2008年5月12日14時28分，四川省汶川縣發生裡氏8級地震。悲痛之餘，人們不禁想起了歷史上發明地動儀的張衡。那麼，地動儀是在怎樣的背景下研製成功的，其工作原理又是怎樣的呢？又是什麼原因讓政壇上的張衡轉而致力於科學這一「屠龍」末學呢？

漢順帝永和三年（138年）三月一日，放置於京城洛陽、張衡剛剛發明的地動儀西方的龍嘴突然張開，銅球落到蟾蜍嘴裡，測知洛陽以西方向發生了地震。幾天以後，信使飛馬來報，隴西（今甘肅省蘭州市西北）發生地震，金城、隴西「二郡山岸崩，地陷」（《後漢書·順帝紀》），「地震裂，城郭、室屋多壞，壓殺人」（《後漢書·五行志》）。那麼，地動儀真的能測知地震嗎？它是在怎樣的背景下研製成功的，其工作原理又是怎樣的呢？

張衡（78—139），字平子，南陽西鄂（今河南南陽）人，出身於名門望族。其祖父張堪自小志高力行，被人稱為聖童，且一生為官清廉，民間有歌謠傳唱：「張君為政，樂不可支。」由於張衡的父親很早便去世了，於是在張衡幼年的時候，家境已經衰落，有時甚至還要靠親友們的救濟度日。

和帝永元六年（94年），剛滿17歲的張衡懷著遠遊的志願，離開家鄉，直奔故都長安，開始了求師問業的旅途。和帝永元十二年（100年），張衡受聘於南陽郡太守鮑德門下當主簿，掌管文書工作，其間他致力於探討天文、陰陽、歷算等學問。

卸任主簿後，張衡回到家鄉。這期間大將軍鄧騭「奇其才」，多次辟他為幕僚，但張衡始終不就。個中原委，不甚清楚，但根據張衡一生的出入進退來看，有一點可以肯定：決不是張衡不想做官。

事實上，這時安帝尚幼，鄧騭以大將軍兼舅舅的身份輔政，大權在握。而東漢後期無論是外戚輔政，還是宦官專權，朝政都是十分黑暗的。人們對這種架空皇權的現象十分不滿，張衡在《陳事疏》中就曾勸順帝要掌握「刑德八柄」，做到「威自上出」，這可能就是張衡不肯應鄧騭之辟的原因。

在家的三年中，張衡逐字逐句地琢磨《太玄經》義，為研究天文、歷算等自然科學問題鋪墊了理論基礎，不但如此，他在文學、繪畫等方面也達到了很高的造詣，因此被時人譽為「南陽通人」。

張衡的名氣越來越大，永初五年（111年），安帝詔拜張衡為郎中，三年之後遷為尚書侍郎，一年後再遷為太史令，在九卿之一太常手下掌管「天時、星歷」。張衡本「善機巧，尤致思於天文、陰陽、歷算」，先前的積累終於找到了用武之地，他自然高興，除了太史令的日常工作外，「遂乃研核陰陽，妙盡璇機之正」。

安帝建光元年（121年），張衡轉為公車司馬令，這是衛尉的屬官，實際地位比太史令高。但5年之後，即順帝永建元年（126年）又轉為太史令。這當然是官運不亨、失志的表現，所以當時人都認為這「非進取之勢也」。

張衡模仿東方朔《答客難》作《應間》表達自己對此事的看法，他在文中反覆申述了兩點：一是「天爵高懸，得之在命」，「求之無益，故智者偭而不思」，認為應該持「得之不休，不獲不吝，不見是而不惛，居下位而不憂」的達觀態度，使自己不至於被現實的重壓所擊倒。二是在仕途不暢、命運不達的情況下也不能自暴自棄而自沉，而要「奉順敦篤，守以忠信」。他在《應閒》一文中曾說：「一個人不應擔心自己地位不高，而應該擔心自己道德是否高尚；不應當為收入菲薄而害羞，而應當為知識不廣博而恥辱。」所以，張衡的學習內容不受仕途所需的局限，天文、地理、氣象、歷算等無所不學，尤其愛好文學。在遊學期間結識的好友崔瑗曾評價他說：「沒有他不學的學問，沒有他不請教的老師，為一物不知以為恥，聽到有教益的話他就非常高興。」

