◇◇新语丝(www.xys.org)(xys5.dxiong.com)(www.xinyusi.info)(xys2.dropin.org)◇◇ 　　张衡地动仪只是一个著名的玩具 　　作者：张鲁渝 　　这段时间张衡的地动仪引起了热议，焦点是地动仪到底有没有用，大家多从 史书找佐证，然而至今仍是疑点丛丛。史上记载过一次千载难逢的显灵，可也被 方先生严密的逻辑论证为假打。不少读者可能会想，会不会地动仪灵验过多次， 但史书没有记载，这种可能性不是没有，就象一个人买彩票，总是存在中头彩的 可能。不过，我今天不是来搅局的，地动仪显灵这样的头彩会不会发生，今天来 一个了断，请想中头彩的人们准备好足够的纸巾…抹眼泪。 　　公元132年的张衡要想地动仪显灵首先要解决两个问题，第一、地面震动时 铜球要落地，这个容易办到，第二、只能是来自震动方位的铜球落地，其它方位 的铜球不能落地。这与当今测量地震最基本的两个参数是一致的，即震动强度与 震源位置。 　　现代的地震记录仪利用了钟摆原理，即利用悬挂的重物的惯性，地震发生时 地面振动而它保持不动。张衡的地动仪采用的基本原理是什么，不是钟摆原理， 它是伽利略17岁时发现的，那时是公元1581年，别告诉见到吊着的绳子摆动就是 发现钟摆原理，伽利略发现了单摆的等时性并证明了单摆振动的周期和摆长的平 方根成正比。这就好比见到苹果落地，与发现万有引力定律是两码事。 　　有一报道说张衡是利用了蜡烛倾倒原理，即点亮一支蜡烛，将它放在一张不 平的桌子上，它总会向低的一方倒，呵呵，这个倒有点象公元132年的水平。张 衡是那个时代的聪明人，他一定有办法让倾斜的地动仪向低的一方吐一粒珠子， 实现这点不难，至于具体采用什么精巧的方式不是本文的重点，在这里不深究。 问题是，完成上述工作就能监测震源来自哪个方向吗？如果说张衡的地动仪能够 感知震动，遇到震动就掉铜珠，这个容易令人相信，但现有的报道都说张衡地动 仪能监测震源方向，恰恰这是它的短肋。 　　张衡建造好地动仪后需要测试，如何模拟震源，这个不难，可以从高处往地 上抛掷石头或其它重物，这个比跺脚模拟震源容易定量，呵呵，这个测试环境有 几个参数：石头重量、石头落地高度，石头相对地动仪的方位和距离，地面是岩 石地或是泥土地等等，如果铜珠落地的方位正好与石头砸地方位一致，地动仪就 成功了。呵呵，可以想象，张衡最头痛的问题是铜球落点经常偏离震源方向，郁 闷之极难以言表，搞科研都会出现这种情形。 　　张衡想不通，比如，改变测试环境的任一个参数，比如石头重量、落高、距 离等等，即便是石头方位不变，铜球的落点均会改变。为什么会这样呢？这个问 题有点复杂，我们知道，石头落地引起地面振动是一种横波，上下振动，问题是 振动具有周期性，忽上忽下，只有刚开始振动的那一瞬间，其方向才代表真实方 向，然而地震的初波来临时往往不是地动山摇，而是静悄悄难以查觉，然后越来 越大，人才有所查觉。即便是科技高度发达的今天，初波也不用来判断震源方向， 这是困难之一。困难之二，真实的地震比测试情形复杂的多，地震波不仅由纵波 和横波组成，而且传播地震波的大地构成复杂，有岩石、有山体、有泥土，软一 点的，硬一点的等等，根据波的特性，地震波还会在大地中不同介质的交界处发 生反射、折射等现象，好比一个人漂浮在狂风骤雨的海面上，波涛汹涌、随波逐 流，根本无法辨清真向。 　　如果读者没看懂，没关系，说了这么多，其实就一句话，只监测一个点的振 动来确定震源方位是无意义的，也是极不可靠的，不管你的仪器有多灵敏、多精 巧。那么，现代地震记录仪是如何确定震源位置的呢？