秦汉时期是中国秦、汉两朝大一统时期的合称，是中国历史上第一个中央集权制的大统一时期，也是统一多民族国家的奠基时期。公元前221年，秦灭六国，实施全面统一，但秦朝短暂，且忙于对内控制镇压，对外扩张防御，除了统一文字、度量衡外，手工业设计制造技术与民间工艺几乎没有什么大的发展，倒是其滥用民力大修驰道直道、万里长城、阿房宫与骊山陵园等，能充分体现我国劳动人民的创造力与智慧，甚至成为著名的文化遗产，但是有名有姓的能工巧匠却少有资料专门记载。汉初实行“推恩令”，实现中央集权，实现天下一统、九州一主，并逐步控制了西域，开拓了著名的丝绸之路，发展了对外贸易。随后，强盛汉朝的税收要保证，土地要重新丈量，米谷要统一计量，运输要扩大计划，等等，所有这些需要重视总结古代和民间的宝贵经验及实用技术，于是一贯为中国古代人们所重视的天文、历法、算学、医药等取得了许多重大成就，甚至居于世界领先地位，同时也涌现出大批有相当科技建树的能工巧匠。
西汉“长安巧工”丁缓设计发明的“被中香炉”很能代表中国强盛的国际地位，而且其中隐含着深刻的科学道理；东汉宦官蔡伦对造纸术的发明与改进更具开创性，对人类文明发展的影响巨大而又深远；东汉南阳“父母官”杜诗也是著名的技术发明家，他的最大成就是创制了水力鼓风装置——水排，为人类冶炼史揭开了新的篇章；东汉张衡是多才多艺的仪器制造名匠，不仅创制过浑天仪、地动仪和候风仪等三大仪器，而且据传说他还制造过指南车、记里鼓车等，尽管近年来有关地动仪的争议不断，但其对中国古代天文学、地震学和机械力学等方面所做的重要贡献不可否认。
汉武帝末年，搜粟都尉赵过推行“代田法”，他著有《四民月令》，较为全面地总结民间经验，并吸收前代播种工具的长处，还涉及发明了“三犁共一牛”且耕且播的新农具“耧车”（又称“耧犁”），以及“二牛三人”（即二人扶二犁，一人在前引二牛）的“耦犁”等，大大提高了当时的农业耕种效率；东汉民间医生华佗制成“麻沸散”，在世界上最早采用全身麻醉方法；东汉“医圣”张仲景著有《伤寒杂病论》，为中医临床的辨症施治奠定了基础。
本章主要介绍西汉“长安巧工”丁缓和东汉的南阳“父母官”杜诗、宦官蔡伦以及多才多艺的仪器制造名匠张衡。
第一节 丁缓：“长安巧工”巧制“被中香炉”
中国古代有很多奇巧的设计制造工艺，隐含着深刻的科学道理，其中有不少堪称重大的科技发明创造，但是由于封建统治者一贯不重视劳动创造，所以很多发明创制的主要运用都只局限于游戏观赏等奢侈生活，而少有在生产和民间推广使用的。据称由人称“长安巧工”的西汉著名工匠丁缓设计发明的“被中香炉”等就是其中的典型例子。
一、奇巧工艺发明多
人称“长安巧工”的丁缓是我国西汉末年成帝刘骜（公元前51年—前7年）时期的著名工匠，长安（今陕西省西安市）人，擅长机械器具制造，发明创造很多，而且还是个出色的雕塑和设计工匠，但对其生卒年月，包括其大致长相或画像，都无法从现存的资料中查知。除记载西汉杂史及遗闻轶事的笔记小说集《西京杂记》外，其他古籍上未见有介绍，所以关于他的情况，知之甚少，而且《西京杂记》上也仅记载了他的杰出成果，未记其他。
西汉末年，朝廷昏庸无道，外戚当政，尤其是西汉第九位皇帝汉成帝刘骜，在位26年，不理朝政，“赵氏乱内，外家擅朝”，便留下了后来王莽篡汉的祸根，他整天自甘堕落，迷恋酒色，荒淫无道，最后竟与赵飞燕姐妹俩乱性过度而死。为了讨好赵飞燕的妹妹赵昭仪，朝廷不惜动用大量财力，组织大批能工巧匠为其奢侈生活设计制作游乐工具。其中人称“长安巧工”的丁缓，可能就是其中的一员。
据《西京杂记》记载，丁缓曾经主持建造过建筑史上著名的昭阳殿。赵飞燕姐妹俩都是当时的绝色美女，善于使媚弄权，最终让汉成帝废掉皇后，由姐妹俩共同侍奉汉成帝。昭阳殿是汉成帝为皇后赵飞燕的妹妹特别建造的寝宫，殿的东西两侧分别有东阁、西阁，通过长廊与昭阳殿连接。东阁内有含光殿，西阁内有凉风殿。廊阁之间流水潺潺，香草萋萋，是另一片天地。昭阳殿后面则是大批嫔妃们居住的后宫。后宫通过永巷（长巷）与昭阳殿连通，分为左、右两院。昭阳殿设计精巧，堪称建筑经典。
丁缓还为皇宫制作过一种铜灯，灯上雕饰有七龙五凤，并衬以芙蓉、莲藕等奇异花纹，华丽美观，名谓“常满灯”。《西京杂记》称：“为常满灯，七龙五凤，难以芙蓉莲藕之奇。”由此我们可以猜想到这种所谓的“常满灯”应该是一种可以自动加油的灯具，随着灯具不断地燃油，不断地得到补充，永不熄灭。这种灯具免去了不断添油的麻烦，可以推断它应当有一套自动加油的机械机构。
丁缓还制作过“九层博山香炉”。《西京杂记》称：“又作九层博山香炉，镂为奇禽怪兽，穷诸灵异，皆自然运动。”可以推断这种香炉外形复杂奇特，装饰极为华美，雕刻着奇禽怪兽，每一层都能自主转动，可见其运动也很灵活，是一种很巧妙的发明。
另外，丁缓还设计制作过一种扇车，称“七轮扇”，由7个轮子相互衔接，而且轮子巨大，直径超过一丈。《西京杂记》载：“作七轮扇，七轮大皆径尺，递相连续，一人运之，满堂寒颤。”就是说只要一个人转动七轮扇，扇出的风可以使满屋子的人都吹得发抖打冷颤，足见其效果之好，效率之高，应当是皇宫中的一种很好的纳凉风扇。其实“扇车”是我国古代以带有扇片转轮回转来产生定向吹风的装置，可以用来在炎夏酷暑吹风纳凉，也可以用来扇去经碾打的谷粒中的糠秕杂物。
除上述这些精巧制作外，丁缓最著名的发明设计就数从工匠房风那里改进的“被中香炉”，我们将在下文中详细介绍。
