張衡

張衡 -人物概述

(圖)張衡張衡

張衡,字平子,南陽西鄂人也。衡少善屬文,遊於三輔,因入京師,觀太學,遂通五經,貫六藝。雖才高於世,而無驕尚之情。常從容淡靜,不好交接欲人。永元中,舉孝廉不行,連辟公府不就。時天下承平日久,自王侯以下莫不逾侈。衡乃擬班固《兩都》作《二京賦》 ,因以諷諫。精思傅會,十年乃成。大將軍鄧騭奇其才,累召不應。

衡善機巧,尤致思於天文陰陽歷算。安帝雅聞衡善術學,巴士特征拜郎中,再遷為太史令。遂乃研核陰陽,妙盡璇機之正,作渾天儀,著《靈憲》、《算罔論》 ,言甚詳明。順帝初,再轉復為太史令。衡不慕當世,所居之官輒積好地方額推瞭我特洛伊特例特二陽臺樂而雅而鐵路有瞭年不徙。自去史職,五載復還。張衡共著有科學、哲學、和文學著作三十二篇,其中天文著作有《靈憲》和《靈憲圖》等。

為瞭紀念張衡的功績,人們將月球背面的一個環形山命名為“張衡環形山”,將小行星1802命名為“張衡小行星”。張衡觀測記錄瞭兩千五百顆恒星,創制瞭世界上第一架能比較準確地表演天象的漏水轉渾天儀,第一架測試地震的儀器——候風地動儀,還制造出瞭指南車、自動記裏鼓車、飛行數裏的木鳥等等。20世紀中國著名文學傢、歷史學傢郭沫若對張衡的評價是:“如此全面發展之人物,在世界史中亦所罕見,萬祀千齡,令人景仰。”
後世稱張衡為木聖(科聖)。

張衡 -人物生平

(圖)張衡張衡

張衡出身於名門望族。其祖父張堪自小志高力行,被人稱為聖童,曾把傢傳餘財數百萬讓給他的侄子。光武帝登基後張堪受薦拜官。曾被任為蜀郡太守隨大司馬吳漢討伐割據蜀郡的公孫述,立有大功。其後又領兵抗擊匈奴有功,拜為漁陽(今北京附近)太守。曾以數千騎兵擊破匈奴來犯的一萬騎兵。此後在他的任期內匈奴再也沒有敢來侵擾。他又教人民耕種,開稻田八千頃,人民由此致富。所以,有民謠歌頌他說:“張君為政,樂不可支。”張堪為官清廉。伐蜀時他是首先攻入成都的,但他對公孫述留下的堆積如山的珍寶毫無所取。蜀郡號稱天府,但張堪在奉調離蜀郡太守任時乘的是一輛破車,攜帶的隻有一卷佈被囊。

張衡像他的祖父一樣,自小刻苦向學,很有文采。16歲以後曾離開傢鄉到外地遊學。他先到瞭當時的學術文化中心三輔(今陜西西安一帶)。這一地區壯麗的山河和宏偉的秦漢古都遺址給他提供瞭豐富的文學創作素材。以後又到瞭東漢首都洛陽。在那兒,他進過當時的最高學府——太學,結識瞭一位青年學者崔瑗,與他結為摯友。崔瑗是當時的經學傢、天文學傢賈逵的學生,也精通天文、歷法、數學等學問。和帝永元十二年(公元100年)張衡應南陽太守鮑德之請,作瞭他的主簿,掌管文書工作。8年後鮑德調任京師,張衡即辭官居傢。在南陽期間他致力於探討天文、陰陽、歷算等學問,並反復研究西漢揚雄著的《太玄經》 。他在這些方面的名聲引起瞭漢安帝的注意。永初五年(公元111年)張衡被征召進京,拜為郎中。

陽嘉元年,復造候風地動儀。以精銅鑄成,員徑八尺,合蓋隆起,形似酒尊,飾以篆文山龜鳥獸之形。中有都柱,傍行八道,施關發機。外有八龍,首銜銅丸,下有蟾蜍,張口承之。其牙機巧制,皆隱在尊中,覆蓋周密無際。如有地動,尊則振龍,機發吐丸,而蟾蜍銜之。振聲激揚,伺者因此覺知。雖一龍發機,而七首不動,尋其方面,乃知震之所在。驗之以事,合契若神。自書典所記,未之有也。嘗一龍機發而地不覺動,京師學者咸怪其無征。後數日驛至,果地震隴西,於是皆服其妙。自此以後,乃令史官記地動所從方起。

時政事漸損,權移於下,衡因上疏陳事。…… 初,光武善讖,及顯宗、肅宗因祖述焉。自中興之後,儒者爭學圖緯,兼復附以妖言。衡以圖緯虛妄,非聖人之法,乃上疏。後遷侍中,帝引在帷幄,諷議左右。嘗問衡天下所疾惡者。宦官懼其毀己,皆共目之,衡乃詭對而出。閹豎恐終為其患,遂共讒之。衡常思圖身之事,以為吉兇倚仗,幽微難明。乃作《思玄賦》以宣寄情志。(《思玄賦》略)

永和初,出為河間相。時國王驕奢,不遵典憲;又多豪右,共為不軌。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。視事三年,上書乞骸骨,征拜尚書。年六十二,永和四年卒。

著《周官訓詁》 ,崔瑗以為不能有異於諸儒也。又欲繼孔子《易》說《彖》、《象》殘缺者,竟不能就。所著詩、賦、銘、七言、《靈憲》、《應閑》、《七辯》、《巡誥》、 《懸圖》凡三十二篇。張衡,字平子,章帝建初三年(公元78年),誕生於南陽郡西鄂縣石橋鎮一個破落的官僚傢庭(今河南省南陽市城北五十裏石橋鎮)。祖父張堪是地方官吏,曾任蜀郡太守和漁陽太守。張衡幼年時候,傢境已經衰落,有時還要靠親友的接濟。正是這種貧困的生活使他能夠接觸到社會下層的勞動群眾和一些生產、生活實際,從而給他後來的科學創造事業帶來瞭積極的影響。張衡是東漢中期渾天說的代表人物之一;他指出月球本身並不發光,月光其實是日光的反射;他還正確地解釋瞭月食的成因,並且認識到宇宙的無限性和行星運動的快慢與距離地球遠近的關系。

