张衡

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导读:张衡

张衡和地动仪





汉章帝在位的时期,东汉的政治比较稳定。到汉章帝一死,继承皇位的**帝才十岁,窦太后临朝执政,让他的哥哥窦宪掌握了朝政大权,东汉王朝就开始走下坡路了。


在这个时期,出了一位著名的科学家张衡。


张衡是南阳人。十七岁那年,他离开家乡,先后到了长安和洛阳,在太学里用功读书。当时洛阳和长安都是很繁华的城市,城里的王公贵族过的是骄奢淫逸的生活。张衡对这些都看不惯。他写了两篇文学作品《西京赋》和《东京赋》(西京就是长安,东京就是洛阳),讽刺这种现象。据说他为了写这两篇作品,经过深思熟虑,反复修改,前后一共花了十年工夫,可见他研究学问的精神是很认真严肃的。


但是张衡的特长还不是文学,他特别爱好数学和天文研究。朝廷听说张衡是个有学问的人,召他到京里做官,先是在宫里做郎中,后来,担任了太史令,叫他负责观察天文。这个工作正好符合他研究的兴趣。


经过他的观察研究,他断定地球是圆的,月亮是借太阳的照射才反射出光来。他还认为天好像鸡蛋壳,包在地的外面;地好像鸡蛋黄,在天的中间。这种学说虽然不完全精确,但在一千八百多年以前,能说出这种科学的见解来,不能不使后来的天文学家钦佩。


不光是这样,张衡还用铜制造了一种测量天文的仪器,叫做“浑天仪”。上面刻着日月星辰等天文的现象。他设法利用水力来转动这种仪器。据说什么星从东方升起来,什么星向西方落下去,都能在浑天仪上看得清清楚楚。


那个时期,经常发生地震。有时候一年一次,也有一年两次。发生了一次大地震,就影响到好几十个郡,城墙、房屋发生倒坍,还死伤了许多人畜。


当时的封建帝王和一般人都把地震看作是不吉利的征兆,有的还趁机宣传迷信、欺骗人民。


但是,张衡却不信神,不信邪,他对记录下来的地震现象经过细心的考察和试验,发明了一个测报地震的仪器,叫做“地动仪”。


地动仪是用青铜制造的,形状有点像一个酒坛,四围刻铸着八条龙,龙头向八个方向伸着。每条龙的嘴里含了一颗小铜球:龙头下面,蹲了一个铜制的蛤蟆,对准龙嘴张着嘴。哪个方向发生了地震,朝着那个方向的龙嘴就会自动张开来,把铜球吐出。铜球掉在蛤蟆的嘴里,发出响亮的声音,就给人发出地震的警报。


公元138年2月的一天,张衡的地动仪正对西方的龙嘴突然张开来,吐出了铜球。按照张衡的设计,这就是报告西部发生了地震。


可是,那一天洛阳一点也没有地震的迹象,也没有听说附近有哪儿发生了地震。因此,大伙儿议论纷纷,都说张衡的地动仪是骗人的玩意儿,甚至有人说他有意造谣生事。


过了几天,有人骑着快马来向朝廷报告,离洛阳一千多里的金城、陇西一带发生了大地震,连山都有崩塌下来的。大伙儿这才信服。


可是在那个时候,朝廷掌权的全是宦官或是外戚,像张衡这样有才能的人不但不被重用,反而被打击排挤。张衡做侍中的时候,因为与皇帝接近,宦官怕张衡在皇帝面前揭他们的短,就在皇帝面前讲张衡很多坏话。他被调出了京城,到河间去当国相。


张衡在他六十一岁那年病死。他在我国科学史上留下了光辉的业绩。

敏而好学



东汉建初三年(公元78年),张衡出身在河南南阳一个很有名望的诗书世家。其祖父张堪学识渊博、品德高尚,在《后汉书》载张堪由于品学兼优,被时人誉为“圣童”。后从刘秀起兵,反对王莽新政。东汉初,帮助吴汉灭公孙述,屡建奇功。官任渔阳太守后,抗击匈奴,爱惜民力,发展生产,故而民乐其政。当时民间广为流传的歌谣是“张君为政,乐不可支”。张堪为官清廉,两袖清风。他死后,留下资财无多。在张衡小时候,由于家道中落,家境已渐清寒,曾受过故交的接济。