从上述记载，我们可以断定丁缓动脑及动手能力都很强，他的设计发明水准都相当高，也极有价值，都属机械方面，而且完全可以说丁缓不愧为古代一位杰出的机械专家。他的不少发明中应用了活环和平衡架的基本原理，如“被中香炉”、“常满灯”、“博山香炉”等，这就让我们推断，丁缓在平衡架和活环方面的研究应用已经很广泛、很深入。只可惜对这些发明的记载都很简略，也没有用图形来展示，因此后人就难知其详了。
二、“被中香炉”构思巧
“被中香炉”又称“卧褥香炉”，一般作为室内薰被之用。在炉中放进香料，点燃后放在被褥中，顿时香气四溢。这种小香炉像个多孔的小球，点上香后放在被窝里，既实用，又雅致，不论小球怎样滚动，炉灰都不会漏出来。这是什么原因呢？因为香炉上安装了一种机轮，小球转动，但炉内放香的炉缸总是保持水平位置。原理就在于多孔小球里联结着两个套起来的金属圈，点香用的炉缸就挂在内圈上。这种香炉的最初制作，据说出自一个名叫“房风”的工匠之手，后来方法失传了。
有一点需要指出，屡见有人称丁缓首创“被中香炉”，这种说法似有不妥。在《西京杂记》的记载中说丁缓所制“被中香炉”“本出房风，其法后绝，至缓始更为之”。从中可知“被中香炉”的首创者应该是房风，丁缓是“被中香炉”最早期的研制者。但他是根据什么来“更为之”呢？是实物，还是记载？或传闻呢？原文未讲。但不管根据什么，这项工作都很不容易，明显具有独立研制的性质。丁缓研制的时间又很早，为后世留下了关于“被中香炉”的最早记载，意义重大，功不可没。丁缓以自己的智慧再次创造了这一制作，并在西汉以后历代都有所传承。至于房风是何许人？也就更难以知晓了。
丁缓研制的“被中香炉”在当时的用途主要有两个：一是熏衣物；二是取暖。古籍上关于熏衣物的记述更早些，如《周礼》记载：“翦氏掌除蠹物，以攻禜攻之，以莽草熏之，凡庶蛊之事。”“庶氏掌除毒蛊，以攻说禬之，以嘉草攻之，凡殴（驱）蛊则令之比之。”这里所说的“攻禜”、“攻说”，真实地记录了古人熏烟灭虫时的情景。所使用的“莽草”、“嘉草”都是古代杀虫、消毒用的熏蒸药物，因之，古代常把带香气的草称为“熏草”。香气的作用是解秽，所以燃香也就是为空气消毒。
丁缓研制的“被中香炉”的构思设计非常巧妙，其内放设机环，运转十分灵活。方法是把香炉放置在一个镂空球内，用两个机架将其架起，利用相互垂直的转轴及香炉本身的重量，任凭如何翻动，内部的炉体都能始终保持平稳，而炉中所装香料也不会倾翻。据《西京杂记》记载：“长安巧工丁缓者，……又作卧褥香炉，一名被中香炉，本出房风，其法后绝，至缓始更为之。为机环转运四周，而炉体常平，可置之被褥，故以为名。”这段记载既讲了其研制者是丁缓，又简要讲了“被中香炉”的结构。
“被中香炉”因其用材讲究，结构复杂，制作工艺精良，所以数量并不多，流传也就不广，出土的实物数量有限。直至唐代，才又见有古籍文献提及它，也看到一些唐代的实物。现在能见的这类香炉，也主要是近些年在西安地区出土的唐代文物。其中有一种珍品叫“镂空银熏球”，在唐代也叫“香球”、“香囊”。对此，唐代诗人元稹在《香球》一诗中写道：“顺俗惟团转，居中莫动摇。爱君心不侧，犹讶火常烧。”从诗人语意双关之中，不难看出诗句对香球中常平装置之奇妙作用的赞叹。著名的唐代词人温庭筠在其词作《更漏子》中吟道：“垂翠模，结同心，待郎熏绣。”中唐词人牛峤的《浣溪沙》中曰：“枕障熏炉隔绣帏。”他在《菩萨蛮》中又云：“熏炉蒙翠被，绣帐鸳鸯睡。”唐朝花间派词人韦庄的《天仙子》中也说：“绣香冷懒重熏。”
唐代的有关实物发现有两种。较为重要的一种现存日本奈良正仓院，这种“被中香炉”个头儿较大，材料为铜质，外壳精致，内有三层活环，最里层活环内下部放置灰盂，灰盂重心在下，在重力作用下，灰盂不会翻倾。另一种实物是1963年于西安东南郊沙坡村出土，资料较详：这种实物很小，外径约5厘米，材料为银质，内有两层活环。外壳呈球形，壳上镂空，有花鸟等图案。外壳中部有用于开合的子母扣，操作方便，连接牢靠。外壳上方有一挂钩及链条，可以悬掛，正因如此，这种香炉恐不适于放置被中。其内有两层活环，中间置灰盂，灰盂的位置不超过外壳的中部。到元代，陈樵在《鹿皮子集》卷一《卧褥香炉赋》中关于被中香炉的外形有较为详细的叙述。明代田艺蘅在《留青日札》卷二十二中说：“今镀金香毬，如浑天仪然，其中三层关，轻重适均，圆转不已，置之被中，而火不复无，其外花卉玲珑，而篆烟四出。”从记载看，这种会四处冒烟的“被中香炉”应有三层活环，但现存明代实物并非如此。
据推测，“被中香炉”使用两层或三层活环，也可能为了使灰盂与外壳之间保持距离，使外壳具有更适宜的温度，以保证“被中香炉”不会灼伤皮肤，使表面温度更适于在被中使用。
现存中国国家博物馆中的明代“被中香炉”实物为铜质，外壳高12.8厘米，壳上镂有花纹，中间也有子母扣，可以自由开合。内中只有两层活环，活环内下部也有灰盂。从它的花纹及制作上看，这件“被中香炉”应是明代的作品。清康熙时的珐瑯熏香炉内为大小不同的三个铜圈，同心相套，以不同方向的轴连接，最小圈内置一铜炉，不论球如何转动，炉心均保持水平，其设计更为精巧。
1964年，人们又从山东收集到一件清乾隆年间的“被中香炉”实物，其为铜质，较以往的实物都大，直径达17.5公分。外壳精致美观，制作非常精良，开合亦方便。内有3层活环，活环当中的灰盂与以往的不同，灰盂上有一个盖，构造同样十分巧妙。
除上述实物外，还有一些实物流散国外，未见详细的资料。
三、神奇之举昭后人