元初元年(公元114年)遷尚書郎。次年,遷太史令。以後曾調任他職,但5年後復為太史令。總計前後任此職達14年之久,張衡許多重大的科學研究工作都是在這一階段裏完成的。順帝陽嘉二年(公元133年)升為侍中。但不久受到宦官排擠中傷,於永和元年(公元136年)調到京外,任河間王劉政的相。劉政是個驕橫奢侈、不守中央法典的人,地方許多豪強與他共為不法。張衡到任後嚴整法紀,打擊豪強,使得上下肅然。3年後,他向順帝上表請求退休,但朝廷卻征拜他為尚書。此事頗有蹊蹺,因尚書的官職遠低於侍中或相,他是否應征,史載不彰。就在這一年(永和四年,即公元139年)他即告逝世。

張衡 -學術成就

(圖)張衡張衡

張衡是一位具有多方面才能的科學傢。他的成就涉及到天文學、地震學、機械技術、數學乃至文學藝術等許多領域。
張衡在天文學方面有兩項最重要的工作——著《靈憲》 ,作渾天儀。此外,在歷法方面也有所研究。《靈憲》是張衡有關天文學的一篇代表作,全面體現瞭張衡在天文學上的成就和發展。原文被《後漢書·天文志》劉昭注所征引而傳世。文中介紹的天文學要點如下:

(1)宇宙的起源。《靈憲》認為,宇宙最初是一派無形無色的陰的精氣,幽清寂寞。這是一個很長的階段,稱為“溟滓”。這一階段乃是道之根。從道根產生道幹,氣也有瞭顏色。但是,“渾沌不分”,看不出任何形狀,也量不出它的運動速度。這種氣叫做“太素”。這又是個很長的階段,稱為“龐鴻”。有瞭道幹以後,開始產生物體。這時,“元氣剖判,剛柔始分,清濁異位,天成於外,地定於內”。天地配合,產生萬物。這一階段叫做“太玄”,也就是道之實。《靈憲》把宇宙演化三階段稱之為道根、道幹、道實。在解釋有渾沌不分的太素氣時引瞭《道德經》裏的話:“有物混成,先天地生。”這些都說明瞭《靈憲》的宇宙起源思想,其淵源是老子的道傢哲學。《靈憲》的宇宙起源學說和《淮南子·天文訓》的思想十分相像,不過《淮南子》認為在氣分清濁之後“清陽者薄靡而為天,重濁者凝滯而為地”。天上地下,這是蓋天說。而《靈憲》主張清氣所成的天在外,濁氣所成的地在內,這是渾天說。

總之,張衡繼承和發展瞭中國古代的思想傳統認為宇宙並非生來就是如此,而是有個產生和演化的過程。張衡所代表的思想傳統與西方古代認為宇宙結構亙古不變的思想傳統大異其趣,卻和現代宇宙演化學說的精神有所相通。

(2)關於宇宙的無限性。戰國時代的《屍子》定義說,“上下四方曰宇,往古來今曰宙”。宇就是空間,宙就是時間。中國的傳統思想是把空間和時間聯系在一起的。這一點也和西方古代把二者看成是兩個互相割裂的概念大不相同。但是,中國和西方一樣,在二者是有限還是無限的問題上歷來也有爭論。《莊子》一書中就有宇宙在空間和時間上都是無限的說法。而西漢末年的揚雄卻認為“闔天為宇,辟宇為宙”,在空間上是有限的,在時間上是有起點的。張衡雖然長期研究揚雄的《太玄經》,並受到揚雄較深的影響,但在宇宙的無限性上卻不願遵循揚雄。《靈憲》認為人目所見的天地是大小有限的,但是,超出這個范圍,人們就“未之或知也。未之或知者,宇宙之謂也。宇之表無極,宙之端無窮”。宇宙在空間上沒有邊界,在時間上沒有起點。揚雄的思想和目前天文學界最負盛名的大爆炸宇宙學說在終極本質上是相通的。而張衡的結論卻和當代的辯證唯物主義哲學相合。看來,宇宙有限無限的問題還得長期爭論下去。

(3)關於天地的結構。《靈憲》把天描述成是恒星所在的地方,它是一個偏心率極小的橢球:“八極之維,徑二億三萬二千三百裏。南北則短減千裏,東西則增廣千裏。通而度之,則是渾已。”天上有一個北極,樞星正好在這個位置上。日、月、五星都繞它旋轉。天還有個南極,是在地底下,人不可見。人目所見的地表面是平的,正在天的中央,“自地至天,半於八極;則地之深亦如之”。可見,張衡心目中的地是個半球。在地面上來說,如以8尺高的表在同一天正午測量日影長度,則南北相距千裏的兩個地點所量得的表影長度相差1寸。

為什麼把天地要設想成是個橢球結構?我們已無法瞭解,或許,一種可能是囿於傳統。早在《呂氏春秋·有始覽》中就提到:“凡四海之內,東西二萬八千裏,南北二萬六千裏”,東西比南北長瞭二千裏。《淮南子·墜形訓》中也引瞭這兩個數值。可見古人大概相當相信天、地的東西要比南北來得長。

地平說和“表影千裏差1寸”的理論,過去人們曾以為是蓋天說的內容。但若據此即認為《靈憲》的天地結構模形是蓋天說,那就不當瞭。渾天模型和蓋天模型最主要的不同在於:渾天的天是球狀的,天可以轉到地下去。天不僅有出於地上的北極,還有隱於地下的南極。蓋天的天則或像一個蓋子籠罩著平地(近人稱之為第一次蓋天說),或者和地構成二片平行的曲面(近人稱之為第二次蓋天說)。總之,天永遠在地之上。天隻有北極而不可能有南極。因此,從對天的結構認識來看,《靈憲》隻能劃入渾天說而不能視之為蓋天說。關於地的問題,必須指出,歷史上的渾蓋之爭,主要在於天而不在於地。直到唐代一行徹底否定瞭日影千裏差1寸的舊說之前,水平大地的觀念還一直存在於渾天說中。就是在一行之後,直到西方天文學傳入之前,我國仍然未能建立起明確的球形大地的數理模型。反倒是《靈憲》中的那種“天圓地平”說仍然占有重要地位。

