張衡所處的東漢時代，地震比較頻繁。據《后漢書·五行志》記載，自和帝永元四年（公元92年）到安帝延光四年（公元125年）的三十多年間，共發生了二十六次大的地震。地震區有時大到幾十個郡，引起地裂山崩、房屋倒塌、江河泛濫，造成了巨大的損失。張衡對地震有不少親身體驗。為了掌握全國地震動態，他經過長年研究，終于在陽嘉元年（公元132年）發明了候風地動儀──世界上第一架地震儀。它有八個方位，每個方位上均有口含龍珠的龍頭，在每條龍頭的下方都有一只蟾蜍與其對應。任何一方如有地震發生，該方向龍口所含銅珠即落入蟾蜍口中，由此便可測出發生地震的方向。當時利用這架儀器成功地測報了西部地區發生的一次地震，引起全國的重視。這比起西方國家用儀器記錄地震的歷史早一千多年。據《后漢書·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。儀器的內部中央有一根銅質“都柱”，由柱向旁有八條通道，稱為“八道，還有觸發機關的裝置。樽體外部周圍有八個龍頭，按東、東南、南、西南、西、西北、北、東北八個方位布列。對著龍頭，八個蟾蜍蹲在地上，個個昂頭張嘴，準備承接銅球。當某個地方發生地震時，樽體隨之振動，觸動機關，使發生地震方向的龍頭張開嘴，吐出銅球，落到銅蟾蜍的嘴里，發生很大的聲響。所以人們就可以知道地震發生的方向。張衡設計的儀器上雕刻的山龜鳥獸等可能象征著山巒和青龍、白虎、朱雀、玄武等二十八宿，所刻篆文可能表示八方之氣；八龍在上象征陽；蟾蜍居下象征陰，構成陰陽上下的動靜的辯證關系；都柱象征天柱，居于頂天立地的地位。
地動儀無法記錄發震時刻，更無法記錄震級。因此，從現代地震學的角度來看，候風地動儀并不能記錄地震，不是地震儀。一些科技史著作聲稱，張衡在公元132年制造的“候風地動儀”能夠準確記錄地震，比西方第一臺地震儀(由意大利人路吉·帕米里制造于1856年)早了1700多年。也有些材料說，候風地動儀可以“預測地震”。不過，史書中有關候風地動儀的記載，僅見于《后漢書》。這一段記載只有區區196字，其中描述地動儀內部結構的內容更只有“中有都柱，傍行八道，施關發機”這12個意義隱晦、眾說紛紜的字。以后，北齊的信都芳和隋朝的臨孝恭，也都制造過地動儀，還留下了相關著作，可惜他們的著作都亡佚了。顯然，僅根據《后漢書》中的簡陋記載，要復原張衡的候風地動儀根本不可能。今天的復制品，其實是在史書那些“約束條件”之下所作的新創造。盡管如此，《后漢書》的記載，還是向我們提供了一些有用信息。首先，候風地動儀絕不是地震預測儀。它只有在地震發生之后才起作用，只不過能比從驛卒更早地通知京城的人士罷了。這就好比我們看到閃電，就知道接下來很可能會聽到雷聲，但在閃電發生時，雷聲也已經同時發生，只不過還沒有傳到我們耳朵里罷了其次，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：一種叫P波，是縱波，它引起的物體震動方向和波的前進方向一致；一種叫S波，是橫波，它引起的物體震動方向和波的前進方向垂直。P波的速度比S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，因為它只能從震源直直地向著地震波接收處地面傳播的P波，而這部分P波攜帶的能量只占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，那么足以有許多別的和地震無關的震動，比如在它附近跺腳，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，直到之后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。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。幾臺地動儀“聯網”也可測出震中位置；但它卻無法記錄發震時刻，所以，這當然也就更不可能是“世界上第一臺地震儀”了。
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