丁缓制作的“被中香炉”，其奇巧之处就在于常平装置。这套保持炉体水平的装置就是现在机械学科上所谓的“常平架”，其原理近似于现代陀螺仪中的万向支架。由于有了“常平架”，无论多孔小球外壳的空间位置如何变动，下悬的半球炉体在重力作用下，能通过内圆环的相对转动，保持炉体上口呈水平状态。而“常平架”上最关键的构件是两根正交连接的转轴，这类构件现在称之为“万向悬架”或“万向接头”。在2000多年前中国工匠就有了这种创造发明，确实是一种智慧巧思、神奇之举。
把一个物体固定在基座上，无论基座怎样旋转，要求物体的方向不会变动，这就是“被中香炉”本质的功能。这种机构随着科学技术的发展有了很多重要的应用，现代的飞机、导弹和轮船不论怎样急速在空中或者海上运动，都可以辨认方向，这是由于安装了陀螺仪的缘故。陀螺仪在现代的宇航、航空、航海业中扮演着非常重要的角色。随着机器人和自动控制等科学技术领域发展，将来还会有更多的用途。陀螺仪由“陀螺”和“万向支架”两部分合成，其中“万向支架”就包含着中国古代的杰出创造，说起“万向支架”就不得不说“被中香炉”。
一般的科技发展史认为，常平架装置是欧洲人在十五六世纪才发明的。在欧洲，直到公元1500年，常平架装置才由意大利科学家达·芬奇（1452—1519）提出类似设计，比我国晚了1600多年。意大利学者吉罗拉莫·卡丹（Girolamo Cardano，1501—1576）最早给出了常平支架的设计，所以西方人把常平支架叫做“卡丹吊环”，或者称为“卡丹环”，但是卡丹本人并没有宣称自己发明了它。记载万向支架应用最早的是1629年在罗马以拉丁文出版的一本名为《机械》的著作，作者布兰卡（Branca Giovanni）是一位卓越的意大利工程师。在这本书里，他提出利用常平支架来减轻车辆在颠簸不平的道路上的震动，以便运送病人。特别有意思的是，宋代的沈括在《梦溪笔谈》卷十九中记述了唐高宗时制造的一种旅行用车，称为“大驾玉辂”。这种车经久耐用，到沈括时代还基本完好。沈括记载说，这辆“大驾玉辂，唐高宗时造，至今进御。自唐至今，凡三至泰山登封。其他巡幸，莫记其数。至今完壮，乘之安若山岳，以措杯水其上而不摇”。李约瑟在叙述这种车时，不仅将它与“卡丹吊环”相比较，而且认为沈括所记述的这种车可能就是1629年布兰卡所设计的一种具有卡丹装置的旅行车。当人躺在这种旅行车上时，不会因道路崎岖不平而感到颠簸。这种能使车上的水面不会晃动的车到底是什么样的装置？是否在车驾上装有常平装置，并把车座放在该支架的内环轴上？因为沈括的记载过于简略，不好妄加推测。真正把“万向支架”应用在现代科学研究上，并且做出重要发现的是法国物理学家傅科（Jean Bertrand Léon Foucault，1819—1868）。他在1851年提出利用高速旋转的陀螺来显示地球的自转。高速旋转的陀螺有保持旋转轴不变的性质。如果把陀螺放置在“万向支架”上，支座在地球上，地球旋转，而陀螺的轴不旋转。经过不多的时间，陀螺相对于支架的变动就明显地说明了地球的自转。傅科利用他前一年发明的傅科摆和这种陀螺仪，雄辩地证明了地球自转的事实。傅科又称它为“转动指示器”，从此“万向支架”又有了一个新的名字——陀螺支架。
15世纪时，荷兰人可能在航海中已经使用常平架作为罗盘指针的支架。可以确定16世纪欧洲航海罗盘已经出现一种被称为“万向支架”的常平架。这种支架由两个铜圈组成，两圈的直径略有差别，使小圈正好内切于大圈，并且用枢轴把它们连结起来，然后再由枢轴把它们安装在一个固定的支架上，旱罗盘就挂在内圈上，这样船体不论怎样因为大风大浪、潮起潮落，引起颠簸摆动，旱罗盘总能始终保持水平状态。这与我国唐代“镂空银熏球”所使用的常平架装置是一致的，而“镂空银熏球”的形制及功用与丁缓制作的“被中香炉”是相同的。在世界科学史上，常平架装置的发明至少可以追溯到我国西汉时期，从而使这一发明的时间就大大地提前了。近年来，陀螺仪的应用越来越广，除了用于航海、航空、航天、潜水艇与火箭导航外，还大量应用于坦克与火炮的稳定、攻击鱼雷与导弹的定向、车辆特别是单轨车辆的稳定、工作平台与测量仪器的稳定等等方面，也用于摄像平台的稳定，以保证拍摄影像的质量。
“被中香炉”这一2000多年以前中国人的发明在今天被派上了许多用场，随着机器人和自动控制等科学和技术领域的研究与发展，将来还会有更多的用途。不过，想到这段漫长的岁月，我们虽然发明得很早，却没有想到将陀螺放在常平支架上，从而完成近代力学中极为重要的陀螺仪，而是从汉代一直到清代用于熏被褥。中国古人分别发明了“陀螺”和“常平支架”，是陀螺仪的始祖。西方人虽然直到16世纪才发明，比我们落后了1600年，但后来的许多应用却是他们首先开发出来的。
中国的能工巧匠往往仅差一步即可从经验跃上理论的高阶，但为什么在封建时代很多创造发明不能实现这一跨越呢？在重振我们民族创造力的当今，这一点是非常值得深思的。
第二节 杜诗：南阳“父母官”发明鼓风装置“水排”
杜诗是东汉时期才能出众、办事干练果断的一位清官，也是著名的技术发明家，他的最大成就是创制了水力鼓风装置——水排，为人类冶炼史揭开了新的篇章，代表中华民族为人类文明做出了一项重要的贡献。
一、南阳百姓的“父母官”
不像一般的民间工匠那样在史书资料中几乎找不到任何记载，杜诗作为汉代高官，在正史中有详细记载，与《史记》、《汉书》、《三国志》合称“前四史”的《后汉书》卷三一专门收有《杜诗传》。