(4)關於日、月的角直徑。《靈憲》記載,日、月角直徑為整個天周的“七百三十六分之一”。化成現代通用角度單位即為29′21″,[根據錢寶琮的研究,認為《靈憲》的“(日、月)其徑當天周七百三十六分之一,地廣二百四十二分之一”當校改為“(日、月)其徑當天周七百三十分之一,地廣二百三十二分之一”。如此則日、月的角直徑當為 29′35.3″]。這和近代天文測量所得的日和月的平均角直徑值31′59″和31′5″相比,誤差都隻有2′左右。以二千年前的觀測條件而論,張衡測值可謂精確。

在張衡之前的《周髀算經》中也介紹過一個觀測:用一根8尺高的竿子垂直立於地面,每當太陽過子午線時量竿影長度。當影長正為6尺時,用一根8尺長、孔徑1寸的竹管觀看太陽。《周髀算經》認為此時太陽視圓面正好充滿竹管。由此,《周髀算經》按照“千裏差1寸”的比例關系,求得此時太陽距人目為10萬裏,進而求得太陽的線直徑為1250裏。由於“千裏差1寸”等基本出發點都是錯誤的,因而《周髀算經》所得極為荒謬(太陽的線直徑實際為139.1萬公裏)。就觀測本身而論,《周髀算經》的結果也是相當粗疏的。按竹管長8尺,孔徑1寸計算,太陽角直徑為42′58″。誤差比《靈憲》所載大多瞭。

(5)關於月食原因。在張衡之前,人們已對日食的原因有所認識。西漢的劉向就說過:“日蝕者,月往蔽之”(見《開元占經》卷九所引)。東漢王充在《論衡·說日篇》中引述過別人的一種更明確的說法:“或說,日食者月掩之也。日在上,月在下,障於日之形也。”而對於月食原因,則在張衡之前尚無明晰的解釋。大概正是針對這種狀況,張衡在《靈憲》中就未及日食原因,而是專門論述瞭月食的原因:“月,光生於日之所照;魄生於日之所蔽。當日則光盈,就日則光盡也。眾星被耀,因水轉光。當日之沖,光常不合者,蔽於地也,是謂虛。在星星微,月過則食。” 這段話中說到,月亮本身是不發光的,太陽光照到月亮上才產生光月。月亮之所以出現有虧缺的部分,就是因為這一部分照不到日光。所以,當月和日正相對時,就出現滿月。當月向日靠近時,月亮虧缺就越來越大,終至完全不見。這樣一種月相理論,在《周髀算經》中已有大概:“日兆(按:通照)月,月光乃生,故成明月。”西漢京房說得更為明確:“先師以為日似彈丸,月似鏡體;或以為月亦似彈丸,日照處則明,不照處則暗”(《開元占經》卷一引)。張衡的月相理論和他們沒有本質的差別,所突出的是張衡強調瞭月相與日、月相對位置的關系。但這樣一來人們自然要問,既然“當日則光盈”,那麼何以有時候當日時會有月食呢?對此,張衡回答說:“蔽於地也”,即大地擋住瞭日光,使日光照不到月亮上去瞭。張衡把這塊大地所產生的影子起個名字叫“虛”。月亮進入虛時就發生月食。《靈憲》對月食原因的闡述是很科學的。

不過,再仔細思考一下虛,人們又會提出問題。按照《靈憲》所說的天地結構,地是其下部與天球相密合的半橢球。那麼:(i)要使日、月能沒入地平且能在地下運動,日、月就隻能是兩個無厚的圓面,這就和上面說的月相理論相矛盾。(ii)太陽沒入地平後光線就會被地半球完全擋住,無論什麼時候也不會投射上月亮。這樣,晚上的月亮應該總是看不見的,這也就根本談不上月食的問題瞭。要解釋這兩個矛盾,隻能認為《靈憲》中的地有二層不同的含義。第一層含義是相對天來說的地,那是個半橢球。第二層含義是相對日、月來說的,那是孤懸在天球中央的一個較小的固體物。或者,可以把這二層含義統一起來說:孤懸在天內的是一片陸地,此外的地則全是水,故能與天球下半相密合。這樣理解之下,則日、月仍可是個圓球;而日到水下之後日光仍能穿透水而照射到月亮上,隻有那塊相對較小的陸地才能產生一塊虛。當然,在這樣推測的時候還得再補充一點,即應該認為在張衡看來,水是一種透明度較高的物質,所以深入地下之後的日光仍能穿透厚厚的水層而射到月亮,產生皓然明月。

(6)關於五星的運動。《靈憲》中提出瞭4點極有價值的見解。第一,日、月、五星並非是在天球球殼上,它們是在天地之間運行,距地的遠近各有不同。第二,這7個天體的運動速度也不同,離地近的速度快,離地遠的速度就慢。第三,《靈憲》用天的力量來說明行星之所以有留、逆、遲、速等運動變化現象(“天道者貴順也。近天則遲,遠天則速。行則屈,屈則留回,留回則逆,逆則遲,迫於天也”)。第四,按照五星離地遠近及其運行的快慢,可以將它們分成兩類。一類附於月,屬陰,包括水星和金星。另一類附於日,屬陽,包括火星、木星和土星。

