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第8章 浑天仪和地动仪的创制者——科学家张衡

日沉月升、斗转星移,天体变幻莫测,似乎蕴藏着无限的奥妙。观测天象,研究天体,揭示其中的奥秘成为无数人的愿望。

汉代,有一个科学家,叫张衡,他创制了浑天仪和地动仪。在天文、地震学方面做出了突出贡献。

这是在人类文明史上值得大书特书的事情。

张衡(公元78—139年)字平子,河南省南阳郡西鄂县(今南阳县)人,是汉代著名的天文学家。祖父是地方官吏,曾任蜀郡太守和渔阳(今河北省蓟县一带)太守。张衡幼年时,家境已经衰落。从小他就养成了吃苦耐劳、勤奋好学的品德。

聪明的张衡,不满足于诵读经卷典籍。17岁开始,他便离乡游学,在长安、洛阳等地学习考察,成为学识渊博的学者。23岁时,他应邀回乡出任南阳太守鲍德的主簿,掌管文书工作。公元111年,他应征进京,先后任郎中、太史令等低、中级官职。张衡并未醉心于仕途,他对天文、历法、数学有着浓厚的兴趣。这样,他把精力都放在科学研究上,做太史令14年,他主持掌管天文的观察和研究,为编订历法、候望天像、调理钟律做出了重大的贡献。

那时候,人们对天体运动和宇宙结构的认识,主要有三种:盖天说、浑天说和宣夜说。盖天说创立最早;浑天说认为天地就像鸡蛋的蛋壳和蛋黄一样。天体不断地转动,如同车轮似的,没有头尾,形状混沌一团,所以叫“浑天”。浑天说是进步的天体论。

张衡主张浑天说,并根据这种学说制造了浑天仪。

浑天仪,类似于现在的天球仪。它由精铜铸成,主体是一个铜制的球体模型,用一根铁轴贯穿球心代表天球。轴和球有两个交点,即北极和南汲。浑天仪周长1.461丈,仪上刻有赤道和黄道、南北极和日月星辰等,凡是当时已发现的天文现象,几乎都表现出来了。如28宿和其他恒星;球面上的赤道圈与黄道圈成24度夹角,分别列有24节气;天球半露在地平以上,半隐在地平之下。

把它放在室内,利用水的滴漏使它转动。这样就可以形象地演示天象了。在室内,通过浑天仪,就可以看到是哪颗星出来了,哪颗星沉没了。

张衡还创制了一种机械日田,与浑象联动,能够演示月亮的圆缺变化。

浑天仪上标示的天体变化和天空星辰运行与真相完全符合。张衡精心设计的这种自动的天球仪,在当时来说是最先进的天文仪器。而且,它是有明确记载的世界上第一架用水力发动的天文仪器。它实质是一个天文钟,通过它的等速旋转,可以报告时刻。

在1800多年前,我国就能制造出这样复杂而精巧的天文仪器,是很值得自豪的。

我国是一个多地震的国家。据史书记载,东汉时期,我国几乎连年发生地震,仅和帝永元四年(公元92年)到安帝延光四年(公元125年)的30多年间,共发生了26次比较大的地震。有时还引起地裂山崩,江河泛滥,还经常发生大风,有一次大风拔树多至3万株。

在严酷的自然灾害面前,劳动人民展开了不屈不挠的斗争。

张衡总结劳动人民的智慧,创制地动仪,准确地测定地震情况,并做了大量记录,对于天文事业是一个不小的贡献。

公元132年,张衡制造出世界上第一台测量地震的地动仪。在人类同地震做斗争的历史上写下了光辉的一页。

这个地动仪是用青铜铸成的,直径长达8尺,形状很像古代的大酒壶。顶上有突起的盖子,中间有一根很重的铜柱子,分出8支小横杆和仪器外部的8个龙头相衔接,周围镶有8条龙,头朝下,尾朝上,分8个方向排列。龙头翘起,嘴里各含一粒小铜球,若吞若吐的样子。下边和龙头相对的是8只铜蛤蟆,仰头张口,可以接住落下的铜球。哪个方向发生了地震,铜柱就向哪个方向倾倒,使龙嘴张开,铜球便吐出来,落到铜蛤蟆嘴里,发出响亮的声音,发出地震的警报。这样就可以准确地测得地震的日期和方向。

这台地动仪被命名为“候风地动仪”。“候风”是指“候气”。当时人们认为地震发生,是由于地气里积聚起了过分的能量引起的。这台地动仪能够测出三度左左的地震烈度,在古代的技术条件下,这是一个多么了不起的成就。

张衡地动仪的制造成功,是世界地震学史上的一件大事。它利用物体的惯性来拾取大地震动波,进行远距离测量。直到公元13世纪,古波斯才有类似仪器在马拉哈天文台出现。距离张衡的地动仪已过了1000多年。

不幸的是,当时的统治者并没有重视张衡的创造。在他死后,他的仪器被毁,如今,我们在中国历史博物馆看到的地动仪,是50年代中国科学家们根据史书记载而复制的张衡地动仪模型。它在许多方面与史书记载还有出入。

张衡还制造过测日影的土圭、计里鼓车和指南车等多种器械,并且为后人留下三部重要著作——《灵宪》、《浑天仪图注》和《算网论》。这是张衡对当时天文学、数学较系统的总结,而且他还对文学、历史、哲学和绘画很有研究。他的《西京赋》和《东京赋》真实而深刻地揭露了地主豪绅的荒淫无耻,表现了他对当时的皇族贵戚大官僚的痛恨:他对司马迁的《史记》和班固的《汉书》都有过评论。在数学上,他还知道圆周率是10的平方根,得3.16有奇。这个成就的取得,比外国数学家早几百年。

张衡在《灵宪》一书里阐述了他的天文学理论。他指出太阳有光,月亮本身不会发光。月光是反射日光而来的。月亮向着太阳时,我们就能看见圆圆的月亮,背着太阳,就看不见。他大胆地推测出月食是由于地位遮蔽的缘故。他估计在同一地方同一时间,天空中可见的星体共有2500个,和现在天文学的统计接近。这些见解,都是非常有价值的。

然而,在当时,张衡的科学发现和发明,得不到统治者的重视。生前,他受到封建顽固派的排挤。死后,他的创造发明又遭到毁坏。

可以想象,有多少劳动人民的聪明才智在封建社会被埋没了。

当人类社会发展到今天,重温历史,人们为这位伟大的科学家而自豪。赞叹他的事业心,赞叹他勇于进取的精神以及不慕名利的高尚品德。

张衡,以其在天文学上的成就著称于世,月球上有以他的名字命名的环形山,宇宙间有以他的名字命名的星星。

新中国成立后,人民政府在他的家乡河南省南阳县重修了他的墓和读书台,郭沫若同志在新立的墓碑上题词赞颂道:“如此全面发展之人物,在世界上亦所罕见。”这是后人对他的崇高评价,也是他在我国和世界科技史上的应有地位。