杜诗（？—38），字君公，河内汲县（今河南省卫辉市）人，青年时期才能出众，在河内郡（今河南武陟西南）任吏员时，人们赞扬他处事公平而闻名乡里。汉更始帝刘玄当政时（公元23年2月—25年9月），被征辟为大司马府官员。汉光武帝建武元年（公元25年），杜诗在一年中升迁3次，被任命为侍御史，驻都城洛阳（今河南省洛阳市）负责维护安定。当时，洛阳有一个名叫“萧广”的将军，放纵手下士兵在民间为非作歹，在城里横行霸道，使百姓诚惶诚恐，不得安宁。杜诗多次晓谕萧广，并提出警告，要求其约束部下，但他仍然置若罔闻，对部下的胡作非为不管不问。杜诗下令依法果断地诛杀了萧广，并将经过情形奏报光武帝。光武帝认为他办事干练决断，备加赏识，亲自召见他，并赐给棨戟，然后派他到黄河东部招降和诛杀反叛的贼人杨异等。杜诗抵达大阳，听说贼人企图北渡，于是与长史迅速焚毁船只，调集部署郡中士兵，派骑兵突袭贼兵，杀死杨异等人，贼兵被消灭。后来，他在担任成皋令和沛郡都尉、汝南郡都尉期间，“举政尤异”，又以政绩突出获得史家好评。
秦汉时期，长江流域的灌溉以汉水支流唐白河地区的发展最为显著，而唐白河的灌溉又以今河南省的南阳、邓县、唐河、新野一带较为发达。唐白河地区为浸蚀、冲积平原，年降雨量约900毫米，气候温和，适合多种农作物的生长。这里开发较早，到西汉中期，经济已相当发达，特别是农田水利在西汉后期有了突飞猛进的发展。汉元帝时（公元前48—前33年），南阳太守召信臣对此地的水利和农业生产有特殊贡献，因而受到当地百姓的拥戴，被誉为“召父”。东汉时期，南阳水利事业进一步兴盛。公元31年（汉建武七年），杜诗升任南阳太守。杜诗在兴修水利方面做出了很大成绩，促进了当地农业生产的发展。史籍载，杜诗“修治陂池，广拓土田，郡内比室殷足”。
杜诗生活节俭，施政清正平和，依法严厉惩治了一些作恶多端的豪强，同时爱惜民力，减少劳役。他还设计制作“水排”，利用水的力量带动鼓风机，进行冶铁，铸造农具，使用的力量少，收效多，百姓们很便利。此外，他还主持修建池塘，广泛开垦土地，郡中家家户户丰足富实。当时人们把他比作清官召信臣，所以南阳人赞颂他说：“先前有召父，后来有杜母。”“父母官”之称也由此流传。
二、创制鼓风装置“水排”
“水排”是我国古代以水力为机械动力的一种鼓风装置，是古代冶炼金属时必不可少的鼓风工具。大家都知道金属冶炼和陶瓷烧制都需要高温，而高温必须依靠鼓风装置才能获得。鼓风技术正是应此需要而发展的，它对于古代生铁冶铸的发展有着极重要的意义。《礼记》说：“良冶之子，必学为裘。”从商周以来，都用皮囊鼓风，子继父业，年轻工匠必须学会缝制皮囊的技艺。这也说明早期冶铸匠师高度重视鼓风器具的制作，因此先进的冶炼技术总是与先进的鼓风机械密不可分的。
我国是世界上使用铁器最早的国家之一。据文献记载，我国最迟在春秋时期已经发明了生铁冶炼技术；到战国时期，用生铁铸造农具已经成为普遍现象；到西汉时期，冶铸业更获得了进一步发展。当时人们已经懂得使用煤作为冶炼燃料，生铁冶炼遍及全国，包括边远地区，冶铸规模也更加扩大。冶铸业的发展与鼓风技术的改进有着密切的关系。为了提高炉温，缩短冶炼时间，我国很早就采用了向炉里鼓风的方法，并且发明了鼓风工具。最早的鼓风设备叫“橐”（tuó），又称“橐籥”（yuè）。“橐”是用皮革制成的一种皮囊，可用来鼓风；“衡”原为吹口管乐器，这里借喻为输风管。在公元前5世纪的春秋末期，“橐”这种鼓风设备就已经出现。前文提到雌雄剑的传说，是说春秋末期，吴国有个叫“干将”的人，在铸造“干将”、“莫邪”两把宝剑时，“鼓橐装炭”的就有童男童女300人。到了西汉时，我国的冶铁技术已经相当成熟，所使用的冶铁炉很高很大，要用多个“橐”并排在一起，通过几个进风管向炉里鼓风。这种鼓风装置，当时称之为“排橐”，简称“排”。“排橐”的使用大大地提高了炉温，是冶炼技术的一大进步。用人力操作的叫“人排”，在使用中很费人力，后来有人改用马力来操作，叫“马排”。熔化一次矿石需要上百匹马来拉动鼓风机，人力、畜力耗费仍很大，对进一步发展冶铸业是一个很大的制约。
为了适应生产的需要，时任南阳太守的杜诗召集当地的冶铁工匠，在总结、继承前人经验的基础上，设计制造出了新的动力机械——水排。“水排”应用水力机械轮轴带动鼓风囊，使皮囊不断伸缩，给冶金高炉加氧。这种装置用力少，见功多，是我国冶金史上的一大改革。三国时期的钏暨曾加以改进推广，使其效果提高了3倍。根据东汉初年的技术条件看，杜诗所创制的“水排”不仅是立轮式的，也可能是卧轮式的。这种创制是我国机械制造史上具有重大意义的发明设计，它利用了自然力为原动力。在构造上，具有动力机构、传动机构和工作机构3个主要部分，实际上是一种自动机的雏形，使人们从笨重的体力劳动中解放出来，因此是人类利用自然力的一次伟大胜利。
杜诗创制的“水排”从东汉至北宋一直得到广泛的使用，但具体的结构未见记载，直到元朝王祯在《农书》（公元1313年）中才对“水排”进行了详细介绍，他认为“水排”有立轮式和卧轮式两种样式。“立轮式水排”是把一个大木轮竖立安装在水流湍急的河水旁，用水流作动力推动木轮转动，木轮中心轴的拐木随之转动，驱动连在风筒上的偃木前后运动，促使风筒一张一合，把风鼓入炉内。王祯认为杜诗发明的“水排”结构是卧轮式。“卧轮式水排”是在湍急的河岸边搭起木架，在木架上直立一个主转轴，上、下两端各安装一个卧轮，称为“上卧轮”和“下卧轮”。下卧轮（水轮）是主动轮，其轮轴四周装有叶板，放入湍急的河水中，承受水流，把水力转化为机械动力。上卧轮是从动轮，也随之转动。从动轮的转动通过旋鼓、连杆、曲柄等装置转变为拉杆的直线运动，具体运作是这样的：在上卧轮的前面装一个鼓形的小轮（旋鼓），与上卧轮用“弦索”相连（相当于现在的传送皮带）；在鼓形小轮的顶端安装一个曲柄，曲柄上再安装一个可以摆动的连杆，连杆的另一端与卧轴上的一个“攀耳”相连，卧轴上的另一个攀耳和盘扇间安装一根“直木”（相当于往复杆）。这样，当水流冲击下卧轮时就带动上卧轮旋转。由于上卧轮和鼓形小轮之间有“弦索”相连，因此上卧轮旋转一周，可使鼓形小轮旋转几周，鼓形小轮的旋转又带动顶端的曲柄旋转，使得与它相连的连杆运动起来，连杆连在风筒上，又通过“攀耳”和卧轴带动直木一前一后直线往返运动，风筒便一张一合地将风鼓入炉内。