最後，張衡決定「庶前訓之可鑽，聊朝隱乎柱史」。「朝隱」是張衡在懷才不遇時所提出的一種新的處世策略：進，可以以此為階陞官加爵，實現兼濟天下之志；退，可以修身養性，獨善其身；持中可以借職務之便繼續實現人生的價值。這是在新的形勢下糅合儒、道兩家人生哲學的產物，較之退隱自然要優越得多。正是有著這樣的仕途波折，也正是抱有這樣堅定的信念，張衡更加孜孜不倦、將勢就勢，利用太史令之職繼續進行天文學研究。

東漢時期，我國中原一帶經常發生地震，據史書記載，從公元92年到139年，京城洛陽等地先後發生過20次地震，其中6次是破壞性較大的地震。張衡目睹地震後的慘狀，痛心不已，在完成太史令的本職工作之餘，他還收集各地的地震情況，記錄各地震情，以便能及時掌握全國各地的地震情況，並立志研製出能夠預測地震的儀器，解救黎民於水火。經過多年的研究和反覆的試驗，張衡終於於陽嘉元年（132年）製成了當時世界上第一架觀測和記錄地震的儀器—候風地動儀。

據《後漢書·張衡傳》記載，候風地動儀「以精銅鑄成，圓徑八尺」，「形似酒樽」，上有隆起的圓蓋，儀器的外表刻有篆文以及山、龜、鳥、獸等圖形。儀器的內部中央立著一根銅質「都柱」，柱旁有八條通道，稱為「八道」，道中安有「牙機」。儀體外部周圍鑄有八條龍，頭朝下，尾朝上，按東、南、西、北、東南、東北、西南、西北八個方向布列。龍頭和內部通道中的發動機關相連，每個龍頭嘴裡都銜有一個銅球。對著龍頭，八個蟾蜍蹲在地上，個個仰頭張嘴，準備承接銅球。當某個地方發生地震時，地動儀內部的「都柱」就發生傾斜，觸動牙機，使發生地震方向的龍頭張開嘴，吐出銅球，球落到銅蟾蜍的嘴裡，發出很大的聲響。

地動儀研製出來以後，張衡將其安置在都城洛陽，起初滿朝文武都不相信這台地動儀能夠測出地震的方向，並對張衡處處詰難非議，直至和順三年準確測出了隴西約裡氏6.5級的地震後，朝野上下才「眾服其妙」。

一些科技史著作聲稱，張衡製造的候風地動儀比西方第一台地震儀（義大利人路吉·帕米裡製造於1856年）早了1700多年。但是張衡發明的候風地動儀沒有能夠流傳下來，史書中對它的記錄僅見於西晉范曄所著的《後漢書·張衡傳》中短短的196個字，於是張衡的地動儀成了千古不解的謎團，我們今天看到的地動儀是考古學家王振鐸多年考證研究後於1951年製作的仿製品。

那麼，張衡發明的候風地動儀真的可以預測地震嗎？它的科學依據是什麼呢？

首先，候風地動儀絕不是地震預測儀。它只有在地震發生之後才起作用，只不過能比驛卒更早地通知京城的人，古人於是就認為它能夠預測地震。

其次，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：一種是縱波（又稱P波），它引起的物體震動方向和波的前進方向一致；另一種叫橫波（S波），它引起的物體震動方向和波的前進方向垂直。縱波的速度比橫波快，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，因為它只是從震源直直地向著地震波接收處地面傳播而來的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，那麼有許多別的和地震無關的震動，比如在它附近跺腳，便能引起它的反應，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。

更何況，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，更無法記錄震級。因此，從現代地震學的角度來看，候風地動儀並不能預測地震，因為直到現在地震預測仍是全球性的難題。但是，據學者考證，張衡在當時已經利用了力學上的慣性原理，同時他對地震波的傳播和方向性也有所瞭解。所以在當時落後的生產力條件下，這些成就在當時來說是十分了不起的，張衡的這一偉大發明確屬難能可貴，也足以奠定了他「科聖」的歷史地位。

那麼，張衡為何能在當時落後的條件下做出如此出色的科學成就？

這和他一貫堅持唯物主義，反對唯心主義和迷信思想的個性是密不可分的。東漢初年，讖緯迷信已鬧得烏煙瘴氣，一般學者大談「讖緯圖錄」，鬼話連篇，藉以謀求富貴。當時地震頻發，人們對地震這種自然現象是無法理解的，於是只好將之歸為天意。如公元92年那次地震，在《後漢書·五行志》中有一段，把地動山搖之因歸咎於「竇太后攝政，兄竇憲專權，將以是受禍也」的記載。朝廷上的一些達官貴人認為地震是天意，想知「龍王」動向是癡心妄想，但張衡不相信這一套，他認為地震是一種不受任何人旨意影響的自然現象，於是決心造儀器，用人的力量來測定地震。