张衡出身于这样一个家庭,既有显赫的家世,又有一位堪称表率的祖父,但家境又不富裕,生活清苦。这样的环境,使张衡从小就立志高远,不耽于安乐,而是在艰难中刻苦自学,坚韧不拨,自励上进。在他的成长过程中,家学的熏陶,祖父的品行业绩对他的垂范作用,对张衡后来成为一位伟大的科学家有着巨大的影响,后来祖孙二人同被列传于《后汉书》,一起名垂史册。



张衡的青年时代以游学生涯开始,主要从事于文学创作。《后汉书?张衡传》中对他这段经历有如下描述:“衡少善属文,游于三辅,因入京师,观太学,遂通五经,购簌艺。”(五经:诗经、书经、礼记、易经、春秋;六艺:礼<礼仪>、乐<音乐>、射<射箭>、御<驾车>、书<识字>、数<计算>)。



公元93年,年仅15岁的少年张衡辞别家人,出外游学。他先入武关、后游三辅;公元95年至洛阳,在洛阳居住了五六年,经常到太学里去访谒名家经师,虚心求教,这为他今后的科学研究工作奠定了良好的基础。公元100年,张衡应南阳太守鲍德之请,遂到南阳郡宛城,任主薄一职,其间创作了不少名垂千古的文学作品。公元108年,鲍德调任京师,邀张衡共同赴任,但张衡深感自己学业未成,不足以济世,遂辞官回乡,居家治学。在随后的5年中,他研究的重点从经学、文学,转向哲学、天文、历算。值得一提的是,张衡从文学转向科学研究,颇受其挚友崔瑗的影响。崔瑗是张衡少年时在洛阳结识的学友,著名经学家贾逵的高徒。他文思敏捷,爱好天文、历算。在后来的几十年中,两人交流见解,共同磋商,一直是志同道合的挚友。在南阳期间。张衡仔细研究了西汉杨雄著的《太玄经》。他反复阅读 思考,并与崔瑗书信往来,互换心得。最后,两人都写出了自己各具特色的《太玄经注解》,成为哲坛佳话。另外,他还致力于探讨天文、历算等学问。公元111年,张衡博览群书、汇通古今的名声远播京师,被“公车特征”,授为尚书郎中,次年迁太史令。任此职前后总计达14年之久。张衡的许多重大科学研究工作便是在这一阶段完成的。



著《灵宪》



张衡品行高洁、才识卓著,是担任太史令的最佳人选。而他生平本着“不患位之不尊,而患德之不崇;不耻禄之不厚,而耻智之不博”的自诫,淡泊名利。虽然太史令从职位上讲仅是个中级官员,俸禄也并非十分丰厚,但他对这一学以致用、能进一步开拓天文研究领域的职务,感到十分满意。



张衡在太史令任内,积极从事理论研究工作,系统观测天体运行,著《灵宪》等书,创制浑天仪,且在历法方面也有所研究。



《灵宪》是张衡积多年的实践与理论研究写成的一部天文巨著,也是世界天文史上的不朽名作。该书全面阐述了天地的生成、宇宙的演化、天地的结构、日月星辰的本质及其运动等诸多重大课题,将我国古代的天文学水平提升到了一个前所未有的新阶段,使我国当时的天文学研究居世界领先水平,并对后世产生了深远的影响。



接下来分别述说《灵宪》一文中的天文学成就。



第一,论述了宇宙的起源和宇宙的结构。关于天地的生成问题,《灵宪》认为天地万物是从原始的浑沌未分的元气发展来的。元气最初浑沌不分,后来才始分清浊,清气和浊气相互作用,便形成了宇宙。清气所成的天在外,浊气所成的地在内。这种天体演化思想,是从物质运动的本身来说明宇宙的形成,认为宇宙结构不是亘古不变的,而是不断发展变化的。这些观点,与现代宇宙演化学说在基本原理上是相通的。



