书城自然发明巨匠
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第8章 举世敬仰的大发明家张衡

张衡(公元78年~139年),字平子。生于东汉时南阳西鄂,即今河南省南阳市。东汉时期伟大的天文学家、发明家、制图学家、数学家、地理学家、文学家、学者。

他为我国天文学、机械技术、地震学的发展作出了不可磨灭的贡献。后世称张衡为“科圣”。

张衡出身于名门望族。其祖父张堪自小志高力行,被人称为“圣童”,曾把家传余财数百万让给他的侄子。汉光武帝登基后张堪受荐拜官。曾被任为蜀郡太守。

其后又领兵抗击匈奴,曾以数千骑兵击破匈奴来犯的一万骑兵,因功又拜渔阳太守。此后在他的任期内匈奴再也没有敢来侵扰。他又教人民耕种,开稻田八千顷,人民由此致富。

张衡像他的祖父一样,自小刻苦向学,很有文采。16岁以后曾离开家乡到外地游学。他先到了当时的学术文化中心三辅,即今陕西西安一带。这一地区壮丽的山河和宏伟的秦汉古都遗址给他提供了丰富的文学创作素材。以后又到了东汉首都洛阳。

在那儿,他进过当时的最高学府太学,结识了一位青年学者崔瑗,与他结为挚友。崔瑗是当时的经学家、天文学家贾逵的学生,也精通天文、历法、数学等学问。

108年,张衡回到南阳家中。在南阳期间,他致力于探讨天文、阴阳、历算等学问,并反复研究西汉扬雄著的《太玄经》。他在这些方面的名声引起了汉安帝的注意。

111年,张衡被征召进京,拜为郎中。114年迁尚书郎。次年,迁太史令。以后曾调任他职,但5年后复为太史令。

总计前后任此职达14年之久,张衡许多重大的科学研究工作都是在这一阶段里完成的。

丰富的生活经历,使张衡能够接触到社会下层的劳动群众和一些生产、生活实际,从而给他后来的科学创造事业带来了积极的影响。

张衡是一位具有多方面才能的科学家。他在数学、地理、绘画和文学等方面,都表现出了非凡的才能和广博的学识。而浑天仪和地动仪两项发明创造,最能反映张衡的发明创造成就。

张衡所制的浑天仪是浑仪和浑象的总称。浑仪是测量天体球面坐标的一种仪器。浑仪模仿肉眼所见的天球形状,把仪器制成多个同心圆环,整体看犹如一个圆球,然后通过可绕中心旋转的窥管观测天体。

浑象是用来演示天象的仪表。浑象的构造是一个大圆球上刻画或镶嵌星宿、赤道、黄道、恒稳圈、恒显圈等,类似现今的天球仪。

浑象开始时是在天球外围的地平圈,以象征地。天球转动时,球内的地仍然不动。张衡的浑象是他设计的漏水转浑天仪的演示部分。以后,天文学家还多次制造过浑象,并且和水力机械联系在一起,取得了和天球周日运动同步的效果。

张衡在创制了浑天仪之后曾写过一篇文章。此文全文已佚。只是在梁代刘昭注《后汉书·律历志》时作了大段引述而使之传世。

在这篇文章中,张衡介绍了在天球仪上直接比量以求取黄道度数的办法:用一根竹篾,穿在天球两极。竹篾的长度正与天球半圆周相等。将竹篾从冬至点开始,沿赤道一度一度移动过去,读取竹篾中线所截的黄道度数,将此数与相应的赤道度数相减,即得该赤道度数或黄道度数下的黄赤道差。

这种以赤极为基本点所求得的黄经度数,今人名之为“伪黄经”、“极黄经”。对于像太阳这样在黄道上运动的天体,其伪黄经度数和真正的黄经度数是相等的。而对黄道之外的天体,则二者是有区别的,距黄道越远,差别越大。

当然,除了正好在二至圈上的点之外。二至圈就是过冬至、夏至点及赤极和黄极的大圆。

张衡还在文中给出了所谓黄道赤道差的变化规律。将赤道均分为24等分,然后用上述方法求取每一分段相当的黄道度数。此度数与相应赤道度数的差即所谓黄赤道差。这是我国古代所求得的第一个黄赤道差规律。

