张衡

张衡（78年－139年），字平子，南阳郡西鄂县（今河南省南阳市南召县南）人，东汉士大夫、天文学家、地理学家、数学家、科学家、发明家及文学家，官至太史令、侍中、尚书。张衡一生成就不凡，曾制作以水力推动的浑天仪、发明能够探测震源方向的地动仪和指南车、发现日蚀及月蚀的原因、绘制记录2,500颗星体的星图、计算圆周率准确至小数点后一个位、解释和确立浑天说的宇宙论；在文学方面，他创作了《二京赋》及《归田赋》等辞赋名篇，拓展了汉赋的文体与题材，被列为“汉赋四大家”之一。他开创了七言古诗的诗歌体裁，对中华文化有巨大贡献。张衡为备受尊崇的伟大科学家，成就与西方同时期的托勒密媲美，其地位也为现代天文学界所肯定。张衡出身于南阳大族，祖父张堪是蜀郡太守。他少年时曾到雒阳太学读书，通晓五经，好学不倦，不分日夜。张衡为人谦虚，意志坚定:181，淡泊名利。曾受举荐“孝廉”，被大将军外戚邓骘征召，但张衡都不接受。100年，22岁的张衡出任南阳郡太守鲍德的主簿，8年后辞官读书。鲍德升职为大司农后，热心推荐张衡；111年，张衡被汉安帝所召，出任尚书台郎中，3年后迁任尚书侍郎；115年，37岁的张衡开始出任太史令，121年调职公车司马令，126年复任太史令。任职太史令期间，他制作了浑天仪与地动仪:176-178。张衡掌领太史令先后达14年之久:180，这个职位相当于现在中国科学院国家天文台的台长:52。张衡长期掌管历史记载和历法，没有升官，被同僚所笑。他写下《答难》来表明心志，不慕官位。他又曾上疏痛陈事弊，提出必须禁止大臣奢侈和僭越的主张。133年雒阳大地震，张衡借此上谏，批评宦官越权，主张大权归还天子:329。同年张衡迁任侍中。因受当权宦官排斥，136年外调河间相。在河间政绩良好，138年他升迁尚书，次年过世，享年61岁:177-178他的传世著作有文集11卷，《灵宪》、《浑天仪》、《玄图》各一卷:746、598、600及数学著作《算罔论》:224。西晋大臣张辅是其后代。张衡主张浑天说，认为天是球状的，像个鸡蛋，天相当于蛋壳，大地像蛋黄，天把大地包在当中，大地是平面的，周围是水，大地浮在水上:53-54。他改进西汉耿寿昌的设计，制造了浑天仪，并著有《浑天仪》一卷加以解说:52。浑天仪一具安装在室内，一具安装在观测台“灵台”之上:542。浑天仪以铜铸造，是空心球体，直径约五尺，上画二十八宿、中外星官及黄道、赤道；天球半露在地平圈上，半隐在地平圈下，天轴则支架在子午圈上，天球可绕天轴自行转动:179，与实际天球运动相一致，可预报天体运动情况:55；其外安装了地平环、赤道环和子午环，内部设置四游环。有学者认为，张衡的浑天仪上面装置了可以眺望天体位置的望筒，兼具演示和观测效用:27；也有学者认为，此浑天仪没有望筒，只有演示作用，性质上是天球仪:29。浑天仪每日均匀地绕中轴旋转一周，以滴水为原动力:179，与漏刻相连，水不断定量而缓缓地流入刻漏的水斗中。水斗原是静止不动的，当注水达到某个分量时，其重量就胜过浑天仪和齿轮的阻力，凸耳使齿轮转动一齿，然后抵住下一齿而再次静止下来，通过齿轮传动而使浑天仪缓慢地旋转:546、550、582。张衡所造浑天仪是个原型、早期的时钟，在五胡乱华中毁坏；在西方，类似能自动旋转的浑象在16世纪出现:95、538-539、546。张衡在东方最早正确说明月蚀，指出月蚀是由于地球的影子“暗虚”遮掩了月亮而引起的，并测得日、月的视直径约为 365.25 730 {displaystyle {frac {365.25}{730}}} 度，约等于0.5度，与现今测值相近:180。张衡绘制了星图，记录星官124个，星星有2500颗，其中320颗有名字:217，指出历法制定必须根据实测结果，曾在123年参与历法辩论，反对依据图谶而制定的“甲寅历”:223，根据月亮运行有迟疾的规律，以“九道法”为基础提出新历，但没有被朝廷采纳:51。