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年度热门 · 地动仪为什么会被从教科书中删除?

图片:Public Domain

猪小宝,博士僧 | 一级注册结构工程师

如果这个所谓的原理是对的,那就意味着:我在地上围着我自己放八个玻璃瓶子,这时候在离我一定距离的地方发生了地震,duang 的一声,只有一个玻璃瓶子倒在地上碎了,剩下七个安然无恙……

相信很多盆友都读过知乎上已经说烂了的《三体》,里面的叶文洁接收到了三体监听员发送回来的“不要回答”之后,请问她是怎么知道这是从三体发过来的呢?

是因为她有八个朝不同方向的天线,只有一个收到了信号,所以她知道是那个方向的三体发来的?

并不是。叶文洁的判断依据是信号时间,从她发送广播到接收到回信隔了大约八年,意味着电磁波单程传播用了不多于四年的时间,所以这个信号来自离她四光年之内的地方。

如果有好几个恒星刚刚好都离太阳系四光年以内,那么叶文洁是根本无法知道到底是哪一个的。只是,离太阳系大约四光年远的这一个球面之内,恰好只存在比邻星这一个恒星系,所以她立刻就知道了答案。

想要通过测量波信号来反推信号来源,时间才是关键因素。

真正的地动仪的原理是下图这样的:

左图是水平地动仪,如果是左右方向的震动,底座会跟着地面一起动,吊起来的小球由于惯性,会保持在原位。也就是说,小球和底座之间会发生左右方向的相对运动,所以小球底部的笔头会在底座上的的滚动卷纸上留下波形。卷纸的滚动速度恒定,所以波形的横轴是时间,纵轴是振幅。

同样的原理,右图是竖直地动仪,如果是上下方向的震动,挂在弹簧上的小球会跟底座发生上下方向的相对运动,同样会在纸卷上留下波形。

如果我们在同一个地点安装三台地动仪:两台水平的,一台竖直的。两台水平地动仪互相垂直着安装,一个监控 x 方向,一个监控 y 方向,竖直地动仪负责监控 z 方向。

同一次地震会产生不同性质的地震波,比如 P 波和 S 波的传播速度不同。就好比说,雷雨天,同一次闪电既会产生闪电,又会产生雷声。而因为闪电的光速和雷声的声速显著不同,所以我们会先看到闪电,一定时间后,才会听到雷声。

根据这个地点的数据,我们能知道记录的波形里这 P 波和 S 波两种波的到达时间。根据不同波的速度和这个时间差,我们就能知道这个地点离震源的距离。

比如这个地动仪的记录数据,在两分钟零十五秒左右的时候,P 波到了,然后在四分钟的时候,S 波才到。两者到达时间差是一分四十五秒,也就是 105 秒。

P 波的速度大概是 5 千米每秒,S 波大概是 2 千米每秒,到达的时间差是 105 秒,所以信号源离这里的距离是 350 千米。

很简单的验证,350 千米,5 千米每秒的 P 波用时 70 秒,2 千米每秒的 S 波用时 175 秒,两者的时间差正好是 105 秒。

如果我们在不同的地点都安装了这样的三个地动仪,那么我们就能有不同地点的数据,我们也就知道了震源离各自地点的距离。

三个不同地点的数据汇拢,以各个地点为圆心,以各自离震源的距离为半径,地图上画三个圆,三个圆交汇的地方就是震源。

这才是可以工作的地动仪的原理,通过在不同的固定地点监测地震信号,反推出地震震源的位置。

现在警察可以通过追踪手机信号从而知道犯罪嫌疑人的位置,也是同样的原理,三个已知位置的信号塔,测算信号响应时间,推算离信号塔的距离,画三个圆,追踪完成。

同样的,我们常用的 GPS 导航也是类似的原理,若干颗已知位置的卫星,测时间算距离,画若干个圆,定位你的位置。

《三体》里的罗辑为了验证黑暗森林理论,向宇宙广播了那个他选定为试验品的恒星的位置。还记得他是怎么标定的那个恒星的位置吗?是不是一个列表,里面有已知恒星的名字和这个目标恒星分别到这些个已知恒星的距离?

是不是很眼熟?


所以呢,史书上记载的肯定是个隐喻,绝对不是指现在“复原”的这个大铜缸。史书记载的如此隐晦的原因就是怕暴露我们真正的吊炸天的科技水平。

张衡设计建造的其实是个巨型的概念上的地动仪,是把整个帝国的疆域变成了一台地动仪。

地动仪其实是个地震台网,蟾蜍就是地震台。八个蟾蜍分布在帝国的八个疆域边缘,有的在东海之滨,有的在漠北高原,有的在西南群山,各自相隔至少几百公里。

通过记录不同位置铜球掉落的时间,信息汇总计算之后,理论上就能反推帝国疆域内哪里发生了地震。如果能解决即时通讯、时间同步、地理定位等问题的话。

“中有都柱”是说位于帝都的指挥中枢,“外有八龙”是说吊炸天的即时通讯和同步计时系统,“傍行八道”就是通讯线路,“覆盖周密无际”是说整个帝国疆域都在监测范围内,“隐在尊中”是因为这样的科技肯定是不传之秘,绝对不能让敌国获知。

这绝对是一等一的天顶星科技,所以史官在只言片语的记载里用了龙作为隐喻。作为帝国最高权力的象征,龙绝对不是可以随随便便就拿出来乱用的。

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