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張衡(78-139)，字平子，漢族，南陽西鄂(今河南南陽市石橋鎮(zhèn))人，我國東漢時期偉大的天文學家、數(shù)學家、發(fā)明家、地理學家、制圖學家、文學家、學者，在漢朝官至尚書，為我國天文學、機械技術(shù)、地震學的發(fā)展作出了不可磨滅的貢獻。由于他的貢獻突出，聯(lián)合國天文組織曾將太陽系中的1802號小行星命名為“張衡星”。
學術(shù)成就
張衡是一位具有多方面才能的科學家。他的成就涉及到天文學、地震學、機械技術(shù)、數(shù)學乃至文學藝術(shù)等許多領(lǐng)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(guān)天文學的一篇代表作，全面體現(xiàn)了張衡在天文學上的成就和發(fā)展。原文被《后漢書·天文志》劉昭注所征引而傳世。文中介紹的天文學要點如下：
上海古籍出版社于2009年8月1日出版有今人張震澤注有《張衡詩文集校注》。
(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(chǎn)生道干，氣也有了顏色。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”。有了道干以后，開始產(chǎn)生物體。這時，“元氣剖判，剛?cè)崾挤�，清濁異位，天成于外，地定于�?nèi)”。天地配合，產(chǎn)生萬物。這一階段叫做“太玄”，也就是道之實�！鹅`憲》把宇宙演化三階段稱之為道根、道干、道實。在解釋有渾沌不分的太素氣時引了《道德經(jīng)》里的話：“有物混成，先天地生。”這些都說明了《靈憲》的宇宙起源思想，其淵源是老子的道家哲學�！鹅`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》認為在氣分清濁之后“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(nèi)，這是渾天說。
總之，張衡繼承和發(fā)展了中國古代的思想傳統(tǒng)認為宇宙并非生來就是如此，而是有個產(chǎn)生和演化的過程。張衡所代表的思想傳統(tǒng)與西方古代認為宇宙結(jié)構(gòu)亙古不變的思想傳統(tǒng)大異其趣，卻和現(xiàn)代宇宙演化學說的精神有所相通。
(2)關(guān)于宇宙的無限性
戰(zhàn)國時代的《尸子》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(tǒng)思想是把空間和時間聯(lián)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�！肚f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(jīng)》，并受到揚雄較深的影響，但在宇宙的無限性上卻不愿遵循揚雄�！鹅`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(zhì)上是相通的。而張衡的結(jié)論卻和當代的辯證唯物主義哲學相合�？磥恚钪嬗邢逕o限的問題還得長期爭論下去。
(3)關(guān)于天地的結(jié)構(gòu)
《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里。南北則短減千里，東西則增廣千里。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(zhuǎn)。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，半于八極;則地之深亦如之”�？梢姡瑥埡庑哪恐械牡厥莻�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，則南北相距千里的兩個地點所量得的表影長度相差1寸。
為什么把天地要設(shè)想成是個橢球結(jié)構(gòu)?我們已無法了解，或許，一種可能是囿于傳統(tǒng)。早在《呂氏春秋·有始覽》中就提到：“凡四海之內(nèi)，東西二萬八千里，南北二萬六千里”，東西比南北長了二千里�！痘茨献�·墜形訓》中也引了這兩個數(shù)值�？梢姽湃舜蟾畔喈斚嘈盘臁⒌氐臇|西要比南北來得長。
地平說和“表影千里差1寸”的理論，過去人們曾以為是蓋天說的內(nèi)容。但若據(jù)此即認為《靈憲》的天地結(jié)構(gòu)模形是蓋天說，那就不當了。渾天模型和蓋天模型最主要的不同在于：渾天的天是球狀的，天可以轉(zhuǎn)到地下去。天不僅有出于地上的北極，還有隱于地下的南極。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(gòu)成二片平行的曲面(近人稱之為第二次蓋天說)�？傊煊肋h在地之上。天只有北極而不可能有南極。因此，從對天的結(jié)構(gòu)認識來看，《靈憲》只能劃入渾天說而不能視之為蓋天說。關(guān)于地的問題，必須指出，歷史上的渾蓋之爭，主要在于天而不在于地。直到唐代一行徹底否定了日影千里差1寸的舊說之前，水平大地的觀念還一直存在于渾天說中。