黄赤道差后来在我国历法计算中起了很重要的作用,作为首创者的张衡其贡献是不可磨灭的。

张衡曾参加过一次东汉王朝的历法大讨论,这件事发生在123年。据《汉书·律历志》记载,张衡当时任尚书郎之职。

这次大讨论的起因是,有人从图谶和灾异等迷信观念出发,非难当时行用的较科学的东汉《四分历》,提出应改用合于图谶的《甲寅元历》。又有人从汉武帝“攘夷扩境,享国久长”出发,认为应该倒退回去采用《太初历》。

张衡和另一位尚书郎对上述两种意见提出了批驳和诘难,使这二宗错误意见的提出者或者无言以对,或者所答失误,从而为阻止历法倒退做出了贡献。

张衡在讨论中还研究了多年的天文观测记录,把它们和各种历法的理论推算进行比较,提出了鉴定,认为《九道法》最精密,建议采用。他建议采用《九道法》本是当时最合理、最进步的,但却未能在这场大讨论中获得通过。这是我国历法史上的一个损失。

张衡的还有一个杰出贡献就是发明了震烁古今的候风地动仪。不过,要声明的是,现在所见到的地动仪,并不是张衡发明的地动仪,而是后人复原的。

候风地动仪有8个方位,每个方位上均有一条口含铜珠的龙,在每条龙的下方都有一只蟾蜍与其对应。任何一方如有地震发生,该方向龙口所含铜珠即落入蟾蜍口中,由此便可测出发生地震的方向。

张衡刚刚发明候风地动仪时,利用这架仪器成功地测报了西部地区发生的一次地震,引起全国的重视。这比起西方国家用仪器记录地震的历史早1000多年。

候风地动仪内设有“都柱”,即悬垂摆,摆下方有一个小球,球位于“米”字形滑道交汇处,地震时,都柱拨动小球,小球击发控制龙口的机关,使龙口张开。

张衡在当时已经利用了力学上的惯性原理,都柱实际上起到的正是惯性摆的作用。同时,张衡对地震波的传播和方向性也一定有所了解。这些成就在当时来说是十分了不起的。

世界上地震频繁,但真正能用仪器来观测地震,在国外,那是19世纪以后的事。候风地动仪乃是世界上的地震仪之祖。虽然它的功能尚只限于测知震中的大概方位,但它却超越了世界科技的发展1800年之久!

从上面所介绍的浑天仪和候风地动仪的构造即可得知,张衡掌握了很高明的机械技术。他的朋友崔瑗在为他写的墓碑中赞道:“数术穷天地,制作侔造化。”前一句是道他数学天文学知识之渊博,后一句则是赞他制造的各种器物之神奇。

所谓神奇,其实是由于张衡巧妙地运用各种机械技术的结果。这样神奇的事情在张衡身上很多。传说他当时还制作过两件神奇的器物。一件是有3个轮子的机械,可以自转;一件是一只木雕,能在天上飞翔。

张衡还有更大的神奇,那就是发明了指南车。这个指南车上装着一个木头人,不管车子怎么转动,但木头人的手始终指向南方。

张衡又发明了记里鼓车,车上放着一个鼓,鼓的两端各坐一个手持棒槌的木人,车轮转动149周,便为一里,木人出手击鼓报告。

上述这些都是用机械原理制成的,可见张衡在机械技术方面是非常高明的。《太平御览·工艺部九》引晋代葛洪《抱朴子》说道:“木圣:张衡、马钧是也。”

现在的我国科技史家都公认马钧是我国三国时代一位杰出的机械发明家,而在葛洪看来,张衡、马钧都是一代“木圣”。

此外,在文学艺方面,张衡是汉赋发展史上承前启后、具有划时代巨大贡献的重要作家。《二京赋》、《思玄赋》和《归田赋》历来公认为是他的代表作。实现了汉赋主体从铺采摛文、闳衍巨侈、重体物而淹情志,向清新爽丽、短小精练、情境相生的转变,而掀开了抒情小赋的创作时代。

张衡的《灵宪》是杰出的古代天文学著作,是他有关天文学的一篇代表作,全面体现了他在天文学上的成就和发展。

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。当时还流传有他用脚画一只神兽的故事。故事虽然神化了,但也反映出张衡有很高的画技。

由于张衡在世界科学界和文学界的伟大成就,20世纪50年代,我国曾先后发行了关于张衡和地动仪的纪念邮票。张衡也被列为世界文化名人,国际上把他同伽利略、哥白尼、开普勒齐名并提。

张衡具有极高的世界威望,取得了多项世界性荣誉。1970年国际天文学会命名月球上的环形山为张衡山;1977年又将太阳系中一颗编号为1802的小行星命名为张衡星;1995年,我国国家天文台又免费将永久编号为9092的小行星命名为南阳星;2003年,就在张衡诞辰1925周年之际,国际小行星中心将新命名的“南阳星”向世界发布,为世界各国所公认。

张衡因南阳奋起,南阳因张衡而闻名。张衡,永远是南阳人民乃至世界人民的骄傲!

