地震仪的发明有何意义?那时的地震仪没有预测的功能

地震仪的发明有何意义?那时的地震仪没有预测的功能
地震仪的发明有何意义?
那时的地震仪没有预测的功能

地震仪的发明有何意义?那时的地震仪没有预测的功能
在地震观测史中,张衡于公元132年发明的地动仪无论如何是一座不能绕过
的里程碑.在很多教科书,公众读物,甚至科学著作中,主要根据《后汉书》的
记载,有些是根据李约瑟先生的介绍,指出这一发明属于一种检测已经发生了地
震的"验震器",并且比西方的类似发明早一千五百年以上.这一介绍基本上反
映了张衡地动仪的实际情况,然而,由于在这一介绍中,我们习惯于单线条地以
近代地震仪作为参照来介绍这一探测地震的精巧装置,在不进行特别说明和仔细
讨论的情况下,我们很可能低估了这一伟大发明的意义.
不少地震学家看来早就注意到了这一问题.傅承义先生在《地球十讲》一书
中曾特别提到,张衡地动仪的发明,表明张衡已经了解地震是从远处一定方向传
来的地面振动,而这是近代地震观测的一个基本原理.Bruce Bolt教授在他早期
的著作中,最初也是沿用"验震器"的思路以近代地震仪作为参照来介绍张衡地
动仪的.然而在他后来的著作中,尽管仍对地动仪的灵敏度有所怀疑,却特别提
到了公元138年地动仪检测到发生在甘肃省内的一次地震的记载.陈运泰院士在
《数字地震学》一书中使用了完全相同的表述方式来介绍地震学发展史上的两个
重要的历史事件,暗示它们具有同等重要的科学意义:公元138年张衡地动仪记
录到陇西地震,"这是人类历史上第一次用地震仪器检测到远处发生的,但在仪
器所在地无感的地震";1889在波茨坦记录到日本的一次地震,"这是人类历史
上第一次用近代地震仪记录下远震".
对于当时位于东汉首都的张衡地动仪来说,陇西地震的震中距为千华里的数
量级,注意到这一点恐怕是重要的.表1是柏杨先生在《中国人史纲》一书中给
出的十八世纪清王朝从北京到各地驿站的官定行程,其中包头到喀什为普通的商
旅行程."限期"以驿站传递文书时马匹的普通速度为标准,"加急"则大多用于
军事行动."加急"通常通过两个机制的结合实现,一是将马匹奔跑的速度设置
到极限:"驿马往往因狂奔过度而倒毙";二是进行驿站处不同马匹之间的"无缝
连接":下一驿站听到来自上一驿站的驿马的铃声后,立即上马奔驰,"当后马追
及前马,两马相并时,马足不停,即在马上将文书交递".从表1还能看出,里
程相同,行程,日数并不一定相等,后者还取决于沿途的交通条件.柏杨先生给
出这一表格,原是为说明中国地域的广大和"中国人对这个庞大国度的长久凝结
力量的韧度",而实际上这一表格中所给出的,是清时期国内各地之间信息传递
的特征时间.按照柏杨的估计,"那虽然是十八世纪清政府时的规定,但这种情
况可以追溯到纪元前三世纪跟匈奴人作战时代,在交通方面,二千年间只有稍稍
的改进,很少突破性的变化".《后汉书》中关于陇西地震的记载,与表1中的数
据大体吻合,"后数日驿至,果地震陇西","数日"给出了ground truth信息到达
的特征时间.紧急情况下当然还可用烽火的方式传递信息,但这种信息传递的空
间范围仅限于边境附近,内容则限于紧急军情.目前还未见有用烽火来传递地震
灾情的记载.
显然,在那个以驿马为信息传递的主要手段的时代,对于一个幅员辽阔的国
家而言,张衡地动仪的重要意义在于利用地震波作为信息载体实现了地震信息的
传递速度的数量级的增加.这是地震灾害的监测方式的一个革命性进步.翁文灏
先生的诗准确地指出了张衡地动仪的这一重要意义:"地动陇西起,长安觉已先,
微波千里发,消息一机传".尽管地动仪不象现代地震仪那样有精确的时间服务
系统,"监测人员"还是可以在地震之后很快知道有地震发生,其时间延迟取决
于地震波的传播时间;尽管这只是粗略的信息,但与驿马信息相比,却几乎可以
说是"实时"的了.
这种地震信息传递速度的数量级的增加和监测方式的质的变化是否在当时
的防震减灾中起到了现实的作用,回答这个问题,亦不能简单地采用今天的情况
作为思考问题的参照.张衡地动仪大约的确记录到了几次破坏性地震,但是,地
动仪的记录是否真正对东汉政府的救灾行动有所帮助,并没有史料记载;张衡在
陇西地震之后不久就去世了,地动仪后来在战乱中下落不明;地动仪只能给出一
个地震发生的大致方位,而无法给出地震或者灾害的详细情况;按照Bolt的说
法,由于P波和S波的问题以及P波初动方向的问题,它甚至可能连正确的方
