历史记载

在中国科学史上，没有什么比候风地动仪更为引人注目。它的发明者是东汉大科学家张

衡。

《后汉书·张衡传》详细记载了张衡的这一发明：

“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。”

显然，所谓候风地动仪，是用来测报地震的仪器。围绕这一名称，学界曾有不同意见。

一种认为候风地动仪包括了候风仪和地动仪两种仪器，“候风仪”是用于测风的，“地动仪”

才是用于测地震的。另一种观点则认为，所谓“候风”，即是“候气”，古人认为地震是由于

地“气”变动所引起的，所以叫“候风地动仪”。从引文来看，“候风地动仪”应为一件仪器，

而不是两件。这里我们把它作为一件仪器进行介绍。

根据引文，“候风地动仪”制成于东汉阳嘉元年（132年），是用青铜铸造的。仪体形状

就像汉代酒樽。樽上装饰有篆文山龟鸟兽之形，樽的内部立一根铜柱，张衡称之为都柱。都

柱周围有八条滑道，称为“八道”。仪体的外部装有八条龙，分布在八个方位，龙口各含铜丸

一个，龙头下方各放置一个张口向上的铜蛙（蟾蜍）。仪体内部装有机关，与体外龙头相连，

一旦发生地震，机关被触发，龙口打开，铜丸落入铜蛙口中，发出声音，使掌管人知晓，并

能判明地震来源的方向。

显然，地动仪是利用物体惯性制成的仪器。张衡通过自己巧妙的设计，使地震时仪体与

都柱之间产生相对运动，利用这一运动触发仪内机关，从而将地震报出。张衡地动仪的灵敏

度很高，《张衡传》列举了一个具体例子：曾有一次，地动仪朝向西边的那条龙突然吐丸，但

当时洛阳城里并无震感，人们议论纷纷，都说地动仪不可靠。过了几日，送信人来到洛阳，

报告说甘肃发生了大地震，大家这才信服了地动仪的精妙。

结构分析

那么，地动仪的内部结构究竟什么样子呢？有不少学者对此作过探讨。早在南北朝时，

北齐信都芳撰《器准》，隋初临孝恭作《地动铜仪经》，都对之有所记述，并传有它的图式和

制作方法。可惜的是唐代以后，二书均失传。今人的研究则以王振铎之说影响最大。王振铎

根据前人的猜测，讨论了地动仪内部可能有的各种结构，最后推断都柱的工作原理与近代地

震仪中倒立式震摆相仿。具体说来，都柱就是倒立于仪体中央的一根铜柱，八道围绕都柱架

设。都柱竖直站立，重心高，一有地动，就失去平衡，倒入八道中的一道。八道中装有杠杆，

叫做牙机。杠杆穿过仪体，连接龙头上颌。都柱倾入道中以后，推动杠杆，使龙头上颌抬起，

将铜丸吐出，起到报警作用。(图左)