要记录哪些数据才能推算 出震源位置呢？ 　　我们知道，地震波有传播速度，比如横波每秒7公里，纵波每秒4公里。地震 时，地震波由震源按圆心向外传播，有点类似小石子掉入水中激起的环状涟漪。 由于横波与纵波速度不一样，两种波到达地震记录仪有一个时间差，这个时间差 可以记录下来，根据这个时间差，可以计算出震源距监测点的距离，比如这个时 间差为20秒，设监测点距震源x公里，解一元一次方程x / 7 + 20 = x / 4便可 求解x。以地震记录仪为圆心，以求出的距离为半径，在专用地图上画圆，震源 就在这个圆上，再利用其他地区的地震记录仪，又可以确定一个圆，这两个圆有 两个交点，震源的方向就是连线的方向，再利用不同地区设置的第三台地震记录 仪，再画个圆，三个圆的交汇处就是震源的位置。读者可能会想，求震源位置的 方法应该不止一条，有没有其它方法呢，答案当然是肯定的，比如日本的早期预 警系统EFW通过分析P波波形来推测震源位置，再计算破坏力更强的S波到达时间， 这是一道有趣的几何题。 　　然而，不管采用哪种方法，要准确测量震源，至少需要两类参数，一是要记 录时间，二是要有多个监测点，因为方向是一个矢量，说简单点，要描述方向， 需要一条线，两点决定一条直线，也就是说，至少需要两个监测点的数据才能测 定方向。 　　上述都是基于二维平面的解释，然而，实际的震源往往深入地表几十公里， 存在于三维空间，地震波实际是按三维球状传播。要计算三维空间震源位置与二 维方法类似，只需将多个监测点埋到地下不同深度，按立体解析几何，同样根据 时间差求出距离，多个球面交汇便可确定震源的三维位置。地震波在传播中会经 历大地的反射、折射等众多因素干扰，幸好这些因素干扰不了时间，记录时间最 为可靠，为保证足够的测量精度，现实中监测点往往很多，构成一张监测网。比 如日本境内密布地震监测站，大约每二十公里一座，地震发生时，EFW系统便会 分析上千个监测站的地震波形纪录。当然，我们国家的地震监测站也是密布全国， 并被划分为国家基本地震台、省属专业地震台、省级地方地震台。 　　再回到张衡的地动仪，它最致命的缺陷有两点，一是没有记录时间，二是只 有一台，没有布置多个监测点，所以说，即使它再精巧，充其量只是一个震动感 应器，根本无法得到震源方位。说到这里，张衡地动仪到底是古朴的科学仪器， 或是精美的艺术玩物则不言而喻了。呵呵，想象一下，如果我们通过时间隧道， 带三块表给张衡，呵呵，他便具备了测定震源的所有硬件了，虽然糙点。然而， 张衡还是不会干，其实他只需知道在哪架设监测点而已，令人感慨，简单行动背 后的软性知识跨度却高达上千年。 　　张衡要想准确测定震源，需要完成以下几个知识跨度：第一、震动时，珠子 落地；第二、发明精准的计时器，至少要到秒级，而不是烧几柱香，打几更；第 三，具备平面解析几何、立体几何的知识；第四，发现机械波理论，具备波长、 频率概念、相位、反射、折射的概念；第五、认识到地震振动也是一种机械波； 第六、根据惯性摆原理发明地震记录仪。张衡只跨过了第一步，在第二步时，他 的努力全部放在了控制铜珠掉落方位上，这注定是条不归路。在探索中失败是常 事，没什么不好意思的，张衡作为先行者，完成了他的历史使命，我们当然不能 对古人张衡求全责备，我们有自己的历史使命，呵呵，终结张衡地动仪的有效性 分歧，它就是一个著名的玩具。 (XYS20101209) ◇◇新语丝(www.xys.org)(xys5.dxiong.com)(www.xinyusi.info)(xys2.dropin.org)◇◇