就是在一行之后，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(shù)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(guān)于日、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(xiàn)代通用角度單位即為29′21″，[根據(jù)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，誤差都只有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(jīng)》中也介紹過一個觀測：用一根8尺高的竿子垂直立于地面，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(jīng)》認為此時太陽視圓面正好充滿竹管。由此，《周髀算經(jīng)》按照“千里差1寸”的比例關(guān)系，求得此時太陽距人目為10萬里，進而求得太陽的線直徑為1250里。由于“千里差1寸”等基本出發(fā)點都是錯誤的，因而《周髀算經(jīng)》所得極為荒謬(太陽的線直徑實際為139.1萬公里)。就觀測本身而論，《周髀算經(jīng)》的結(jié)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》所載大多了。
(5)關(guān)于月食原因
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(jīng)》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，障于日之形也。”而對于月食原因，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，而是專門論述了月食的原因：“月，光生于日之所照;魄生于日之所蔽。當日則光盈，就日則光盡也。眾星被耀，因水轉(zhuǎn)光。當日之沖，光常不合者，蔽于地也，是謂虛。在星星微，月過則食。”這段話中說到，月亮本身是不發(fā)光的，太陽光照到月亮上才產(chǎn)生光月。月亮之所以出現(xiàn)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(xiàn)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(jīng)》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(jīng)》卷一引)。張衡的月相理論和他們沒有本質(zhì)的差別，所突出的是張衡強調(diào)了月相與日、月相對位置的關(guān)系。但這樣一來人們自然要問，既然“當日則光盈”，那么何以有時候當日時會有月食呢?對此，張衡回答說：“蔽于地也”，即大地擋住了日光，使日光照不到月亮上去了。張衡把這塊大地所產(chǎn)生的影子起個名字叫“虛”。月亮進入虛時就發(fā)生月食�！鹅`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(jié)構(gòu)，地是其下部與天球相密合的半橢球。那么：(i)要使日、月能沒入地平且能在地下運動，日、月就只能是兩個無厚的圓面，這就和上面說的月相理論相矛盾。(ii)太陽沒入地平后光線就會被地半球完全擋住，無論什么時候也不會投射上月亮。這樣，晚上的月亮應(yīng)該總是看不見的，這也就根本談不上月食的問題了。要解釋這兩個矛盾，只能認為《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(tǒng)一起來說：孤懸在天內(nèi)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;而日到水下之后日光仍能穿透水而照射到月亮上，只有那塊相對較小的陸地才能產(chǎn)生一塊虛。當然，在這樣推測的時候還得再補充一點，即應(yīng)該認為在張衡看來，水是一種透明度較高的物質(zhì)，所以深入地下之后的日光仍能穿透厚厚的水層而射到月亮，產(chǎn)生皓然明月。
(6)關(guān)于五星的運動
《靈憲》中提出了4點極有價值的見解。第一，日、月、五星并非是在天球球殼上，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(xiàn)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，迫于天也”)。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。一類附于月，屬陰，包括水星和金星。另一類附于日，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，并且在他之后也未對此點給予重視，這就使中國古代數(shù)理天文學的發(fā)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多年之后，王錫闡在《五星行度解》里提到了類似的思想，并進一步提出了天對日、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了。雖然張衡、王錫闡的思想都并不正確，但是行星和它們的衛(wèi)星(月亮是地球的衛(wèi)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，對于這種力學原因的探討在張衡之后的1000多年里仍然是沒有的。