相比之下，“卧轮式水排”要先进一些，它根据河水流量和落差规律安装设备，水量大或小都可以使用；“卧轮式水排”有两个木轮，主动轮轴直径大，从动轮轴直径小，水推动主动轮一周，上面的从动轮转几周，保证了机械装置的快速连续运动，确保鼓风连续，无间歇，这样既可以提高工作效率，又可以提高冶炼质量。《三国志·魏志·韩暨传》写道：“旧时冶作马排，每一熟石，用马百匹。更作人排，又费功力。暨乃以长流为水排，计其利益，三倍于前。”它在当时是世界上最先进的冶炼鼓风装置。在欧洲，水力鼓风装置到了11—12世纪才出现，14世纪才普遍使用，杜诗的发明在中国古代冶炼工艺发展史上具有里程碑的意义，比欧洲同等技术要早1100多年。
其实关于水力的利用，我国古代劳动人民拥有许多成效卓著的发明创造。如利用水的浮力，作船舶运输；利用水的浮力，把沉入水下的几万斤重的铁牛打捞上来；利用一定水位和水压控制，创造计时器“铜壶滴漏”，等等。“水排”的出现是利用水力的又一发明。它不仅在冶炼技术上由于加强了鼓风能力，为进一步改进冶炼创造了条件，而且对后来的机械设计制造产生了深远影响。如东汉著名科学家张衡创制了用水力转动的天文仪器——水运浑象（水运浑天仪）；三国时杰出工匠马钧创制了水利“翻车”（龙骨水车）和“水转百戏”；晋代杜预创制了“连机碓”和“水转连磨”，等等。这些水力机械的发明制造与杜诗的“水排”创制是有着密切联系的。
三、身后穷得无地下葬
公元31—38年，杜诗在南阳郡任职7年，政绩显著，政令教化大大推行。对此，南朝刘宋时期的历史学家范晔编撰的《后汉书·杜诗传》称赞其“政治清平，以诛暴立威，善于计略，省爱民役”，“政化大行”。
杜诗虽然在外地任官，仍然尽心于朝廷大事，有忠正的言论和好的建议都随时进献上奏。《后汉书》记述说，杜诗自认为没有功劳，不应长期任大郡长官，请求降职，而且多次上书请求，以避让职位给功臣。但是光武帝爱惜他的才能，所以一直没有同意他的辞职请求。
杜诗喜好推举贤才，多次举荐知名人士清河人刘统以及鲁阳长董崇等人。同时他还建议严控兵权，实行兵符制度。当初法令制度还很简单，只是以皇帝的玺书调兵，没有虎符作凭信，杜诗上疏说：“臣下听说军队是国家的凶器，圣人对此极慎重。依照旧制度，发兵都以虎符作凭信，其余的征调仅用竹制的令牌。符信会合无误，作为信用，为的是证明国家的命令，以表示重视，加强威信。先前发兵只是用玺书，如果有奸邪的人欺瞒作假，也无法知道。我认为军事行动仍在进行，贼人尚未消灭，从各郡国征调军队应该慎重，可以设置虎符，以杜绝奸人作恶之源。先前魏国的公子无忌，威德远播邻国，仍需借助兵符，才能解救对赵国的包围，如果如姬没有杀父之仇，公子无忌也不能成功。事情应该复杂，便不可减省，繁费出于不得已，说的就是这个道理。”这个建议对东汉加强中央集权、正确用兵具有重要意义。
公元38年（东汉建武十四年），杜诗因为派宾客为弟弟报仇，被朝廷征召问罪，恰巧因病情加重而去世。由于杜诗在为官方面清正廉洁，不贪不占，所以在他死去的时候没有留下任何属于他个人的田地和房屋，贫困得连丧事都无法办理。绿林军重要将领、为人耿直的司隶校尉（汉至魏晋监察官职）鲍永上奏皇帝，说杜诗家中贫困，没有田宅，死后无处下葬。皇帝念其一生清廉，决定不追究其最后的失误，下诏命令在南阳郡的官邸中为他举办丧事，并由国家拨出1000匹绢供办丧事之用。
南阳人民为了纪念他，为他和召信臣在豫山、宛成、斋陂等地修建了祠庙，以纪念二人治郡治水的功绩。目前，在始建于1271年、象征南阳历史文化名城的南阳府衙的照壁前左、右两侧，仍然有召父、杜母坊遗址，据称也是为纪念两汉时治南阳政绩卓著的两位贤良太守召信臣、杜诗而建的。
第三节 蔡伦：东汉善变太监改造民间造纸术
造纸技术是中国古代一项伟大的发明，是中华民族对世界文明所做的杰出贡献，在人类文明史上闪耀着永不磨灭的光辉。
关于我国造纸术的起源，历代文献没有具体的记载。过去人们沿用历史学家范晔在《后汉书·蔡伦传》中的说法，认为是东汉时的太监蔡伦于公元105年发明的。现在出土的古纸实物和一些文献记载互为印证，充分说明在蔡伦造纸之前，我国劳动人民就已经发明了造纸术。如1933年在新疆罗布泊附近西汉的烽燧遗址中出土了一大张质地粗糙的麻纸，比蔡伦造的纸早250年左右；1957年在西安市东郊的灞桥出土了西汉初期的古纸；1973年在甘肃居延汉代肩水金关遗址中发掘出两片不晚于西汉的“金关纸”；1978年在陕西扶风县中颜工地一处汉代窖藏内发现的“中颜纸”也不晚于西汉宣帝时期。经专家考查，商代的甲骨文、西周的金文及战国的大篆都未发现“纸”字。而东汉文字学家许慎的《说文解字》收载的是秦代通行的小篆，由此可以推断小篆“纸”字不是许慎创造的，也不是东汉才有的。“纸”字是一个新创的字，大致产生于秦代以前，是丝絮纸的起源时期。而在西汉武帝时期，我国就有了植物纤维如大麻和苎麻制成的古纸，只是比较粗糙，不便书写罢了。
蔡伦虽然不是纸的发明者，但他是最先对民间造纸工艺进行重大改造的革新人物。在造纸发展史上，他做出了具有里程碑式的杰出贡献。