公元133年，張衡特別上奏章揭露圖讖的虛妄，明確提出反對圖讖、禁絕圖讖的主張。充滿神學迷信內容的讖緯是東漢王朝的國典，如果有人反對圖讖，也就等於說反對漢朝的皇權，就會被統治者認為是「非聖天法」，就會遭到壓制和迫害。在如此的社會背景之下，想革故出新，張衡的仕途順遂夢注定只能是空中樓閣。

張衡以科學上的成就而名垂史冊，但是他彼時的身份卻應該是為民請命，為萬世開太平的一介官員，但他「聊朝隱乎柱史」，單單致力於科學這一「屠龍」末學，如此作為，張衡是不是真有點捨本逐末、不務正業了呢？

其實，張衡「聊朝隱乎柱史」的真正目的還在於「且韞櫝以待價」（《應間》），所以他在履職太史、潛心候風地動儀之時，仍不忘政治上的進取。這期間他曾多次上書：做《應間》的同時，即上《順帝封事》，永建五年（130年）上《陳事疏》；陽嘉元年上《論貢舉疏》、《請禁絕圖讖疏》，二年上《京師地震對策》、《論舉考廉疏》。這些策疏大都言辭犀利，用語直率，有時甚至直接批評皇帝。大概是張衡這些切直無掩的疏諫終於使順帝發現了這個多年滯留史官的張衡頗具政治才能，於是將他提升為侍中，其職能是「掌侍左右，贊導眾事，顧問應對」，即做皇帝的高級顧問。

有一次，順帝問張衡，當今天下人最痛恨的是誰？宦官們怕張衡說出自己，都用眼睛瞪著他，張衡只好「詭對而出」，但宦官「恐終其為患，遂共讒之」（《後漢書·張衡傳》）。這個事情對張衡震動很大，也使他左右為難：任憑宦奸為非作歹卻只能緘默不語、志意相左；我行我素，又難免有危險加身。

在這人生的十字路口，張衡需要求得心理平衡，找到繼續實現人生價值的途徑。《思玄賦》就是他內心從矛盾—平衡—選擇—再到新的平衡的真實展現。他在賦中既抨擊了「珍蕭艾於重笥兮，謂惠芷之不香」的反常世道，也抒發了「奮余榮而莫見兮，播餘香而莫聞」的深沉浩歎，同時也表現了「恫後辰而無及」這生不逢時的苦悶，而且還露出了「畏立辟以危身」的危懼心理。他希冀進取，現實不允許；消極自沉，有悖於心志。痛苦至極，他曾想學仙遠遁，然而強烈的入世精神又把他拉回現實。他也曾一度求之於命運，但命運只能幫人解脫，卻不能助人重振自我。然而，自我實現理想的執著追求終於使他對傳統命運觀進行了積極的改造，從中找到了新的精神支柱。他認為命運雖然難知，但命運卻統屬於天，惡有惡報，善有善報，只要自己處義行仁，必不會有災禍加身。消極的宿命論在張衡那裡變成了積極的有命論，「苟中情之端直兮，莫吾知而不恧」。他實現了新的心理平衡，決心「共夙昔而不貳兮，固終始之所服也」，以循道為務，決不向現實妥協，這成為他晚年立身處世的指導思想。

永和元年（136年），張衡出任河間相。這時的河間王是章帝的孫子劉政，他驕奢無束，不遵典憲，且河南又多豪強，共為不軌，是個很難治理的地方。張衡所以被委任此相，可能是朝中權貴怕他留朝於己不利，企圖借此置張衡於死地。但是張衡已經在心理上體認到懲辦豪強上符天理，中遵典憲，下合人情，定會得到上天的福佑。因而他把這最後的從政理民當作實現政治理想的大好時機，「衡下車，治威嚴，整法度，陰知奸黨名姓。一時收禽，上下肅然，稱為政理」（《後漢書·張衡傳》），成為一個政治家。三年後他請求致仕，但未獲恩准，被「征拜尚書」，當年，這位62歲的老人壽終於任上。

帶著對仕途的疲憊，帶著對故土、對科學未完的眷戀，這位一生致力於科學研究的科學家走了，逝者如斯，留給我們的是他的科學精神，即不屈的追尋，追尋人對自然的超越和主宰，讓人類從此不再受災難牽連，讓世界從此太平安享。