张衡是我国东汉时期著名的文学家和科学家,他发明地动仪的事迹,不仅在史书中有记载,还被收录到教材中,在我国几乎人人耳熟能详。而除了发明地动仪,张衡还有很多巧妙的构思与制作,为我国天文学、气象学、数学、机械制作等的发展做出了重要贡献。

张衡,字平子,是东汉时期南阳西鄂人,也就是今天的河南南阳人。他出生在一个官宦家庭,祖父张堪曾经担任过蜀郡太守和渔阳太守,在当地很有名望,但随着祖父病故,家境败落,所以他从小过着清贫的生活。虽然生活贫困,但张衡天资聪颖,勤奋好学,很小的时候就很擅长写文章。俗话说,“读万卷书,不如行万里路”,在17岁那年,张衡决心出外游历,他先是来到了三辅地区,也就是西汉时期以都城长安为中心的京兆、左冯翊、右扶风,相当于今天陕西中部地区,然后再从三辅来到京师洛阳,在那里熟读五经,贯通六艺,并且与马融、崔瑗等青年学者结为挚友。

虽然学问出色,但张衡并不热衷于功名,直到23岁那年,才答应了南阳郡太守鲍德的邀请,担任南阳郡主簿。回到南阳后,他精心钻研天文、阴阳、历算等方面的学问,引起了汉安帝的注意,特例征召他为郎中,并很快升其为太史令,专门掌管天时、星历。在任太史令期间,张衡写出了《灵宪》《算罔论》等著作,还制作了浑天仪。

《灵宪》是我国第一部重要的天文学理论著作,在书中,张衡全面阐述了天的生成和结构、宇宙的起源和演化、日月星辰的本质等问题,并且第一次正确地解释了月食的成因,极大地提高了我国古代天文学水平,使其处于世界领先地位。《算罔论》是张衡在数学方面的重要著作,虽然已经失佚,但刘徽在《九章算术注》中引用了张衡的一些观点,从中我们可以知道张衡提出了π=√10,对祖冲之推算出圆周率起到了促进作用。

浑天仪是古代观测天象的仪器。东汉时期,关于宇宙的学说主要有盖天说和浑天说两种,盖天说认为地是平的,天像一只碗扣在地上;浑天说认为天像蛋壳,地像蛋黄。相较而言,浑天说有较多的支持者,他们制作了不少观测天象的仪器,被称为浑天仪,比如汉武帝时期的落下闳就曾经制作过浑天仪。而张衡在继承和发展了前人成果的基础上,对浑天仪进行了改造。他先是用竹篾做了一个小模型,称作小浑,用了整整一年的时间,进行了多次试验、改进之后,才用铜铸而成。

《晋书·天文志》对张衡所改造过的浑天仪有详细的记载,从记载中可以知道,张衡所造的浑天仪主体是一个大铜球,和现在的天球仪类似。上面有南北极、黄道、赤道、二十四节气、二十八星宿和日月等恒星。在铜球相当于南、北极的地方,有一根可以旋转的轴。球体外面还有两个圆环,其中通过南北极的圆环叫子午圈,另一个是表示地平线的地平圈。铜球由西向东旋转之后,就可以看到刻在上面的星星升到地平圈之上,随着旋转向地平圈之下落去,正如天空中恒星东升西落的样子。张衡浑天仪的伟大之处在于,他通过设计,用水力来转动铜球,并且使得铜球转动一周的速度和地球自转一周的速度一样。所以,当铜球转动起来后,人们在室内看着浑天仪,就能知道室外的夜空中哪颗星刚升起,哪颗星已经到了半空中,哪颗星就要落下去了。

更巧妙的是,张衡还设计了一个叫做“瑞轮蓂荚”的机械装置。所谓瑞轮是指月亮,蓂荚则是传说中的一种神草。根据《竹书纪年》的记载,这种神草生长在古代圣王尧的时代,月朔之日,也就是每个月的农历初一开始,每日长出一片叶子,半个月就长十五荚,十六日之后,又一天掉一荚,到月晦之日,也就是每个月农历的最后一天,叶子就掉完了。如果碰上这个月是少一天的小月,那么最后那片叶子就会凋零但是不掉落。因为这种草可以指示出日期和月相,所以又叫“历荚”。张衡根据这个传说制造了一种机械装置,能够“随月盈虚,依历开落”,说是当时的活动日历也不为过。

在汉顺帝初年,经过两次转任之后,张衡又当上了太史令,并发明了地动仪。有时候,人们也将地动仪称为侯风地动仪,但实际上,侯风仪是张衡在气象学方面的一项发明,可以用来测风的方向,和西方屋顶上的侯风鸡类似,但却比西方要早一千多年。

在机械制作方面,根据《太平御览》记载,张衡曾经制作过木鸟。这个木鸟不仅有翅膀,而且在鸟腹中有机关,借助机关和翅膀,木鸟可以飞数里地。此外,张衡还制作过一种有三个轮子,可以自转的机械,有人认为这是一种记里鼓车,但也有人认为这就是指南车。这些灵巧的机械都已经失传了,但书籍中留下的相关记载足以证明张衡在机械制作中的高超技艺。晋代的葛洪将张衡和一位三国时期的机械大家马钧称为“木圣”。

张衡的这些创造发明,令人叹服,和他同时代的学者,也是他的好友崔瑗曾说他“奇技伟艺,磊落炳焕。术数穷天地,制作侔造化”;曾任中国科学院院长的郭沫若曾说他是世界史中罕见的全面发展的人物。如今,张衡的名字不仅被各种科技史典籍记载,也被永远地刻在了天体上。1970年,国际天文学联合会将月球上一座环形山命名为“张衡山”,并在7年之后,把太阳系中编号为1802的小行星命名为“张衡星”。

作者系济南中华文化学院(济南市社会主义学院)讲师(陈 静)