《靈憲》上述這4點都很有意思。其中第一點可以說基本上是正確的,雖然實際情況要比這種概括復雜得多。第二點則與古希臘人的思想完全相合。而在中國,則在張衡之前還沒有人提起過,並且在他之後也未對此點給予重視,這就使中國古代數理天文學的發展受到很大的局限。第三點雖然說得非常含混難解,而且完全不正確,但它卻顯然是在尋求說明行星運動之所以有順逆遲速的力學原因。這種努力的本身值得在整個天文學史上大書一筆。1500多年之後,王錫闡在《五星行度解》裏提到瞭類似的思想,並進一步提出瞭天對日、月、五星有一種類似磁石吸針的力量。王錫闡的思想的力學性就更明確瞭。雖然張衡、王錫闡的思想都並不正確,但是行星和它們的衞星(月亮是地球的衞星,地球是一顆行星)的運動,的確都是受到萬有引力定律所支配的。因此,追究這些天體運動中的力學原因無疑是一個正確的方向。在西方,對於這種力學原因的探討在張衡之後的1000多年裏仍然是沒有的。許多偉大的希臘天文學傢都隻有對日、月、五星的運動作精細的運動學描述,而從未想到過解釋其力學原因。力學原因的探討要直到16世紀科學革命開始之後才被提出來。第四點也很有意思。《靈憲》的行星分類正好是太陽系中內行星與外行星的分類。當然,現在我們知道,所有的行星,包括地球,都是繞太陽轉的,而月亮則是繞地球轉的。所以,“附於月”的說法當然是錯誤的。之所以會有這樣的錯誤,是因為張衡和其他古人一樣,把月亮作為陰的代表。不過,從金、水兩內行星的運動來說,人目所見的鮮有和外行星有截然不同的地方。那就是,外行星隻能從晨出於東方開始一個會合周期。而內行星則在一個會合周期不但可以晨出於東方,而且還可以像月亮一樣,昏出於西方。正是由於這種昏出於西方的相似性,《靈憲》才提出“附於月”的說法。

(7)關於星官。滿天繁星,古人將它們組合成一個個星組,以便於對它們進行辨認和觀測。這些星組少則一星,多則數十星。這樣的星組古人稱之為星官。由於各個天文學傢的取舍、組合方法並不都相同,因此形成瞭許多傢不同的星官體系。直到張衡時代,流傳於世的星官體系有以《史記·天官書》為代表的體系,有石氏、甘氏、黃帝以及“海人之占”等等的體系。對這些各有特色的體系,張衡作瞭一番比較、整理和匯總的工作,發展出瞭一整套收羅恒星最多的新體系。《靈憲》記載,其中“中外之官常明者百有二十四,可名者三百二十,為星二千五百,而海人之占未存焉”。張衡的這一星官體系整理工作比(三國吳)天文學傢陳卓總結甘、石、巫咸三傢星官的時代要早100多年,而且所包括的星官、星數比陳卓要多得多(陳卓所總結的有283官1464星),成就當然要比陳卓大。可惜張衡星官體系已經失傳,這是我國恒星觀測史上的重大損失。

與恒星星官有關的一個問題是,《靈憲》中提出瞭星空裏還存在一種“微星”即很暗弱的星,其數有11520顆。這個數字並非嚴格得自實測,而是來自《易經》中神秘的“萬物之數”。數字當然是不正確的。但張衡認為有微星存在,且星數比亮星多得多,這卻是符合客觀實際的。

(8)流星和隕星。天空中除瞭日、月、星(古稱三光。星包括行星和恒星)這些常見成員外,還不時見到流星之類的天體。《靈憲》認為“及其(按:指三光)衰也,神歇精,於是有隕星。然則奔星之所墜,至地則石矣”。這裏,張衡繼承瞭前人“星墜至地則石也”(《史記·天官書》)的思想,對隕石的來源予以較正確的解釋。同時,張衡還探討瞭隕星產生的原因,認為是與日、月、星的衰敗有關。雖然這個想法不正確(太陽系內有一些大大小小的流星體,當它們在運行中與地球相遇,進入大氣層後因摩擦而燃燒,便成為流星;較大的流星體在大氣層中未及燒盡而墜落地面,便成為隕星,或稱隕石),但是,每個天體都有發展到“衰”敗死亡的階段,這卻是非常科學的結論。張衡的這個思想非常合乎辯證法,而且也正是西方古代天文學中所缺乏的。

與隕石相聯系,《靈憲》中對恒星的產生也有一種解釋:“地有山嶽,以宣其氣,精種為星。星也者,體生於地,精成於天。”這種星生於地的見解當然是完全錯誤的。它是當時已流行瞭幾百年的天地相應的思想的反映。《靈憲》說道:“在天成象,在地成形。天有九位,地有九域。天有三辰,地有三形。有象可效,有形可度。情性萬殊,旁通感薄,自然相生,莫之能紀。”這些所謂天地之間的對應,純粹出於人的主觀附會,毫無內涵上的科學聯系。例如,所謂天的九位(即古人所謂九天)和地的九域(即所謂九州)全都是中國古人的人為劃分。所以,這種相應純屬數字偶合。不過,張衡之所以會有山嶽之精氣上升為星的想法,原因即在於他見到的隕星至地都是石頭,而山嶽則正是最多石頭的地方。石頭又怎能上天?所以必然會想到這是山嶽的精氣,這就可以上升到天上成為星。這些反映瞭隕石來自天外的思想。而在西方,直到17世紀,還有天文學傢認為隕石並非來自地外的說法。

《靈憲》作為一篇傑出的古代天文學著作,當然仍會有許多不足的地方。除瞭前面已經提到的各點外,比如文中還把嫦娥奔月的神話當作事實記載在內,甚至說嫦娥入月後化成瞭蟾蜍。至於文中流露的種種星占術思想,那是當時整個時代的風氣,倒也不必去苛求張衡。總之,盡管《靈憲》有一些缺點,但是它在天文學史上的意義並不因此而遜色。梁代劉昭贊頌張衡是“天文之妙,冠絕一代”,其評價的主要根據之一就是《靈憲》這篇傑出的著作。

張衡 -多級刻漏

(圖)張衡刻漏

刻漏是我國古代最重要的計時儀器。目前傳世的三件西漢時代的刻漏,都是所謂“泄水型沉箭式單漏”。這種刻漏隻有一隻圓柱形盛水容器。器底部伸出一根小管,向外滴水。容器內水面不斷降低。浮在水面的箭舟(即浮子)所托著的刻箭也逐漸下降。刻箭穿過容器蓋上的孔,向外伸出,從孔沿即可讀得時刻讀數。這種刻漏的計時準確性主要決定於漏水滴出的速度是否均勻。而滴水速度則與管口的水壓成正比變化。即隨著水的滴失,容器內水面越來越降低,水的滴出速度也會越來越慢。為瞭提高刻漏運行的均勻性和準確性,古人想瞭兩步對策。第一步是把泄水型沉箭式改為蓄水型浮箭式,即把刻漏滴出的水收到另一個圓柱形容器內,把箭舟和刻箭都放在這個蓄水容器內,積水逐漸增多,箭舟托著刻箭漸逐上升,由此來求得時刻讀數。第二步則是在滴水器之上再加一具滴水器。上面的滴水器滴出的水補充下面滴失的水,這樣,可使下面的滴水器水面的下降大大延緩,從而使下面的滴水器出水速度的穩定性得到提高。這樣的刻漏稱為二級刻漏。如果按這思路類推,可以在二級刻漏之上再加一級,則刻漏運行的穩定性又可提高。這就成瞭三級刻漏,如此等等。大概在隋唐以後,中國發展出瞭四級和四級以上的刻漏。不過,關鍵的從單漏到二級漏這一步發生在什麼時代?在張衡以前的文獻和考古實物中都沒有提供明顯的資料。