他提出五星视运动的理论，认为就同一行星而言，其运行轨道与地面时而接近，时而远离，“近天则迟，远天则速”，解释五星运行的或快或慢:180；运动缓慢的外行星火星、木星、土星，张衡归类为阳，运动较快的内行星水星和金星，归类为阴:39。张衡没有认识到北极高度会随地点而变化，定出北极高度是36度:50，他也没有认识岁差，因冬至点难以观测，只从西汉末年所测的旧数值换算，定出冬至点以黄道度量为入斗宿20度，较当时实际情况偏东超过3度；他并根据观测，定出冬至黄道最远时去极115度，夏至黄道去极67度，因受仪器所限，数据稍欠精确:145-146、149、147。张衡虽然反对图谶，但他的宇宙论却受当时流行的谶纬影响:256。他撰有天文学著作《灵宪》，叙述宇宙生成论，观点接近西汉《淮南子·天文训》。他提出宇宙形成的三个阶段，首先是“溟滓”，是气的原始状态，什么都没有，是“无”的阶段，道的根本；第二是“庞鸿”，是元气开始发动、连结在一起、混沌不分的状态；第三是“太元”，元气分化，有刚柔清浊之分，天地各自形成，阴阳四时变化而生万物:16:296。天圆地平，天是一个中空的球体，地是半球体，上平下圆，处于天体下半部:17。八极约长二亿三万二千三百里，南北少一千里，东西多一千里，天地距离和地的厚度，都等于八极的一半:296。他指出宇宙是无穷无极的:16，肯定时间与空间的无限性，提出以“气”为基本的自然观，人是元气的聚合，如水之凝结为冰，人死是元气消散，如冰块融化为水，复归于元气，与自然成为一体:297、293、299。130年前后，张衡完成推算圆周率。根据三国时刘徽《九章算术注》，张衡认为立方体及其内接球体积之比，是8:5，由此推论圆周率是10的平方根： 10 = 3.1623 {displaystyle {sqrt {10}}=3.1623} :223-224。南北朝祖暅《浑天论》则提到张衡提出的另一个数字： 736 232 = 3.1724 {displaystyle {frac {736}{232}}=3.1724} :16；有学者认为今本文献有衍文，张衡的数字其实是较准确的 730 232 = 3.1466 {displaystyle {frac {730}{232}}=3.1466} :66，此说未被广泛接受。张衡的圆周率数字其实颇为粗疏，受刘徽严词批评，西汉末年刘歆指出圆周率为3.1547，已比张衡更准确；但张衡的计算并非倚靠实测，而是从理论出发，从立圆术公式推求圆周率，仍有开创性的贡献:359、361。张衡也曾研究球体体积，但没有重大改进:397。132年，张衡发明和制造了世上第一部验震器“候风地动仪”，形状像圆形的酒瓮，断面直径八尺，其内中央置有一根很重的柱子，称“都柱”，可以向八个方向倾侧或倾摆；酒瓮外部的八个方向各有一个龙头，龙头下各有一只蟾蜍，张口对着龙头，八条龙各口含铜丸一颗，当都柱向某一方倾侧时，该方向的龙口张开，铜丸落下，掉入蟾蜍口中。地震发生时，只有震源方向上的龙头张口，据此可知地震的方向。范晔《后汉书》记载，地动仪放在雒阳，134年12月13日:481，陇西发生地震，当时雒阳并无震动，但一个龙口掉出铜丸，其后才传来陇西地震的消息，证实其探测地震方向的功效:55-57:181。而候风地动仪所谓的“候风”，是指测定风的变化，地震相信是因为阴阳两气相搏而形成，气的变化会产生风；哪个地方有地震，哪个方向就有气的变化，就有风来可以测到:3。候风地动仪流传到隋代，北朝信都芳、隋代临孝恭都研究过，到唐代失传:356-358。地动仪利用物体的惯性来测震，其构造学者有两种看法，其一认为，都柱是个挂起的悬摆，又重又粗，都柱下有一小铜球，组成触发机制，在地震波水平运动中，都柱移位，小铜球脱落，撞击机关:486、484，又或都柱带动八条向八个方位伸出去的臂，连接扛杆，当悬摆向某一方向摆动时，龙口就会张开:347-348。