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中科院院士:吊块猪肉都比这强!张衡地动仪果真如此不堪?

曾经有段时间,到处都刮起一股否定中国历史与文明的歪风,挑起论战者不乏网红大咖,有些还是意见领袖与社会名流,他们引经据典说得有鼻子有眼,叫你无法反驳。

围绕张衡地动仪的争议在科学界早已有之,正方认为它符合地震学原理,是古代科学家对地壳运动理解的精妙产物;而反方则说再精妙它也只是几行文字,你不仅拿不出实物,其实连个图纸都没留下。而中科院院士傅承义的一句话更是给地动仪盖上了棺材板儿:“房梁下吊块肉都比那个强”。

猪肉真比地动仪强?)

我国古代最伟大的科学发明之一,曾经启发了无数孩子对自然科学兴趣的科学仪器,竟然不如一块吊着的猪肉?!

2017年,张衡的“候风地动仪”从七年级历史教材中消失,有人据此断言:“(中国)历史从来就有两副面孔”。

张衡是东汉时期杰出的科学家,在数学、天文学和地理学方面有深厚造诣,他发明的浑天仪和地动仪一直都是中国古代自然科学先进的标志。然而由于年代久远,张衡地动仪没有一件留存于世,人们只通过《后汉书・张衡传》以及其它史书记载才知道它“以精铜铸成,员径八尺,合盖隆起,形似酒尊”,其内部“牙机巧制”,“中有都柱,傍行八道,施关发机”,当地震发生时,地动仪对应方向龙口张开,它衔着的铜丸落下发出响声以提示方位。

(候风地动仪模型)

与大多数人所想相反,最早对《张衡传》中这段文字感兴趣的其实并不是咱中国人。1875年,日本学者服部一三根据文字表述画出了地动仪的猜想图。英国地质学家约翰・米尔恩(John Milne)1875-1895年间在日本工作,1883年他研究了张衡地动仪原理、尝试复原地动仪;他发明了水平摆地震仪并参与创立日本地震学会。1939年,日本地震学家今村明月(Akitsune Imamura)首次重建了张衡地动仪模型。

(水平摆地震仪示意图)

由于没有留下实物和图纸,现代人只能通过揣摩史书中的寥寥数语来领会地动仪结构。1936年始,中国科技史学家王振铎尝试复原地动仪,此后出现在历史课本以及大众视野中的基本都是王振铎设计的模型。

如果你留心观察过中国商周时期的青铜制品,便不难理解“牙机巧制”这四个字背后所蕴藏深厚的工匠精神。有许多东西几千年前的古人能造出来,但现代人想要仿制却一筹莫展,对于地动仪的重建也是如此

(立柱式与吊杆式地动仪的原理猜想)

王振铎对张衡地动仪进行了大量研究,但受限于工艺水平,他造出来的地动仪仅能做到形似,无法实现对地震的感应。傅承义院士是著名的地球物理学家、中国现代地震学的奠基人,他那句话其实是当面跟王振铎讲的:“房梁下吊块肉都比(你)那个(模型)强”,很显然傅先生对那个模型不满意,这与某些人理解的(院士说吊块猪肉都比地动仪强)完全是两回事。

房梁下吊肉真比地动仪强?这是个有趣的科学问题,值得我们花两分钟来探究一下。

地震波示意图

地震是一种常见的地球物理现象,当地壳下方某处因为挤压或断层破裂,应力瞬间释放出来,它会以地震波的形式在地球内部向四周传递,地震波主要分为纵波(P)、横波(S)、表面瑞利波(R)和(L)波。P波是一种挤压波,它传递的速度最快,S波紧随其后,而对地面破坏力最大的则是表面波。

P波是纵向运动的压缩波

所以,当A地发生地震时,首先传到B地点的是P波,它挤压的方向与地震波源头方向相反。如果我们在B地点的桌面上放一个单摆,由于球本身在P波到达的瞬间保持静止,因此它会相对于桌面发生摆动,而在波峰过去之后它会向回摆。

(单摆在地震时的表现,黄球错误,红球正确)

几乎所有测量地震的仪器,无论是张衡的地动仪还是傅承义院士“吊在房梁下的猪肉”都是基于同样的原理:有质量的物体会因为惯性保持它原有的位置。你悬吊物体的质量越大,它在地面晃动时就越稳定。

(地震记录仪的铜球在地面晃动过程中保持稳定)

回到张衡的地动仪,它中间的柱子无论是立柱式还是吊杆式,都会在地震发生时倒(摆)向挤压波到来的方向,这一点符合物体的惯性定律。当然,如果我们真在房梁下悬吊一块猪肉,它同样会摆向地震源的方向。

立柱式与吊杆式地动仪的运动原理

在实际情况下,除非你距离震中位置很近,否则地壳运动不会如上图这样夸张,我们甚至无法感觉到地震,因此地动仪中间的柱子晃动幅度极小并且很快就恢复它原来位置,如果你看过民间顶幡表演就能意识到那根柱基本不会倒下,而吊杆式的地动仪也需要做到极其精密才能让它底部的小球脱离。这很可能是现代仿制地动仪模型无法感知地震的真正原因。

更精确的吊杆式地动仪运动原理

同样地,你在房梁下吊块猪肉也没办法感知微弱地震波,傅承义院士用“吊猪肉”打比方,一方面是阐述地震仪工作的原理,同时也仅是揶揄那个粗糙的模型,而非针对地动仪本身。

张衡的候风地动仪尽管只在史书中留下了百余字的描述,但从我们已知的惯性定律和地震运动原理看,其科学性还是值得肯定的。