不過在一篇題為《張衡漏水轉渾天儀制》的文章中描述瞭張衡所用的刻漏是一組二級刻漏。這篇文章當是張衡或其同時代人的作品,原文已佚,現隻在唐初的《初學記》卷二十五中留有幾段殘文。文如下:“以銅為器,再疊差置。實以清水,下各開孔。以玉虯吐漏水入兩壺,右為夜,左為晝”。“(蓋上又)鑄金銅仙人,居左壺;為金胥徒,居右壺”。“以左手把箭,右手指刻,以別天時早晚”。其中所謂疊置當是指二具刻漏上下放置。所謂差置是指上下二具容器放置得不相重而有所錯開。所謂再疊差置當是指有三層容器錯開疊放。至於下面的蓄水壺又分左、右兩把,那是因為古代的時刻制度夜間和白天有所不同,所以張衡幹脆就用二把。同時,這樣也便於刻漏的連續運行。《張衡漏水轉渾天儀制》是目前所知第一篇記載瞭多級刻漏的文獻。由此我們可以推斷,正是張衡作出瞭從泄水型沉箭漏到蓄水型浮箭漏和從單漏到多級漏這樣兩步重大的飛躍。

張衡 -渾天儀

(圖)張衡渾天儀

張衡在創作瞭渾天儀之後曾寫過一篇文章。此文全文已佚。隻是在梁代劉昭注《後漢書·律歷志》時作瞭大段引述而使之傳世。劉昭注中把這段文字標題為《張衡渾儀》 。稱之為“渾儀”可能是劉昭所作的一種簡化。在古代,儀器的定名並不嚴格。雖然後世將“渾儀”一詞規范為專指觀測儀器,但在隋、唐以前,“渾儀”也可用於表演儀器。劉昭所引此文與前面提到的《張衡漏水轉渾天儀制》是否原屬一篇文章,此事也已無可考。不過從二者標題文字相差甚大這一點來說,說是二篇文章也是有理由的。不管這事究竟如何,單說劉昭所引,近人已有證明,它應是張衡原作。

我們考察劉昭所引的這一段文字大約有三個內容。第一部分講渾天學說和渾天儀中天極、赤道和黃道三者相互關系及彼此相去度數。第二部分講所謂黃赤道差的求法和這種差數的變化規律。這是這一殘文中的最多篇幅部分。第三部分講黃道二十八宿距度以及冬、夏至點的黃道位置。仔細研究這篇殘文可以得到兩點重要信息。

其一,文中介紹瞭在天球儀上直接比量以求取黃道度數的辦法:用一根竹篾,穿在天球兩極。篾的長度正與天球半圓周相等。將竹篾從冬至點開始,沿赤道一度一度移動過去,讀取竹篾中線所截的黃道度數,將此數與相應的赤道度數相減,即得該赤道度數(或黃道度數)下的黃赤道差。從這種比量方法可以悟得,中國古代並無像古希臘那樣的黃經圈概念。中國古代的黃道度數實際是以赤經圈為標準,截取黃道上的弧段而得。這種以赤極為基本點所求得的黃經度數,今人名之為“偽黃經”、“極黃經”(實際當名為“赤極黃經”)等等。對於像太陽這樣在黃道上運動的天體,其偽黃經度數和真正的黃經度數是相等的。而對黃道之外的天體,則二者是有區別的(當然,除瞭正好在二至圈——過冬、夏至點及赤極、黃極的大圓——上的點之外),距黃道越遠,差別越大。

其二,文中給出瞭所謂黃赤道差的變化規律。將赤道均分為24等分。用上述方法求取每一分段相當的黃道度數。此度數與相應赤道度數的差即所謂黃赤道差。這是中國古代所求得的第一個黃赤道差規律。黃赤道差後來在中國歷法計算中起瞭很重要的作用,作為首創者的張衡其貢獻也是不可磨滅的。

除瞭劉昭所引的這段文字之外,在晉、隋兩《書》的“天文志”裏所引述的葛洪的話中轉引瞭一段題為《渾天儀注》的文字;在唐代《開元占經》第一卷裏編有一段題為《張衡渾儀注》和一段題為《張衡渾儀圖注》的文字。把這3段文字和劉昭所引的《渾儀》一文相比較後可以知道,葛洪所引的《渾天儀注》這段文字不見於劉昭所引,而見於《張衡渾儀注》中。《張衡渾儀注》的剩餘部分和《張衡渾儀圖注》即是劉昭所引文字的分割,但又有所增刪。除此之外,在《開元占經》卷二十六“填星占”中還有3小段題為《渾儀》的文字;卷六十五的“天市垣占”下小注中有題為《張衡渾儀》的文字一句。這4段文字也不見於劉昭所引。總括上述情況,可以得出兩點結論:其一,劉昭所引隻是張衡《渾儀》一文的節選。張衡原文的內容更為豐富一些。但豐富到何種程度,現已無可考。且自《隋書· 經籍志》以來的目錄著作中,對《渾儀》(或《渾天儀》)一文從來隻標注為“一卷”。因此,想來不會有驚人的數量出入。其二,張衡《渾儀》一文確曾被人作過注,還補過圖注。注和圖注大概不是一人所注,且大概不是張衡本人所加,否則就不會有單獨的《渾儀》一文的存在瞭。