另一种观点是，都柱是一种倒立的震摆，附有重锤，安装在底座上，周围有八组机械装置，一旦地震，重锤倾侧，都柱失去平衡，触道机械装置，使相应的龙口张开:350:180。现代中、日学者都尝试复原地动仪:57，日本学者曾以直立震摆式的地动仪模型做实验，证明地震初震很强的话，铜丸会因初到的纵波而落下，确定地震的方向:352-353；但其他地震学者却指出，直立震摆的倾倒方向有随机性，对震动反应迟钝，没有验震作用，直立震摆底部所用的弹簧，也不可能是汉代技术水平的产物，而悬摆式的地动仪模型，在2000年代则通过中国地震学者用振动台模拟地震状态的试验，得到中国学术界的认可:482-484、478。张衡地动仪比直至19世纪前期西方的水银地震仪更先进:362，但亦有个别学者质疑《后汉书》中有关地动仪的记载，指出从现代地震学的观点看，若单独一个仪器，仅在一个地点进行测量，难以测定震源:251。116年，张衡绘制和呈献地图“地形图”，流传到唐代；李约瑟推测张衡曾运用计里画方的网格绘图，但此说受其他学者质疑:106:79、135。浑天仪和候风地动仪以外，张衡发明了指南车、“自飞木雕”和机械日历，并改良了漏刻的构造。指南车是双轮马车，内置齿轮装置，即使行驶时多次转向，车上人像亦永远指向正南；张衡所造指南车在汉末战乱中被毁。自飞木雕是一只木鸟，有羽翼，腹内有机械，能飞起，张衡〈应间〉曾提到这只能飞的木雕：“木雕犹能独飞”。李约瑟推测自飞木雕以弹簧为动力，推动直升陀螺的螺旋桨:315、638。张衡在漏刻使用虹吸管（称为“玉虬”），代替壶底的漏咀，并在贮水壶和受水壶之间加入一个补偿壶，使计时更准确；受水壶盖上铸有个小塑像，左手持着可以上下浮动的垂直指示杆（“漏箭”），右手则指向指示杆上的刻度:342、351-353:541。机械日历“瑞轮蓂荚”像浑天仪一样，都是水力推动的，能显示月相和朔望月的天数:363。有学者认为张衡也制造了风向仪，古书上“候风地动仪”其实是指风向仪和地动仪两种仪器，这种风向仪是鸟状的，能随风转动:193。政治上，张衡坚持批判现实，对宫廷政治的污浊奸诈深感忧愤，反对王侯贵族的奢侈生活。他受道家思想影响，倾向老、庄，主张无为，有人生无常、遁隐厌世的思想，企图超越世俗生活，其宇宙论也体现道家观念，晩期作品〈思玄赋〉道家倾向更强。他继承了西汉儒家董仲舒的灾异、天人感应之说，认为星象变异和地震等灾异，是上天对世人和朝廷的谴告，促使他制造更精密的仪器去认识宇宙和侦测地震，以察知天意；但他反对谶纬预言，曾上〈请禁绝图谶疏〉:18-22、127-128:485，指出图谶弄虚作假，为迎合当权者而伪造。他推崇西汉扬雄的《太玄》:293、298，认为“玄”是宇宙的根本原理，《太玄》一书深奥而难以理解。他相信天上有许多神、星神、四方神、天皇等等，不但天上有神，山林原野都有神灵，天体的组织，则与地上朝廷政府的组织相对应:20、107、110-111，月亮上有蟾蜍，由嫦娥所变:38，星星会影响人的命运:217。张衡熟悉“风角”之术，认为可透过观风而知祸福:722-723，相信占卜，宇宙间有某种神秘力量，绝非所有事物都可用理性解释:113-114、123、14。张衡是辞赋名家，将汉赋推向高峰，由歌功颂德的辞赋发展为抒情小赋:12，现存大致完整的作品有〈温泉赋〉、〈南都赋〉、〈二京赋〉、〈思玄赋〉、〈归田赋〉、〈髑髅赋〉、〈天象赋〉、〈应间〉、〈七辩〉九篇。〈温泉赋〉描写长安附近骊山著名的温泉，属早期作品；〈二京赋〉长达7700字:150、31、117，是模仿班固〈两都赋〉的大赋，辞藻典雅瑰丽，夸张铺陈，堪称不朽佳作。〈西京赋〉假借凭虚公子之口，描写长安地理形势、汉高祖的定都、西都的豪华、宫殿的宏伟、城廓的宽大、市场的繁荣、商贾的欺诈、游侠的作风、园林中的游猎，〈东京赋〉则假借安处先生之口追溯历史，从周、秦、两汉各代帝王，赞颂汉高祖、汉文帝、汉武帝等，描写雒阳形胜和汉室仪轨；二赋也描述宗教活动和民间风俗:13、22，如持守色戒的西域僧人:128、杂技歌舞等“百戏”表演、驱邪的大傩仪式，有其史料价值，可补正史的不足；〈西京赋〉即为南北朝《三辅黄图》和北宋宋敏求《长安志》多次引用，以说明长安面貌。