第二,月食的成因。在浑天说的基础上,科学地阐述了月食的原因。张衡在《灵宪》中写道:“月光生于日之所照;魄生于日之所蔽。当日则光盈,就日则光尽也。”(大意为:月亮本身是不发光的,而是太阳光照射到月亮上,月亮才折射出光,太阳光照不到的地方则出现亏缺,正所谓“月有阴晴圆缺”。如果月亮进入地影——张衡将地影取名叫“暗虚”,就会发生“月食”。)可见,《灵宪》对月食原因的解释是很科学的。



第三,宇宙的有限性和无限性。虽然张衡把天比作一个鸡蛋壳,把地比作蛋壳中的鸡蛋黄,但他并不认为硬壳是宇宙的边界。关于宇宙的有限性和无限性,一直就是古今中外天文学界长期争论的一个问题。张衡在撰写《灵宪》时,受到了杨雄《太玄经》中一些天文观点的影响,但在宇宙的无限性上却没有遵循杨雄观点,而是自有见解。张衡认为,人们目之所及的宇宙世界是有限的,但在人们目之所及之外呢,就“未之或知也。末之或知者,宇宙之谓也。宇之表无极,宙之端无穷”。



第四,测日和月的平均角直径值。张衡实测出日、月的角直径是整个周天的1/736,转换为现行的 360度制,即29度21分”,这与近代天文测量所得的日和月的平均角直径值31’59”和31’5”相比,绝对误差仅有2’。囿于两千多年前的科学技术水平及观测条件,这个数值可以说是相当精确的。



第五,重制载星三千的新星表。张衡在认真观察天体的基础上,对前人留传下来的好几种星表作了整理、汇总,建立了恒星多达三千的新星表。据《灵宪》载,其中“中外之官常明者百有二十四,可名者三百二十,为星二千五百,而海人之占未存焉”。张衡所制星表,不仅大大超于前人,也为后世所不及。汉末丧乱,张衡所制星表失传。晋初陈卓建立的星表,有星1464颗,仅为其半。直到清康熙年间,用望远镜观察,方过三千之数。可见,张衡星表的亡佚,是我国天文史上的重大损失。



第六,五星的运动。关于五星的运动问题,张衡提出:日、月、五星是在天地之间运行,而非在天球壁上运行。并且,这七个天体运动的速度各不相同,“近天则迟、远天则速”。所谓天,是指设想中的天球壁,也就是说距地近则速度快,距地远则速度慢。按照五星距地的远近及运行的迟速,他将五星分为两类:水、金二星,距地近,运动快,附于月,属阴;火、木、土三星,距地远,运动慢,附于日,属阳。他继承传统,将星体运行方向分为顺行、留和逆行,虽然这种观点是错误的,但他试图追索天体运动的力学原因的探求方向却无疑是正确的。张衡虽然还不知道行星,包括地球都是绕太阳而行的,但他确实已经发现行星运动的速度与运转中心体的距离有关。可惜,这种正确的思想没有引起后世的足够重视,而在很大程度上限制了中国天文学的发展。直到17世纪,开普勒在哥白尼太阳系学说的基础上,指出行星运动的三大规律,而其中之一,便是行星速度和公转周期决定于行星与它运转中心体太阳之间的距。