這幾段與《渾儀》有關的文字中當代研究傢最關心的是葛洪所引的《渾天儀注》是否是張衡原作的問題。因為這一段文字素來被現代研究傢視作中國古代渾天說的代表作,甚至視其地位猶在《靈憲》之上。過去人們當然把它看作是張衡的作品。但到70年代末,有人對此提出瞭全盤的否定。認為所有冠以或不冠以張衡之名的《渾儀》、《渾儀注》、《渾儀圖注》、《渾天儀注》等等都是後人的作品。嗣後,又有人對之作瞭全面的辯駁,維護瞭傳統的觀點。這一段爭論前後歷時長達12年。現在看來,全面否定張衡有《渾天儀》一文傳世的論點已基本失敗,即至少可以肯定,劉昭所引的《渾儀》一文是張衡原作。但否定者仍有其歷史貢獻,他啟發人們去注意古代文獻流傳中的復雜情況。例如,過去人們並未認識到《渾儀》一文還有行星和恒星等方面的內容。同時,也仍然還有理由可以懷疑葛洪所引《渾天儀注》一段是否是張衡原注。因為第一,這一段名之為“注”,而在古代文獻中,加不加“注”字是有本質差別的。不加“注”字的是指原文,加“注”字的就有注文。既然有不加注字的《渾天儀》,則加“注”字的《渾天儀注》就不隻是《渾天儀》原文,而且還有注文。第二,《渾天儀注》的思想就其正確面而言,並不超出《靈憲》。如果我們把《靈憲》中的地看作是浮於水面,孤居天中央,遠較天為小的陸地的話,那麼這與《渾天儀注》所說的“地如雞子中黃,孤居於天內,天大而地小。天表裏有水,天之包地猶殼之裹黃。天地各乘氣而立,載水而浮”等這段綱領性的話並無矛盾。反之,《渾天儀注》中認為“北極……出地上三十六度”,這段話當不可能是注重實際觀測的張衡的結論。張衡的誕生地南陽,長期當太史令的地點洛陽,都不會有北極出地三十六度的現象。根據他曾到過全國很多地方的經歷來看,張衡也似乎不應有北極出地為固定值的概念。這大概也正是他在《靈憲》一文中未提北極出地數值的原因。有鑒於此,寧可把《渾天儀注》的作者問題作為存疑,而期待今後的研究與發現。

張衡 -地動儀

(圖)張衡地動儀

張衡的另一個有傑出貢獻的科學領域是地震學。他的代表作就是震爍古今的候風地動儀的發明。不過,要聲明的是,現在中國所見到的地動儀,並不是張衡發明的地動儀,而是後人復原的。張衡發明的地動儀早就毀於戰火瞭,地動儀發明於陽嘉元年(公元132年)。這是他在太史令任上的最後一件大工作。在《後漢書·張衡傳》中對這件事有較詳細的記載。自19世紀以來即有人力圖運用現代科技知識,根據《後漢書》的記載來復原張衡的這項偉大的發明。到瞭20世紀50年代,王振鐸先生“復原”瞭張衡地動儀,並且被認為是科學的,甚至廣泛的被納入小學生課本。不過,王振鐸復原的地動儀多次在公開場合大出洋像,它要麼不能動,要麼就是跺腳也會被當成地震,可是人們卻誤信王振鐸的復原就是張衡原本的發明, 國內外學者也因此早就開始不停的否定它。其中不乏言辭激烈者,這給張衡甚至整個中國古代科技的名譽帶來很大的負面影響。現今證明,不是張衡的地動儀有錯,而是王振鐸先生的復原有原理性錯誤。不過,王振鐸在地動儀外型上的復原,還是卓有建樹的,這點應該肯定。

關於地動儀的結構,目前流行的有兩個版本:王振鐸模型,即“都柱”是一個類似倒置酒瓶狀的圓柱體,控制龍口的機關在“都柱”周圍。這一種模型最近已被基本否定。 另一種模型由地震局馮銳提出,即“都柱”是懸垂擺(見於袁宏的《後漢紀》 ),擺下方有一個小球,球位於“米”字形滑道交匯處(即《後漢書·張衡傳》中所說“關”),地震時,“都柱”撥動小球,小球擊發控制龍口的機關,使龍口張開。另外,馮銳模型還把蟾蜍由面向樽體改為背向樽體並充當儀器的腳。該模型經模擬測試,結果與歷史記載吻合。

張衡這臺儀器性能良好,曾預報過洛陽的一次地震,據當時記載:“驗之以事,合契若神。”甚至可以測到發生在數千裏外而在洛陽並無人有震感的地震。這臺儀器不僅博得當時人的嘆服,就是在今天的科學傢看來也無不贊嘆。世界上地震頻繁,但真正能用儀器來觀測地震,在國外,那是19世紀以後的事。候風地動儀乃是世界上的地震儀之祖。雖然它的功能尚隻限於測知震央的大概方位,但它卻超越瞭世界科技的發展約1800年之久!

張衡 -其他貢獻

(圖)張衡張衡

從上面所介紹的渾天儀和候風地動儀的構造即可得知,張衡掌握瞭很高明的機械技術。他的朋友崔瑗在為他寫的墓碑中贊道:“數術窮天地,制作侔造化。”前一句是道他數學天文學知識之淵博,後一句則是贊他制造的各種器物之神奇。其實,神奇是由於他巧妙地運用各種機械技術的結果。傳說他當時還制做過兩件神奇的器物。一件是有三個輪子的機械,可以自轉;一件是一隻木雕,能在天上飛翔。

關於木雕,《墨子· 魯問》就有記載:“公輸子削竹木以為鵲。成而飛之,三日不下。” 《列子·湯問》和《韓非子·外儲說》都記載說,墨子本人也造過能飛的木鳶。這些木鵲或木鳶大概是一種鳥狀的風箏。不可能是其他裝有動力機的、如今日飛機之類的飛行器。因為當時還不可能有連續運行一日乃至三日之久的動力機。張衡的木雕,大概也是一種風箏。不過,北宋類書《太平禦覽·工藝部九》引《文士傳》中一段記載說:“張衡嘗作木鳥,假以羽翮,腹中施機,能飛數裏。”這裏說到“腹中施機”,而且“能飛數裏”,因此,過去有的作者認為是一種飛機類的飛行器。但裝在飛行器上的動力機必須重量足夠輕而馬力足夠大,並且還要求飛行器本身具有一定的適宜起飛上升的形狀等等,這些條件在張衡時代沒有一條是能做得到的。所以,張衡的木雕即使真的“腹中施機”,那麼,這種機也不會是動力機,而是一種裝在風箏上用線控制飛行的操縱機構。