〈二京赋〉引用不少五经句子，文句为何晏〈景福殿赋〉、左思〈蜀都赋〉等后世辞赋袭用:881、856、865，并有东吴薛综等人的注释:893。〈南都赋〉则盛赞当时被朝廷忽略的南阳城，但形式较呆板笨拙，语言则较艰深晦涩:177。张衡〈思玄赋〉是抒情表志的作品，发表自己的理想，模仿楚辞〈远游〉和班固的〈幽通赋〉，重复屈原在〈远游〉中的寻求，先去东、南、北三方，登上蓬莱，在瀛州采芝，又去拜会西王母，上了仙宫“琼宫”，尽享声色之娱，然后回到故乡:13、95:42。张衡深受楚辞影响，常引用楚地传统的神话，〈思玄赋〉引用最多的就是楚辞:20-21。〈归田赋〉开拓辞赋中田园归隐的主题，表达其退隐之心，反对宦官当权，政治腐败而自己无力拯救，有不愿同流合污之意:11、14，文中赞美民间的田园生活，山水景色使人心旷神怡，是汉赋中罕见的短篇，启导陶渊明〈归去来辞〉等后世抒发归隐之情的作品:22，所写自然风景欢乐和谐，也启导王羲之〈兰亭集序〉等后世文章:62，文中道家思想鲜明，则可说是后世玄言诗的先驱:47。〈髑髅赋〉以对话体扩充铺陈《庄子．至乐》篇中的寓言，赋中的髑髅就是庄子:43-45。有后人批评，张衡的辞赋缺乏独创性，主要模仿前人著作，如〈二京赋〉模仿班固〈两都赋〉，〈南都赋〉模仿扬雄〈蜀都赋〉，〈应间〉模仿东方朔〈答客难〉，〈七辩〉则模仿枚乘〈七发〉:14。诗歌方面，张衡初次撰写七言古诗〈四愁诗〉，脱离了楚歌的句式，接近纯粹的七言诗:68-69:246，并为后世诗人模仿，如晋代傅玄撰有〈拟张衡四愁诗〉。张衡〈同声歌〉则是新娘向新郎的倾诉，描写新婚的优美，诗中提到房中术著作《素女经》的内容:103-105。张衡通晓经学，曾撰写《周官训诂》，但稍欠特色，失传于世。他对汉朝历史亦相当了解，有志于史学，担任侍中时，曾请求到东观专心撰写东汉史书，但不获批准；又曾上书指摘司马迁《史记》和班固《汉书》两书的错失，提出汉朝史书应有的体例。张衡亦是个画家，列为东汉六大画家之一:181，唐代《历代名画记》曾记载他曾用脚趾画怪兽这一传说:160。张衡名列“汉赋四大家”之一:176，受尊崇为中国历史上的大科学家。在东汉，崔瑗称赞他能知天文地理，制作巧夺天工，“数术穷天地，制作侔造化，与神合契”，南阳人为他修建庙宇:179、45；三国时傅玄则惋惜他不在其位，工艺才华未能尽情发挥:35；他的地动仪和天文学成就都没有传人，天文学著作残缺不全，科学贡献渐被后人遗忘:163。有学者猜测，地动仪的原理在古代可能已辗转传到波斯和日本。19世纪末，西方地震学家约翰·米尔恩（英语：John Milne）开始留意到张衡地动仪的开创性成就:361-362、342，有学者认为，米尔恩所造的首座现代地震仪，就是受地动仪启发的:487。1920年代，中国史家也注意到张衡的科学成就，1924年，张荫麟首先称赞张衡为中国“第一位大科学家”，李约瑟特别推崇张衡，大部分现代中国学者亦称张衡为伟大的科学家:163-164、11、175。学者认为张衡可与西方几乎同时代的托勒密相媲美，但在数学、几何学、科学方法和研究成果，张衡都不如托勒密:160、173。南阳张衡墓地久已荒废，偶有士人加以修葺，当地人亦不知墓主是谁；1956年，南阳县政府重建张衡墓园，建立张衡博物馆，附有仿汉建筑与石雕，1988年定为国家级重点文物保护单位，馆内展示张衡发明的地动仪、浑天仪、指南车等模型:4。为了纪念张衡，1970年，国际天文学界用张衡名字为月球背面一座环形山命名；1971年，以他来命名小行星1802；中国天文学会设立“张衡特殊贡献奖”，2002年首次颁发；2003年，小行星9092以张衡故乡南阳命名；一种铜锌合金的天然矿物亦以张衡命名，即张衡矿。深圳市龙岗区坂田街道华为基地有一条以张衡命名的街道--张衡路。