《灵宪》是我国古代天文学史上最杰出的天文学著作之一,也是我国天文学发展到达一个新高度的里程碑,虽然其中还有一些错误和不足,但在天文学史上的意义并不因此而逊色。




研创浑天仪



张衡对我国天文学发展的另一杰出贡献在于他创制了浑天仪。张衡设计制作的浑天仪,是为了辅以其天文学说---浑天说。



张衡创制的“浑天仪”是用来演示天体运行的“浑象”,由支架和一个表面遍布星座、直径四尺多的中空铜球组成,类似近代的天球仪,球上刻有二十八宿和中外星官。张衡完成设计后,先用竹蔑做成小仪。他挑选出一些竹片,向外的一面刻上度数,编成圆环,再将多个竹环穿联成仪器模型,经试验确定无误后,放大翻制范模,然后用铜浇制而成。如上所述,浑天仪的主体是一个空心的铜球,直径四尺六寸五分,周长一丈四尺六寸一分。球内有铁轴支持,按天轴方向贯穿球心,与球面的两个交点表示天球的南北极,因而这根铁轴称为极轴,可转动。天球外围正中,有一条表示地平的水平环,还有一对夹着南、北极轴而又与水平环相垂直的子午双环,极轴使支架在子午环上。子午双环正中就是观测地的子午线。球的外表面刻有二十八宿与中外星官。天球转动时,球上星体有的露出地平环之上,意指星出;有的正过子午线,意指星中;而有的没于地平环之下,意指星没。铜球上还刻有黄道圈和赤道圈,相交成二十四度角。其上各有二十四节气刻度,且从冬至点起,列有三百六十五又四分之一度,每度长四分,分为四格,表示太阳每天在黄道上移动一度。



《晋书?天文志》对张衡的浑天仪的运作曾有生动的描述:“张平子既作铜浑天仪于密室中,以漏水转之,令伺之者闭户而伺之。其伺之者,以告灵台之观天者,曰:‘某星始见,某星至中,某星今没’。皆如合符也。”(大意为:张衡把浑天仪放置在一个门窗皆闭的密室中,用水力带动浑天仪旋转,在屋里的观测者察看浑天仪上的天象变化,告诉同时在外面灵台上观测天象的人说:“某某星已从地平线上出现,某某星已运行到了天空正中,某某星已落下地平线。一内一外,两个人的观测结果完全一致。



张衡将浑天仪、齿轮系统、计时漏壶联结起来。遗憾的是,这种装置的具体情况史书上没有留下记载。但据后人推测,应该是一方面以漏壶记时,一方面将漏壶中的浮子用绳索的一头绕过无球极轴,另一头连接一个平衡锤。当受水时,壶中的水量增加,浮子上浮,另一头的平衡锤则下降。一上一升,绳索带动极轴旋转,使天球转动。不论这种推测是否属实,但公认的是,张衡是利用一种机械装置带动浑天仪运转,以模拟现实天象中星体的运行,而且能够达到很高的精确度,与实际状况符合一致,这在中国天文学及机械学史上是空前的。这种配以刻漏的浑天仪实际上就是一座天文钟和年历,可以说,它是后世机械钟表的肇始,对后世机械钟表的发展的影响意义重大,而它的创制者张衡也堪称钟表制造者的鼻祖,这也是我们中华民族的骄傲。



张衡又创造了“瑞轮荚”这种史无前例的水运机械装置。“荚”是神话传说中的植物,据说它从新月开始,每天长出一片荚,直到满月长满15片。而后每天掉一片荚,到月末掉完,下月初始又重新开始。根据这种完全是出自人们的理想的神话传说中的植物,而张衡却利用机械装置把这种理想变成了现实。“瑞轮荚”是一种轮状物,利用水力转动,从初一起每天转出一片荚;从十六开始每天又转入一片。所谓“随月盈虚,依历开落”其作用相当于今天的钟表的日期显示。





世界上第一台预报地震的仪器----地动仪



张衡在地震学领域也很有建树,他的代表作就是震古烁今的候风地动仪的发明。候风地动仪,又称地动仪,制成于阳嘉元年(公元132年),是世界上第一台观测和报告地震的仪器。根据《后汉书》中的记载,地动仪是用精铜铸成,像一个卵形的酒樽,直径有8尺。仪体外铸有“山龟鸟兽”,象征地上的山峦和天上的青龙、白虎、朱雀、玄武等二十八宿。体外八方刻有八卦篆文,表示八方之气。体外附有八条龙,龙首各朝八方,象征阳;八只蟾蜍抬首张口居龙首之下,象征阴。由此构成了阴阳、上下、动静的辩证关系。仪体内有一根高且细的铜柱,称为“都柱”。都柱在仪体内居于顶天立地的位置,是按古代天柱之说设计的。都柱旁有八组滑道,滑道通过杠杆连接龙头,龙头嘴内含有铜球。地震时,倾斜的都柱倒向地震方向的滑道,倒到尽头推动杠杆,通过杠杆作用引发一个像擎机一样的牙机,龙首打开,铜球落入下面的蟾蜍口中,发出“当”的一声响。司仪之人根据落球的方位,便可报告地震发生的方向。这台仪器构思巧妙,制作精密,据史书记载“验之以事,合契若神”。不仅可以测出近距离的、人们可以感觉得到的地震,还可测出发生的数千里之外的地震!