關於三個輪子可以自轉的機械,古來就有不同意見。南宋學者王應麟認為是一種記裏鼓車。這種車利用一組齒輪系把大車轉動時車軸的運動傳遞到一個木人的手臂上,使它過一裏路時敲一下鼓。這個設想看來不大符合“三輪可使自轉”的意思。敲鼓的動作一般是不當作轉動看的。另一種意見則認為是一種指南車。清代王先謙《後漢書集解·張衡傳》中引《宋書 ·禮志》 :“指南車,其始周公作,張衡始復創造”(按:這是《宋書·禮志》的摘引,實非原文)。看來,指南車的形象更符合於“自轉”的用詞,因為不管下面輪子怎麼轉,車上的人隻見到指南車木人的手指在自動地轉向南方。

總之,張衡在機械技術方面是非常高明的。《太平禦覽· 工藝部九》引晉代葛洪《抱樸子》曰:“木聖:張衡、馬鈞是也。”現在的中國科技史傢都公認馬鈞是我國三國時代一位傑出的機械發明傢,而在葛洪看來,張衡、馬鈞都是一代木聖。

《後漢書·張衡傳》中提到,張衡寫過一部書叫《算罔論》。此書至遲到唐代已經失傳,以至唐代的章懷太子李賢懷疑張衡沒寫過這部書,而是因為《靈憲》是網絡天地而算之,故稱《靈憲算罔論》。從《九章算術·少廣》章第二十四題的劉徽注文中得知有所謂“張衡算”,因此,張衡寫過一部數學著作是應該肯定的。從劉徽的這篇注文中可以知道,張衡給立方體定名為質,給球體定名為渾。他研究過球的外切立方體積和內接立方體積,研究過球的體積,其中還定圓周率值為10的開方,這個值比較粗略,但卻是我國第一個理論求得π的值。另外,如果按照錢寶琮先生對《靈憲》的校勘:“(日月)其徑當天周七百三十分之一,地廣二百三十二分之一”,則當時π值等於730/232=3.1466,較10的開方有精密瞭。不過,從劉徽注中也可以看到,這位100多年之後的大數學傢對張衡的數學有較嚴厲的批評,認為張衡:“欲協其陰陽奇耦之說而不顧疏密矣!雖有文辭,斯亂道破義,病也!”如按此批評來看,則錢寶琮先生所作的校勘似乎未必都符合張衡的原來數字。

張衡 -其他成就

張衡曾被唐代人看作是東漢時代的大畫傢。張彥遠的《歷代名畫記》卷三記有:“張衡作《地形圖》,至唐猶存。”這幅《地形圖》中是否還有地理科學上的意義,現已無可考瞭。當時還流傳有他用腳畫一隻神獸的故事。故事雖然神化瞭,但也反映出張衡有很高的畫技。他當過太史令,因而對史學也有許多研究。他曾對《史記》、《漢書》提出過批評,並上書朝廷,請求修訂。他又對東漢皇朝的歷史檔案作過研究,曾上表請求專門從事檔案整理工作,補綴漢皇朝的史書。這些上書均無下文。

他研究文字訓詁的學問,著有《周官訓詁》一書。當時崔瑗評價說:廣大學者都對它提不出異議來。他又是個大文學傢,他的《二京賦》曾花瞭10年的創作功夫,可見其創作態度的嚴肅。這篇賦不但文辭優美,膾炙人口,而且其中諷刺批評瞭當時統治集團的奢侈生活,其思想性也是比較高的。他在河間相任期時創作的《四愁詩》受到文學史傢鄭振鐸先生的高度評價,稱之為“不易得見的傑作”。他的《思玄賦》中有大段文字描述自己升上瞭天空,遨遊於眾星之間,可說是一篇優雅的科學幻想詩。除瞭上述諸文外,遺留至今的還有《溫泉賦》、《歸田賦》等20多篇,都是辭、義俱佳的力作。

張衡雖然在年輕時就已才聞於世,但他卻從無驕傲之心,他的性格從容淡靜,不好交接俗人,也不追求名利。大將軍鄧騭是當時炙手可熱的權勢人物,多次召他,他都不去。後來他當瞭官,顯然因為這種性格,使他很長時間不得升遷。他對此毫不在意,而是孜孜於鉆研科學技術。大概是為瞭回答好心人的勸慰,他寫瞭《應閑》一文以表明自己的志向。文中說到,有的人勸他不要去鉆研那些難而無用的技術,應該“卑體屈己,美言”以求多福。他回答說:“君子不患位之不尊,而患德之不崇;不恥祿之不夥,而恥知之不博。”這二句擲地有聲的話,表明瞭他不慕勢利而追求德智的高尚情操。他認為能不能得到高位是由命運決定的。這種想法現代人當然會目之為唯心主義。但張衡的落腳點卻是在於認為對高位“求之無益”,智者是不去追求它的。反之,叫他去“卑體屈己”以求升官,他說這是“貪夫之所為”,自己是羞於為此的。他特別還回答瞭學技術的問題,說是你們認為這些技術無用,我卻唯恐高明的人不教我。這裏充分表達出張衡作為一個科學傢渴求知識、敢於和鄙棄知識的社會愚昧思想作鬥爭的崇高精神。

張衡雖然淡於名利,卻不是一味清高,不問政治,不講原則的人。恰恰相反,他一生中有許多事跡表明瞭他有他的政治理想和抱負。他更堅持作為一個科學傢的鮮明品格的實事求是原則。
張衡的政治抱負也很簡單,就是8個字:佐國理民,立德立功。而佐國理民的具體目標和方法則是改革時弊,加強禮制,剔除奸佞,鞏固中央。