[旁注]

匈奴 古代蒙古大漠和草原上的游牧民族,大部分生活在戈壁大漠,最初在蒙古建立国家,公元前215年秦始皇在位年间,被逐出黄河河套地区,东汉时分裂,南匈奴进入中原内附,北匈奴从漠北西迁,中间经历了约300年。

天体 宇宙中各种实体的统称。通常不把行星际、星际和星系际的弥漫物质以及各种微粒辐射流等称为天体。人类发射并在太空中运行的人造卫星、宇宙飞船、空间实验室、月球探测器、行星探测器、行星际探测器等则被称为人造天体。

天象 是指古代对天空发生的各种自然现象的泛称。现代通常指发生在地球大气层外的现象。如太阳出没、行星运动、日月变化、彗星、流星、流星雨、陨星、日食、月食、激光、新星、超新星、月掩星、太阳黑子等。

刘昭 字宣卿,平原高唐人。约梁武帝天监中前后在世。幼时机智敏锐,7岁研读老子、庄子道家教义。长大后,善作文章。他集注后汉书180卷,幼童传10卷,及文集10卷,传于世。

图谶 图谶萌芽于先秦时代的“河图洛书”。河图洛书原是一种应帝王受命的祥瑞和神物。人们对其作了种种推演、改造,“河图洛书”遂演变成“龙马负图,神龟贡书”的神话般的传说故事及图谶之说,并日益图式化和玄理化。

蟾蜍 也叫蛤蟆。两栖动物,体表有许多疙瘩,内有毒腺,俗称癞蛤蟆、癞刺。可能是因为蟾蜍的写实形象,再加上它足够机警,闻声鼓叫或很快弹跳逃走,所以才被张衡用来做候风地动仪的构件。

汉赋 在汉代涌现出的一种有韵的散文,它的特点是散韵结合,专事铺叙。两汉的文人多致力于这种文体的写作,因而盛极一时,后世往往把它看成是汉代文学的代表。西汉司马相如、扬雄,东汉班固、张衡被誉为“汉赋四杰”,其作品代表了汉赋的最高水平。

张彦远 字爱宾。生于蒲州猗氏,即今山西省临猗。唐代画家、绘画理论家。曾任舒州刺史、左仆射补阙、祠部员外郎、大理寺卿。精于名画鉴赏。著《历代名画记》、《法书要录》、《彩笺诗集》等。

汉光武帝(公元前5年~公元57年),名刘秀。东汉王朝开国皇帝。谥号“汉光武皇帝”,庙号汉世祖,葬于汉陵。我国历史上著名的政治家、军事家。在位33年,大兴儒学、推崇气节,东汉一朝也被后世史家推崇为我国历史上“风化最美、儒学最盛”的时代。

崔瑗(公元77年~142年),字子玉,生于东汉安平,即今河北省安平县。东汉名书法家,尤善草书。后世评价很高。“草圣”张芝自云“上比崔杜不足”。三国时魏人韦诞称其“书体甚浓,结字工巧”,即书体非常浓密,结字精致美妙。

汉安帝(公元94年~125年),名刘祜。东汉第六位皇帝。106年至125年在位。在位期间,东汉太后秉政、宦官当道、后宫争位,外有西羌等入侵边境,内有杜琦等领导的长达十多年的农民起义,社会危机日益加深。东汉王朝更进一步衰落。

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张衡墓位于南阳市北25千米石桥镇南小石桥村西20米处,墓地坐落在一个周围平坦、中间略高的台地上。

据有关史料记载,汉时陵园建造宏伟,翁仲、石兽对立,祠庙巍峨壮观。后经战乱,胜迹已荡然无存。

新中国成立后重修了张衡墓,于墓前立方碑一通,碑文为中国科学院院长郭沫若撰写:“如此全面发展之人物,在世界史中亦所罕见,万祀千龄,令人景仰!”

墓北读书台遗址,亦重新建台立碑。张衡墓今已成为国内外游客瞻仰游览之胜地。