张衡在机械制作上也是硕果累累,上文所介绍的浑天仪和候风地动仪的制造,都需要高超的机械制造技术。除此之外,他还制作过指南车、记里鼓车和木雕。指南车采用一种自动灵活的齿轮系统,车子不论怎么转,车上站立着的木人,手指的方向始终是南方,功用类似于指南针,用作皇帝出巡时指明方向。记里鼓车也是一种齿轮装置,它利用一组齿轮装置,将木车行走时车轴的转动,传递到车上手持捶鼓的木人的手臂上,使木车每行一里,车上的木人就会击鼓一次,从而可以用于记录行程里数。据史书记载,张衡“尝作木鸟,假以羽翮,腹中施机,能飞数里”(翮:鸟的翅膀;机:机械装置)。这是一种腹中巧制机关,能够自飞很长一段时间的木鸟。这几种巧制具体的构造如何?已无确凿考证,但张衡确实是一位技术高明的机械制造大师,他同马钧一起被后人尊为“木圣”



崔瑗赞叹张衡“数术穷天地,制作侔造化”(侔:相等)。“制作侔造化”的前提是“数术穷天地”,这句话除了赞叹张衡天文学识的渊博和制造器物的神奇,也对张衡在数学方面的成就大为赞誉。《后汉书》中曾提到张衡写过一部数学专著《算罔论》,可惜书已失传,内容不详。但张衡确定的圆周率尚可考见,为根10,虽不十分精确,但较前人“径一周三”之说,已有了很大进步。




才高德劭 高山仰止



公元123年,张衡参加了当时震动朝野的历法大讨论。这次历法大讨论,起因于当时世人崇尚的图谶。图谶又称谶纬,东汉时极盛。“谶”是一种以诡为隐语决吉凶的预言,“纬”是以神学迷信附会儒家经典的符录瑞应,与经学结合形成谶纬神学,在意识形态上处于绝对权威的统治地位。当时,有人以“甲黄元与天相应,合图谶”一语为由,对当时行用较科学的《四分历》提出非难,建议改用符合图谶的《甲寅元历》,而梁丰则以图谶为根据,主张倒退回去恢复《太初历》,而他们都得到了不少朝臣的支持。而反对改历的也分为两派,一派人认为“《四分历》本起图谶,最得其正,不宜改”。而张衡与另一位尚书郎周兴则认为,不应该把历法与谶纬联系在一起。他指出,历法的制定应以日月星辰的实际运行为最终依据,而不应该以主观臆断、妄事附会来判断一部历法的好坏。从中我们可以看出,张衡作为一名科学工作者,不畏权势、实事求是的高贵品质。



张衡是一个罕见的全面发展的人物,他除了在天文学、地震学、机械技术、数学等方面所创造的辉煌成就外,在哲学、文学、绘画等领域也有很深的造诣。



在哲学方面,他对杨雄的《太玄经》就有很深的研究。在文学史上,张衡是一位占有重要地位的大文学家。如辞藻华丽、气势辉宏,把汉代的辞赋推到了一个新的高峰。且还在文中提出“夫水可以载舟,亦可以覆舟”的千古哲理。奇思妙文,备受后人推崇。另外,他还首开抒情小赋之先河。代表作《温泉赋》格调清新,言辞淡雅,令人读之忘俗,是汉代辞赋发展的一个重要转折。张衡在文学上的第三个主要成就是创制了以《四愁诗》为代表的新体七言诗,给后来的七言诗奠定了基础,具有深远的意义和影响。张衡也是东汉的大画家,他绘制的《地形图》一直流传到唐代,被唐代张彦远列为东汉六大画家之一。



张衡对自己的要求是“约己博学,无坚不钻”。这种锲而不舍,持之以恒的精神,是他一生的光辉写照。


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