一、善变太监侍奉四皇两后
蔡伦约生于东汉永平四年（公元61年），卒于东汉建光元年（公元121年），字敬仲，桂阳郡人。桂阳郡地处今湘江支流耒水流域，是湖南省的谷米之乡。《东观汉记》和《后汉书》均记载他为“桂阳人”，但其籍贯长期存在争议，目前主要有两种说法，一说为桂阳郡治所在地，今湖南桂阳县人；另一说为桂阳郡耒阳县，今湖南耒阳市人。
蔡伦出生于一个普通的农民家庭，从小跟随长辈种田，没有读过书，但他勤于思考，聪明伶俐，又热心助人，很会讨人喜欢。汉章帝刘旭（56—58）即位后，常到各郡县挑选幼童入宫。永平十八年（公元75年），蔡伦被选入洛阳宫内，接受阉礼，成为太监，当时他大约15岁。入宫后，按照宫中要求，他开始读书习字，并因勤奋好学，成绩优异。他逐渐见多识广，办事专心尽力，为人机灵，善于逢迎，屡次被提任职务，建初元年（公元76年）升任小黄门（宦官中职务较低者）。正宫窦太后无子，指使蔡伦诬陷章帝妃宋贵人“挟邪媚道”，通令她自杀。宋贵人所生太子刘庆被贬为清河王。窦太后又指使人投“飞书”（匿名信），诬陷章帝妃梁贵人，强夺其子刘肇为养子，并立为太子。章帝于公元88年卒，10岁的刘肇登基，为和帝，由窦太后听政。蔡伦因功被提拔为中常侍，随侍年幼皇帝左右，掌管宫内外公事传达及引导诸王朝见、安排就座等事，并参与国家机密大事，秩俸两千石，等同九卿，地位显赫。不过，在宫中，蔡伦为人敦厚谨慎，关心国家利益，曾“数犯严颜”，匡弼时政，中国历史上宦官干预朝政由此开始。
永元九年（公元97年），窦太后卒，和帝亲政。永元十四年（公元102年），和帝立邓绥为皇后，善于见风使舵的蔡伦立即投靠皇后。邓绥喜欢舞文弄墨，蔡伦为投其所好，甘心屈尊兼任“尚方令”，主管宫内御用器物和宫廷御用手工作坊。当时在皇宫设置的所谓“尚方”，是宫中管理各种器物的职位低下的机构，包括宫内设置的各种手工作坊。蔡伦兼任“尚方令”期间，在“尚方”中组织了一批能工巧匠，改进造纸术，制出优质纸张。公元105年，和帝卒，皇后所生百日婴儿即位，但是不到两年又卒。皇后再立13岁的皇侄刘祜（94—125）嗣位，为安帝。刘祜是清河王刘庆之子，但由于他即位初期仍由邓太后把持朝政，蔡伦继续受到重用。公元114年（元初元年），安帝封蔡伦为“龙亭侯”（封地在今陕西洋县龙亭铺镇），食邑300户，从此进入贵族行列。
元初五—六年（公元118—119年），蔡伦被提升为长乐太仆，相当于大千秋，成为邓太后的首席近侍官，受到满朝文武的阿谀奉承。正当蔡伦的权位处于顶峰之际，建光元年（公元121年），邓太后突然去世，安帝亲政。蔡伦因为当初受窦太后指使参与迫害安帝皇祖母宋贵人致死、剥夺皇父刘庆的皇位继承权而被审讯查办。蔡伦自知死罪难免，于是惶恐中独自沐浴净身，服毒自杀。
蔡伦一生在内廷为宦官，先后侍奉四个幼帝，投靠两个皇太后，步步高升，身居列侯，位尊九卿，却以自杀告终，为人确实不够光明磊落。但他在兼任尚方令时，推动了手工业技艺的发展，特别是改进了民间造纸术，因而留名后世，受到史学家肯定。
二、改进民间工艺 成就“蔡侯纸”
蔡伦是中国“四大发明”中造纸术的改进者，但是蔡伦的发明创新不止造纸。据《后汉书·蔡伦传》记载，蔡伦主管尚方期间，曾“监作秘划及诸器械，莫不精工坚密，为后世法”，“有蔡太仆之弩，及龙亭九年之剑，至今擅名天下”。近代考古发掘的实物也证明确实如此。“尚方令”本来是少府属官，主管刀剑等各种宫廷御用器具的制造，与中常侍的高位根本不相称，但蔡伦尽力讨好，凡是皇帝、皇后喜欢的器物，他都揽过来在尚方精制。由于职务的关系，蔡伦得以有观察、接触生产实践的便利条件。每有空闲，他就亲自到作坊进行技术调查，学习和总结工匠们多年积累的丰富经验，再加上他本人的聪颖好学和善于创新，对发展当时的金属冶炼、铸造、锻造及机械制造工艺起到了不小的推动作用。如当时的钢刀制造以炒铁为料，经多次锻打而百炼成钢。当时所制造的器物在质量、性能及外观上确实是精工制造，堪为后世仿效。
公元102年（永元十四年），蔡伦为逢迎邓绥皇后，以中常侍的身份屈尊兼任“尚方令”。邓绥皇后喜欢文史和纸墨，曾令各州郡岁贡纸墨，蔡伦也因此成为促进东汉造纸术发展的关键人物。他利用兼职之便，经常到乡间作坊察看，见蚕妇缫丝漂絮后，竹簟上尚留下一层短毛丝絮，揭下似缣帛，可以用来书写，从而得到启发。在此期间，他还四处收集树皮、废麻、破布、旧鱼网等原料，在总结西汉以来民间造纸经验的基础上，改进造纸工艺，在宫廷作坊施以锉、煮、浸、捣、抄等方法，终于造出植物纤维纸。公元105年（元兴元年），他将造纸过程、方法写成奏章，连同造出来的植物纤维纸，呈报汉和帝，和帝大加赞赏，蔡伦造纸术很快得到推广。后来，人们把他组织监制的纸称之为“蔡侯纸”，全国各地“莫不从用焉”。
说到“蔡侯纸”，民间还流传着一个小故事：有一天，邓皇后派人给蔡伦送来了一包鲜荔枝，荔枝是用薄薄的“絮纸”包着的，蔡伦捧着纸包的鲜荔枝，注视了很久，但他关注的不是荔枝，而是包荔枝的纸。之后，他派人想方设法找到进贡荔枝的人。进贡者是一位老人，蔡伦详细地询问了他用来包荔枝的“絮纸”的情况，老人把自己家中制作纸的方法叙述了一遍，并说自己的女儿也参与了制作。蔡伦又把老人的女儿接到宫中，让她当众制作这种纸。这种纸制作复杂，质量也不够好，但是却给蔡伦很大启发，他决心改进方法，制造出更好的纸供皇宫使用。
