發震時刻，更無法記錄震級。因此，從現代地震學的角度來看，候風地動儀並不能記錄地震，不是地震儀。根據地震波的傳播機理，候風地動儀是不太可能做到「驗之以事，合契若神」的。地震發生時，從震源會發出兩種波：一種叫P波，是縱波，它引起的物體震動方向和波的前進方向一致；一種叫S波，是橫波，它引起的物體震動方向和波的前進方向垂直。P波的速度比S波快，因此最先到達地面，形成地震波中的初波。據初波的震動方向就可以知道震源方向。但初波非常微弱，因為它只能從震源直直地向著地震波接收處地面傳播的P波，而這部分P波攜帶的能量只佔地震波全部能量的一小部分。如果候風地動儀能敏感到對「第一哨」初波就做出響應，那麼足以有許多別的和地震無關的震動，比如在它附近跺腳，能引起它的反應，從而讓人誤把許多不是地震的震動也當成是地震。但如果要讓候風地動儀保持一定的「遲鈍」性，它又有可能無法「感覺」到地震的初波，直到之後的各種波陸續傳來時才被「驚醒」，可是這些遲來的波的震動方向已經完全不能代表震源的方向了。何況，記錄一次地震必須有三個要素：發震時刻，震中位置和震級(地震強度)。候風地動儀只能記錄震中方向。幾台地動儀「聯網」也可測出震中位置；但它卻無法記錄發震時刻，所以，這當然也就更不可能是「世界上第一台地震儀」了。