位都难于确定.这些都是事实.不过,把思考问题的参考系平移到东汉,地震作
为一种灾害,其现实的破坏与其对王朝和民间的心理打击,看来是同等重要的;
也许后者更为重要,因为当时的主流观点认为地震与"天"有着不可分割的联系.
因此,极大地提高探测这种不可预知的重大自然灾害的信息的速度,其重要性十
分明显.一个可能的scenario是,当惊慌失措的地方官员战战兢兢地向中央政府
报告地震灾情的时候,皇帝平静地告诉他们"不用着急,朕早就知道了".中央
政府"自此以后乃令史官记地动所从方起",决不是因为京师的知识分子从"咸
怪其无征"转变为"皆服其妙"——对于其开国皇帝可以把学者的帽子当作夜壶
的汉王朝,这一点几乎勿庸质疑.之所以有这样的机构设置,显然并不是因为学
者们"皆服其妙",而是张衡地动仪的实际意义确实受到了高层的关注.
伽利略把望远镜对准木星的时候,他的望远镜便不再仅仅是一个光学玩具.
同理,张衡地动仪开始记录远方传来的地震信号的时候,地动仪便不再仅仅是一
个单纯的机械装置.这是张衡地动仪的一个特别值得强调的意义.如果简单地以
近代地震仪为参照,过于强调张衡所发明的不过是"验震器",因为它不能记录
到地面运动的全过程,那么张衡地动仪的确仅仅是一个非常原始的机械装置,它
工艺的精巧并不能补偿科学思路的简陋.但是,如果考虑到不是"地震地面运动
的全过程",而是地震信息的收集和传递其实是地震监测的最实质性的问题,那
么张衡地动仪在地震监测方面的进步便是划时代的.从这个意义上说,只有在一
个验震器具有与张衡地动仪相当的灵敏度,以至至少可以记录到local 或regional
地震,它也确实记录到了地震,并且确有可信的历史记录的条件下,这一验震器
与张衡地动仪之间的差别才不是本质性的;仅有设计原理上的"相似",还不足
以使一个验震器和张衡地动仪相提并论.而从收集地震信息的角度说,张衡地动
仪与现代地震仪之间,却并没有本质性的差别:有了宽频带数字地震记录之后,
人们才开始注意到,实际上没有任何一种近代地震仪有资格说能够记录到地面运
动的"全过程",他们所记录的,无一例外地都是地面运动的一些频段内的信息;
有了地震波形的合成和反演这些现代地震学概念之后人们才明白,在以"峰值",
"到时","初动"为主要词汇的近代地震学研究中,也没有哪一项成果是靠研究
"地面运动的全过程"得到的;按照"经典"概念,张衡地动仪无论如何无法进
入"地震仪"的行列,它只配被"边缘化"为作为地震仪前身的"验震器",然
而,用宽频带数字地震学的语言说,张衡地动仪被作为一种"地震仪"实际上也
没有什么不妥,它的不同不过是两点:第一,它缺少一个"内置"的时间服务系
统,第二,它具有一个与众不同的传递函数.
单线条地以近代地震仪,特别是摆式模拟地震仪为参照来讨论张衡地动仪的
意义,很容易过于强调张衡地动仪"不能记录到地面运动的全过程",而这恰恰
不是张衡地动仪的限度,而是我们自己的思路的限度.如果说张衡地动仪提醒我
们,收集和传递地震和地震灾害的信息,除了近代地震仪,特别是摆式模拟地震
仪的设计思路之外,还早有其他的思路,那么近年来随着科技的发展和社会的进
步,人们越来越多地注意到这些"其他的"思路,有些甚而是"另类"的思路的
现实性.地震烈度的实时监测和速报,在日本等地早已投入常规运转,其设计思
路与我们熟悉的近代地震台网有着很大的不同.非连续GPS观测所记录的,同
样不是"地面运动的全过程",但是用这些记录却可以反演出地震震源的很多信
息,例如地震位错的分布.利用卫星遥感信息获取地震灾情资料的研究和应用,
正在引起越来越多的专家的注意.利用民用通讯网络进行地震灾情信息的速报,
在一些地区已提上灾情监测的日程.CTBT现场核查技术中一次性"硅地震仪"
的设计思路,则几乎就是张衡地动仪的"芯片版本".现代社会的发展对地震信
息的传递速度和地震信息的内容提出了新的要求,也同时给这种信息传递提供了
新的技术条件和新的方式.在这样的背景下,重新审视我们司空见惯的"标准"
说法,可以明显地看到张衡地动仪的意义,恐怕是被我们大大地低估了.那"隐
在樽中"的"牙机巧制",也许将是科学史研究中永远的不解之谜,然而,张衡
地动仪穿越千年的历史,却仍在启发着今天的科技创新的思路.
表1 清时期北京到各地驿站的官定行程

至少能测量发生地真的方位
能及时救灾
其他的什么文化 科技
都是虚的

有了地震仪统治者可以更早的知道信息，以便赈灾，受灾百姓可以尽快的得到安置，当然统治者是为了巩固统治。