在陕西省洋县龙亭铺镇，也就是蔡伦封侯之地，也有很多关于其造纸过程的传说故事。其中一个故事说：蔡伦早年和手下一个叫“张纸”的宦官到白水槐沟河为张父祝寿，发现小孩子们用木杆挑着水面上的沤变物嬉闹，他看到那沤变物一离开水面，迅即变干，用手摩擦，质地柔韧轻薄，可用来书写文字。第二天回到宫中，他又用黑色颜料在每块沤变物上写了一个字，送给皇帝看，皇帝甚为高兴，就派蔡伦重返槐沟河，借居张纸家，到处拣麻、布、棉絮、树皮等，挖池沤制，经打浆、搅混、沉淀，反复试验，终于制造出了理想的书写材料。因为这个创造是在宦官张纸的家乡发现的，所以他就把这种书写物起名为“纸”，俗称“纸张”，至今这一带还有蔡伦当年造纸的遗址。
在洋县龙亭铺镇及周边地区还有一些具有传奇色彩的传说故事，如在洋县龙亭周边的洋州镇纸坊街李家村流传。由当地村民屈振江口述，段纪刚搜集整理的一个传奇故事说：相传蔡伦在今洋县城北傥河边的纸坊街造过纸。那时，蔡伦已经发明了用构树皮作原料的纸，他组织民间工匠在当时的龙亭大龙河、汉江、傥河等河流的沿线建有许多造纸作坊，并将这些作坊生产的纸督运到京都洛阳，供朝廷和皇室之用。有一次，蔡伦出傥骆道来到纸坊街造纸基地，看到一位老者正在训斥一个年轻后生，好像是说年轻后生将旁边的烂鱼网弄到沤料池中去了，烂鱼网和沤料池中的构树皮裹缠在了一起，很难摘除。长者越说越生气，抡起烂鱼网就去抽打后生，后生一躲，烂鱼网缠在一旁的树杈上，取，取不下；揪，揪不断。蔡伦细看时，只见烂鱼网无论颜色，还是形状，都与经过沤泡的构树皮差不多。蔡伦想，鱼网是麻织的，麻和构树皮韧性都很强，为什么不能用它作造纸的原料呢？
蔡伦让作坊纸工们收集了一些烂鱼网，并给它们撒上石灰，放进大锅蒸煮。第二天，蔡伦来到作坊仔细察看，他发现蒸煮过的烂鱼网经过漂洗、切碎，然后放在石碓里舂捣，捣成浆糊状后，舀入捞纸池中抄捞，结果捞出的纸和树皮纸，居然是同样地细密、白净、光滑和轻薄，很适宜写字，蔡伦非常高兴。后来他又想，既然麻织的烂鱼网能作纸，那么破布（那时没有棉花，人们织布的原料都是麻）、破麻鞋、织布及搓绳子后的下脚料等东西不都可以作为原料吗？蔡伦立刻让人四处收集破布、麻头及其他麻制品的遗弃物进行实验，果然效果非常好。东汉时，老百姓家家都有种麻的习惯，麻的生产量很大，那时秦岭山地，汉水两岸，到处都有野麻生长，这为蔡伦造纸扩大原料来源提供了得天独厚的条件，于是他下令让大龙河、汉江等处的作坊都像纸坊街的作坊一样，广泛采集原料，不但抄造构皮纸，还大量生产物美价廉的“麻纸”。由于此地纸业繁盛，久而久之便形成了一条繁华的街道，成为纸业的集散地和居民交易的集镇，究根探底，洋州镇纸坊街的得名就缘于此。当地还有民谣可证：“傥水河，长又长，傥水河坝晒鱼网，晒得白，晒得干，送给蔡伦做纸张……”
民间流传的故事难免有传奇色彩和附会成分，但它告诉我们，蔡伦造纸是从民间工匠那里吸取智慧并改进发展的。蔡伦不仅总结了前人及民间的工艺技术和造纸经验，而且以皇宫权贵身份亲自参与工艺革新和技术改进，因此他不愧为历史上最先对民间造纸工艺技术做出重大改进的革新家。
三、促进文化传播功盖百世
蔡伦作为东汉时期的一个工匠头目，或者说就是一个直接参与改革创新的杰出工匠，不仅在剑、弩等器械设计上颇有建树，而且在改进造纸技术方面更是贡献突出。他不仅组织并推广了高级麻纸的生产和精工细作，促进了造纸术的发展，而且促进了皮纸生产在东汉创始并发展兴旺，特别是因受命于邓太后监典内廷所藏经传的校订和抄写工作，形成了历史上大规模用纸的高潮，使纸本书籍成为传播文化的最有力工具。具体来说，蔡伦的突出贡献主要表现在以下几个方面。
第一，他第一次采用了更多的新材料来造纸，解决了造纸材料来源不足的问题。蔡伦利用的材料有树皮、废弃的麻布和破旧的渔网等物，尤其将树皮作为造纸原料更是一大创造，可以说开创了近代木浆纸的先声。造纸原材料品种的扩大，使成本大大降低，为形成规模化生产提供了条件，使纸的利用普及推广成为可能。
第二，蔡伦使我国的造纸工艺逐渐完善成熟。其工艺流程是先将树皮、破麻布等切段撕碎，放入水中浸泡沤制，然后进行蒸煮，在石臼中反复舂捣，使纤维分离出来，制成纸浆，经过清水洗涤，去掉杂质，再用竹帘抄制成纸，晾干压平。蔡伦之后，汉代还其他工匠以改良纸质而著称于世，如左伯。左伯，字子邑，东汉末年山东东莱人。据说他造的纸“研妙辉光”，与“张芝笔”、“韦诞墨”齐名，说明左伯确实是一位造纸能手。
第三，蔡伦使造纸业成为独立的行业。过去，纸从属于纺织手工业的漂絮沤麻工序，而蔡伦使它从中独立出来，这是一大转折，从此纸的生产有了规模，得到迅速发展，后世奉他为造纸行业的祖师。蔡伦在历史上作为良纸的监制者和推广者，对造纸术的发展是功盖百世的，为人类文明的传播和社会进步的贡献是极其巨大的，因此人们永远怀念他的功绩，在他的家乡至今仍保留有纪念他的庙宇，他的墓地在陕西洋县龙亭铺，那里也有供奉他的神庙。
经过蔡伦工艺改革的中国造纸术对世界的影响是巨大而深远的，2000年来，中国的纸和造纸术传遍了世界各地。与埃及纸草、印度贝叶、欧洲的羊皮等世界各国早期书写材料相比，中国的纸是一种最先进的书写材料，具有重量轻、价格廉和便于书写等优点。纸和造纸术的外传，受到了各国人民的欢迎。公元3世纪，中国的纸最早传入朝鲜、日本。公元384年，中国东晋的一位和尚把造纸术传到朝鲜半岛，公元610年，由朝鲜把学到的造纸术传入日本。从魏晋南北朝开始，中国去印度取经的和尚把纸带到了印度，此后造纸术也随之传入。通过丝绸之路，中国的丝绸、茶叶、瓷器和纸张传入阿拉伯。8世纪前后，阿拉伯地区开始造纸。最先进入欧洲的纸张是从小亚细亚的大马色，经过伊斯坦布尔，传入巴尔干半岛，后来才传入意大利的威尼斯城。欧洲人一直误以为纸是大马色发明的，直到19世纪才弄明白纸的发明是中国。12世纪，纸和造纸术从北非埃及经摩洛哥，越过直布罗陀海峡，进入西班牙。1150年，西班牙建起了欧洲第一家造纸厂。