王振铎的推断得到了广泛赞同。中国历史博物馆陈列的张衡地震仪模型，就是根据王振

铎的设计复原的。但是，也有学者提出不同意见。中国科学技术大学李志超就曾对倒立摆结

构提出过异议，他以全新的视角，提出了自己对候风地动仪的理解（参见李志超，《天人古义》，

河南教育出版社，1995年版）。

李志超认为，从文献角度来看，汉代字书《释名》解释“柱”，说“柱，住也”，表明柱

字原义是建筑中不动的支撑件。由此，倒立摆结构不得称“柱”，只合称锥。“都”是集总之

义，说明不是孤柱，应该还附带八套机关，而立锥却只能是光杆。这样，仅由“都柱”这一

名称来看，倒立摆之说也不能成立。

李志超进一步指出，倒立锥的设计使原文所述其他一切部件皆成画蛇添足。尤其是庞大

的铜尊，毫无道理可言。再者，从物理评价角度来看，任何测量仪器的性能一般都可用两个

互相矛盾的指标表征：灵敏度和稳定度。倒立锥的设计正好突出了精密计量技术这一主要矛

盾。例如，为提高地动仪的灵敏度，就要把倒立锥的锥底做得很小，使之形成一个锥尖，但

很小的锥尖承受巨大的重力压强，在不可避免的微小震动作用中必将逐渐形成不可逆的变形，

其趋向是锥尖下面的支承面形成坑窝，锥尖变得圆滑。这一过程不可逆，而且是加速的。这

样，倒立锥最终要倒下来，不管有无地震。如果为提高稳定度，将锥尖做成宽到实际不变形，

那它的灵敏度必然很低，感知量比人所能察觉的还要大，地动仪也就失去了它的存在价值。

复制研究

在这些分析的基础上，李志超提出了自己的设计：与王振铎设计相仿，底座和尊仍然是

连地的刚体，都柱是可动的惯性体，但不再是倒立结构，而是处于稳定的平衡态。都柱有八

个伸出的底脚，其下设八个青铜硬球，球下面是尊的底。球的上下都用坚硬青铜作垫，要足

够平滑。这样一旦发生地震，尊将随地移动，而都柱由于与尊底座间摩擦力小而不能随尊移

动，于是二者之间产生相对运动，触发机关，使龙将铜丸吐出。

都柱的尺寸推想为高一丈、直径二尺，这可与总体协调。都柱与尊一样，都有足够的重

量，这样才可以从地震获取充足的能量，不愁“施关发机”所必需的力不够大。另外，尊的

巨大质量能起到屏蔽作用，减少都柱受到的干扰，防止误报。地动仪的全部“牙机巧制”则

装设在都柱及其座脚上，这样符合“都”字本义。铜尊是一个带盖的大桶，尊的侧壁上对称

地设八个圆孔，孔的直径略小于铜丸，孔外饰以龙首，孔即为龙的喉，喉外为龙舌，舌有浅

窝以置铜丸，铜丸靠在喉孔上，既不会掉入尊内，又把喉孔盖紧了。龙首和龙体都只是装饰

浮雕。一旦地震，都柱与尊发生相对位移，“施关发机”，龙机将铜丸推出，落入蟾蜍口中，

起到报警作用。为了改善蟾蜍的声学效应，还可以考虑在蟾蜍腹内另设响器，如方响之类，

这可以更接近原文所描述的“振声激扬”的效果。原文中提到的“牙机巧制”，李志超将其复

原为两级放大杠杆。而所谓“关”，则被设计成分立横棒，一端顶紧前级杠杆的输入端，一端

顶紧尊的上沿。“关”的作用在于当都柱与尊发生相对位移时触发放大杠杆。

为了与原文“龙机”的说法一致，李志超把推动铜丸的杠杆设计成龙形，让它的下面有

两条腿（图上没有表示出来，因为是在垂直图画方向上重叠着的）站在转轴上，尾巴横折又

上翘，构成受控的牙。它的上身有两只“手”，是执行自锁功能的。设置自锁机构的目的是为

了实现原文所说的“虽一龙发机而七首不动”。李志超称该机构为龙锁。其结构如图3所示，

是一个悬吊水平环，该环用八条垂直细钩吊在尊沿上，又用八条水平细钩牵着都柱，所以只

能作小角度转动，但足够自由。环上有16 个小立柱，每一对小立柱对着一龙的双“手”，龙

“手”是装在龙体前的一对爪，爪是有斜缝的掌面，在向前运动时嵌入龙锁小柱，并拨动龙

锁转一个小角度，于是其余七对小柱与对应的龙爪偏离，就把它们闭锁住了。在整复时，落

丸龙“手”被推复位，也把龙锁带动复位。

李志超对这一设计的灵敏度做了定量估算。他指出：假定柱与尊的相对平移量为 0.01

毫米，用杠杆作200 倍放大，得2 毫米，这就足以控制机牙了。都柱的运动产生滚动摩擦，

摩擦系数量级为 0.001，这样，克服摩擦促成相对运动的大地加速度要大于 0.001g（g 为重

力加速度），近似为10 毫米／秒^2。以此加速度获得0.01 毫米位移需要0.05 秒。这些数字

都是粗数，仅供半定量估算，其中 0.01 毫米是机构设计的主导数据，地震学灵敏性标志是

10 毫米／秒^2，这是三级烈度的弱震数据。加速度延时 0.05 秒的设想有些保守，此数增加

则位移量将以倍数平方增加，足以弥补其他数据之不足，如机牙宽度增大、杠杆放大量减少

等。由此，张衡的地动仪对于烈度为三级的弱震，是可以测报出来的。

根据这样的分析，对张衡地动仪关于震源方向的测报就可以加以讨论了。从现代地震学

知识来看，地震过程复杂多变，前震后震强弱不同，方向也相异，要寻找震源只可能从多个

台站的记录依时间差推算，这在古代是不可能的。但是张衡的地动仪在设计中的确考虑了方

向因素，“寻其方面，乃知震之所在”，就反映了这一点。这也并非完全不可能。如果候风地

动仪做到了感知微震（1～2 级），它应对远处震中传来的初波（P 波）敏感。初波的地面移动

方向与震源方向一致，是纵向波，所以龙吐丸的方位应能显示一定量的方向信息。当然，这

并非绝对，因为为了减少误报，地动仪的灵敏度也会有一定限制，这样，当地震的前锋纵波

不够强时，地动仪可能会对之无动于衷，但后继横波却有可能把铜丸震落，这样落丸方向与

震源就没什么关系了。

李志超还讨论了地动仪的其他设计方案，经过分析比较，他认为图2 所示的都柱推动牙

机控制方案，从其内涵与史料呼应来说，较为完备。他据此设计制作了一个缩小简化的双道

模型，尺寸为原大的五分之一，只有左右相对两臂的机关系统，前后面为有机玻璃板，便于

演示观察。该模型很灵敏，完全证实了他的分析。

候风地动仪是中国古代一项重要的科学发明，它比欧洲出现地震仪的时间要早一千五百

年左右。但由于实物的失传以及原始文献记载的简略，使得今人对其内部结构有不同的理解，

这是正常的。但无论如何，张衡的地动仪具有很高的灵敏度，这是大家一致的意见。在此基

础上，通过精心的分析考证、广泛的学术讨论以及合理的模拟实验，这个问题一定能够得到

解决。

地动仪的结构模型

关于地动仪的结构，目前流行的有两个版本：王振铎模型（1951 年），即“都柱”是一

个类似倒置酒瓶状的圆柱体，控制龙口的机关在“都柱”周围。这一种模型最近已被基本否

定。另一种模型由地震局冯锐（2005 年）提出，即“都柱”是悬垂摆，摆下方有一个小球，

球位于“米”字形滑道交汇处（即《后汉书·张衡传》中所说的“关”），地震时，“都柱”拨

动小球，小球击发控制龙口的机关，使龙口张开。另外，冯锐模型还把蛤蟆由面向樽体改为

背向樽体并充当仪器的脚（见上图）。该模型经模拟测试，结果与历史记载吻合。