在張衡的時代正是政治日漸腐敗,宦官逐漸在和外戚的鬥爭中權力越來越大,而地方豪強也趁中央衰落之際猖獗起來,他們一起對人民的剝削壓榨越加殘酷。對這些腐敗黑暗現象張衡都有過抗爭。他曾向順帝上書,諷示近世宦官為禍,要皇帝“惟所以稽古率舊,勿令刑德八柄不由天子”,要求皇帝“恩從上下,事依禮制”。對選拔人才的方法他也提出建議加以改革。在河間相任期時他還積極進行瞭抑制豪強的鬥爭。當時朝廷腐敗,像張衡那樣個人的鬥爭已無濟於事。就在他上書要皇帝警惕宦官為禍不久,順帝卻又下詔特許受封為列侯的宦官可以收養義子,繼承爵位,使宦官獲得瞭和貴族世傢同樣的世襲特權!張衡明白瞭,他的反宦官鬥爭已沒有意義。所以,後來順帝問他:當今天下所憎恨的是什麼人?這時,在宦官們環視之下,他已無話可說,隻好“詭對而出”。由此,他思想裏充滿瞭矛盾和痛苦。他晚年的詩賦裏大量反映瞭這種情緒。後人把他的《四愁詩》和偉大詩人屈原的《離騷》相比,這並不是沒有理由的。

由於黑暗勢力的強大,張衡晚年有消極避世的思想,因而有《歸田賦》之作。這是封建制度下的時代悲劇,不足以減損張衡這位偉大科學傢為人民所建立的豐功偉績。他在詩中開始指摘“天道之微昧”,表露出對統治者的失望;他仍然諷刺熱中利祿的人,說他們是“貪餌吞鉤”。這些都說明,張衡的是非觀念仍然是十分清晰的。
已故的中國科學院院長郭沫若曾為張衡墓碑題詞道:“如此全面發展之人物,在世界史中亦所罕見。萬祀千齡,令人景仰。”這是當代中國人民的共同心聲!

《靈憲》

張衡一生所著的天文學著作,以《靈憲》最為著名。這是一部闡述天地日月星辰生成和它們的運動的天文理論著作,代表瞭張衡研究天文的成果。它總結瞭當時的天文知識,雖然其中也有一些錯誤,但還是提出瞭不少先進的科學思想和獨到見解。

例如,在闡述渾天理論的時候,雖然仍舊保留著舊的地平概念,並且提出瞭“天球”的直徑問題,但是張衡進一步明確提出在“天球”之外還是有空間的。他說:“過此而往者,未之或知也。未之或知者,宇宙之謂也。宇之表無極,宙之端無窮”。就是說,能夠觀測到的空間是有限的,觀測不到的地方是無窮無盡,無始無終的宇宙。這段話明確地提出瞭宇宙在時間和空間上都是無窮無盡的思想,是十分可貴的。

張衡在《靈憲》中指出月亮本身並不發光,月光是反射的太陽光。他說“夫日譬猶水,火則外光,水則含景。故月光生於日之所照,魄生於日之所蔽;當日則光盈,就日則光盡也”(景就是影,魄指月亮虧缺的部分)。他生動形象地把太陽和月亮比做火和水,火能發光,水能反光,指出月光的產生是由於日光照射的緣故,有時看不到月光,是因為太陽光被遮住瞭。他這種見解在當時是十分新鮮的,也是正確的。

同時,張衡還進一步解釋瞭月食發生的原因。他說:“當日之沖,光常不合者,蔽於地也,是謂暗虛。在星則星微,遇月則食。”這段話的意思是:“望月”時,應該能看到滿月,但是有時看不到,這是因為日光被地球遮住的緣故。他將地影的暗處叫做“暗虛”,月亮經過“暗虛”時就發生月食,精辟地闡述瞭月食的原理。至於“在星則星微”一句,說的是星星碰上“暗虛”就隱而不見瞭。

現在看來這種說法是不正確的。由於星星距地球極為遙遠,又大都是發光的恒星,不象月球一樣屬於行星,因此沒有任何一個星星會進入地球的影子之中而失去瞭光芒。這是張衡的不足之處。這也可以看出在當時的水平下,古人的研究不可能作到盡善盡美。今人也一樣,做任何事情的時候都不可能將事情作的絕對正確,但一定要最大程度的正確反映客觀現實。

此外,張衡在《靈憲》中還算出瞭日、月的角直徑,記錄瞭在中原洛陽觀察到的恒星二千五百多顆,常明星一百二十四顆,叫得上名字的星約三百二十顆。這和近代天文學傢觀察的結果是相當接近的。

在張衡的另一部天文著作《渾天儀圖注》裏還測定出地球繞太陽一年所需的時間是“周天三百六十五度又四分度之一”,這和近代天文學傢所測量的時間365天5小時48分46秒的數字十分接近,說明張衡對天文學的研究已經達到瞭比較高的水平。

張衡 -張衡墓

張衡墓位於南陽市北25公裏石橋鎮南小石橋村西20米處。墓地坐落在一個周圍平坦、中間略高的臺地上。墓北約250米處,有平子讀書臺,墓東為魯南(魯山至南陽)老公路,古代洱河舊道跨其北,鄂城寺塔峙立其東。據有關史料記載,漢時陵園建造宏偉,翁仲、石獸對立,祠廟巍峨壯觀。漢代崔瑗曾有張平子碑,晉代夏侯湛也曾為之撰刻碑碣,唐代詩人駱賓王、鄭谷者曾為之謳歌吟詩。後經戰亂,以往勝跡蕩然無存。新中國成立後,1956年重修瞭張衡墓園與“平子讀書臺”。墓園面積12000多平方米,墓室封土高8米,周長79米,在高大的古墓周圍遍植松柏。墓前的明、清石碑加蓋瞭碑樓。並於墓前立方碑1座,碑文為原中國科學院院長郭沫若撰寫,稱頌張衡:“如此全面發展之人物,在世界史中亦所罕見,萬祀千齡,令人景仰!”墓北讀書臺遺址,亦重新建臺立碑。張衡墓今已成為國內外遊客瞻仰遊覽之勝地。

張衡 -張衡與小行星

為瞭紀念張衡的功績1977年,聯合國天文組織曾將太陽系中的1802號小行星命名為“張衡星”。人們還將月球背面的一環形山命名為“張衡環形山”,另外一顆為紀念中國古代偉大科學傢張衡及其誕生地河南南陽的“南陽星”。國際小行星中心曾將我國天文學傢於1965年12月20日發現的一顆小行星命名為“河南星”。