許多偉大的希臘天文學家都只有對日、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后才被提出來。第四點也很有意思�！鹅`憲》的行星分類正好是太陽系中內(nèi)行星與外行星的分類。當然，現(xiàn)在我們知道，所有的行星，包括地球，都是繞太陽轉(zhuǎn)的，而月亮則是繞地球轉(zhuǎn)的。所以，“附于月”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(nèi)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，外行星只能從晨出于東方開始一個會合周期。而內(nèi)行星則在一個會合周期不但可以晨出于東方，而且還可以像月亮一樣，昏出于西方。正是由于這種昏出于西方的相似性，《靈憲》才提出“附于月”的說法。
(7)關(guān)于星官
滿天繁星，古人將它們組合成一個個星組，以便于對它們進行辨認和觀測。這些星組少則一星，多則數(shù)十星。這樣的星組古人稱之為星官。由于各個天文學家的取舍、組合方法并不都相同，因此形成了許多家不同的星官體系。直到張衡時代，流傳于世的星官體系有以《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，張衡作了一番比較、整理和匯總的工作，發(fā)展出了一整套收羅恒星最多的新體系�！鹅`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)天文學家陳卓總結(jié)甘、石、巫咸三家星官的時代要早100多年，而且所包括的星官、星數(shù)比陳卓要多得多(陳卓所總結(jié)的有283官1464星)，成就當然要比陳卓大�？上埡庑枪袤w系已經(jīng)失傳，這是我國恒星觀測史上的重大損失。
與恒星星官有關(guān)的一個問題是，《靈憲》中提出了星空里還存在一種“微星”即很暗弱的星，其數(shù)有11520顆。這個數(shù)字并非嚴格得自實測，而是來自《易經(jīng)》中神秘的“萬物之數(shù)”。數(shù)字當然是不正確的。但張衡認為有微星存在，且星數(shù)比亮星多得多，這卻是符合客觀實際的。
(8)流星和隕星
天空中除了日、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�！鹅`憲》認為“及其(按：指三光)衰也，神歇精髓，于是有隕星。然則奔星之所墜，至地則石矣”。這里，張衡繼承了前人“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，張衡還探討了隕星產(chǎn)生的原因，認為是與日、月、星的衰敗有關(guān)。雖然這個想法不正確(太陽系內(nèi)有一些大大小小的流星體，當它們在運行中與地球相遇，進入大氣層后因摩擦而燃燒，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(fā)展到“衰”敗死亡的階段，這卻是非�？茖W的結(jié)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(lián)系，《靈憲》中對恒星的產(chǎn)生也有一種解釋：“地有山岳，以宣其氣，精種為星。星也者，體生于地，精成于天。”這種星生于地的見解當然是完全錯誤的。它是當時已流行了幾百年的天地相應(yīng)的思想的反映�！鹅`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(yīng)，純粹出于人的主觀附會，毫無內(nèi)涵上的科學聯(lián)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(yīng)純屬數(shù)字偶合。不過，張衡之所以會有山岳之精氣上升為星的想法，原因即在于他見到的隕星至地都是石頭，而山岳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岳的精氣，這就可以上升到天上成為星。這些反映了隕石來自天外的思想。而在西方，直到17世紀，還有天文學家認為隕石并非來自地外的說法。
《靈憲》作為一篇杰出的古代天文學著作，當然仍會有許多不足的地方。除了前面已經(jīng)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(nèi)，甚至說嫦娥入月后化成了蟾蜍。至于文中流露的種種星占術(shù)思想，那是當時整個時代的風氣，倒也不必去苛求張衡�？傊M管《靈憲》有一些缺點，但是它在天文學史上的意義并不因此而遜色。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(jù)之一就是《靈憲》這篇杰出的著作。
張衡發(fā)明的地動儀
公元132年，我國著名科學家張衡發(fā)明了最早的地震儀，稱為候風地動儀。它有八個方位，每個方位上均有一條口含銅珠的龍，在每條龍的下方都有一只蟾蜍與其對應(yīng)。任何一方如有地震發(fā)生，該方向龍口所含銅珠即落人蟾蜍口中，由此便可測出發(fā)生地震的方向。當時利用這架儀器成功地測報了西部地區(qū)發(fā)生的一次地震，引起全國的重視。這比起西方國家用儀器記錄地震的歷史早一千多年。
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