从公元前2世纪到公元18世纪，中国的造纸术一直居于世界领先水平。我国古代的造纸技术、设备、加工等为世界提供了一套完整的工艺体系，现代机器造纸工业的各个主要技术环节都能从中国古代造纸术中找到最初的发展形式。世界各国沿用我国传统方法造纸有千余年的历史，这是中华民族对人类社会发展的杰出贡献，其中也包含着蔡伦的丰功伟绩。蔡伦造纸术成为中国古代“四大发明”之一，是中华民族对世界文明做出的一项十分宝贵的贡献，极大地促进了世界科学文化的传播与交流，深刻地影响着世界历史的进程。美国人麦克·哈特在《影响人类历史进程的100名人排行榜》中将蔡伦排在第七位，远远排在我们熟知的哥伦布、爱因斯坦、达尔文之前，远远排在15世纪发明印刷机的德国人古腾堡之前。2007年，美国《时代周刊》评选和公布人类“有史以来最佳发明家”，蔡伦又榜上有名。2008年，北京奥运会开幕式上还特别展示了蔡伦发明的造纸术。
第四节 张衡：东汉“南阳通人”创制三大仪器
张衡是大家熟悉的东汉科学家，他对中国古代的天文学、地震学和机械力学做出了重要贡献。同时又是多才多艺的仪器制造名匠，不仅创制过浑天仪、地动仪和候风仪等三大仪器，而且据传说他还制造过指南车、记里鼓车等。尽管有关他的争议不少，特别是近年对地动仪的质疑声不断，但因其机械制造水平确实了不起，而被后世尊称为“木圣”。
一、“南阳通人”多才多艺
张衡，字平子，公元78年（汉章帝建初三年）生于南阳郡西鄂县石桥镇（今河南省南阳市城北50里石桥镇）一个破落的官僚望族家庭。祖父张堪自小志高力行，被人称为“圣童”，后把家传余财数百万让给他的侄子。光武帝登基后，张堪受荐拜官，被任命为蜀郡太守，并随大司马吴汉讨伐割据蜀郡的公孙述，立有大功。其后又领兵抗击匈奴有功，拜为渔阳（今北京附近）太守。他曾以数千骑兵击破匈奴来犯的一万骑兵，此后在他的任期内，匈奴再也没有敢来侵扰。他又教百姓耕种，开稻田8000顷，当地百姓由此致富。有民谣歌颂他说：“张君为政，乐不可支。”张堪为官清廉，伐蜀时他是首先带兵攻入成都的，但他对公孙述留下的堆积如山的珍宝毫无所取。蜀郡号称“天府”，但张堪在奉调离蜀郡太守任时乘的是一辆破车，携带的只有一卷布被囊。张衡的父亲去世很早，祖父一去世，家道变故，张衡一家立即陷入困顿之中，有时不得不靠亲友的接济。当然，也正是这种贫困的生活，才使少年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，从而给他后来的创业带来了积极的影响。
张衡失去靠祖荫入仕的条件，从小便刻苦读书。当时社会游学风盛，他从16岁开始离乡游学，游览名都大邑，拜谒名师，交结挚友。他曾到汉朝故都长安一带游览名胜古迹，考察周围的山川形势、物产风俗、世态人情。18岁时，他又到了人才汇集的京城洛阳，并在当时的最高学府——太学，研读、切磋四五个年头，达到了“通五经，贯六艺”的水平。在太学，他结识了一位青年学者崔瑗，并结为挚友。崔瑗是当时的经学家、天文学家贾逵的学生，精通天文、历法、数学等学问。在这里，张衡树立了自己的志向：“患德之不崇”、“耻智之不博”。由于他才智过人，又潜心钻研，终成一位学识渊博、多才多艺之人。
张衡自幼对文学有特殊的爱好和研究，他的文学作品很多，风格也各不相同，有的形式短小，重在抒情，如《归田赋》；有的气势磅礴，广写景物。汉和帝永元十二年（公元100年），23岁的张衡应邀回乡出任南阳太守鲍德的主簿，掌管文书工作。在办理政务之余，他潜心于文学创作。当时洛阳和长安都是很繁华的城市，城里的王公贵族过着骄奢淫逸的生活，张衡对这些都看不惯。汉安帝永初元年（公元107年），他以游学长安和洛阳的见闻作为素材，撰写了著名的《东京赋》（东京即洛阳）和《西京赋》（西京即长安），总称为“二京赋”，讽刺这种奢靡的生活现象，广为流传。据说他为了写好这两篇作品，经过深思熟虑，精心雕琢，反复修改，前后一共花了10年时间，可见他的治学精神是很认真严谨的。后来，鲍德调任他处，张衡辞职回家。掌握朝政的皇亲邓骘为了笼络士人，几次派人邀请张衡做他的幕僚，以增强自己这一派的势力，但张衡一方面厌恶外戚专权，另一方面想专心钻研学问，于是很坚决地拒绝了。
张衡在34岁的时候，研究兴趣逐渐转到哲学和自然科学方面。他很看重扬雄的哲学著作《太玄经》，《太玄经》的内容涉及天文、历法、数学等方面，引起了他很大的兴趣。《太玄经》里的一些朴素的唯物主义观点也给张衡以很大的启发，他与好友崔瑗各有一部《太玄注》同时传世。他还精研过无人问津的《墨经》，从中学到了一些我国早期的科学知识。据记载，张衡精通阴阳历算、天文学、地震学。梁代刘昭赞颂他“天文之妙，冠绝一代”；他发明的地动仪，“验之以事，合契若神”；他制造的各种机械器物也被当时赞为“神奇”。晋代葛洪称他和马钧是一代“木圣”。在数学方面，他当时写过一本《算罔论》，在1800多年前就计算出圆周率为3.162。张衡还研究过文字训诂，著有《周官训诂》一书，对史学下过很大功夫。据说他在绘画方面也颇有造诣，还被唐代张彦远视为东汉的六大画家之一。
当时的人们都认为张衡无所不知，无所不晓，所以送给他一个“南阳通人”的雅号。
汉安帝永初五年（公元111年），朝廷下诏要求各地举荐有才学的人赴京供职，张衡应征进京，先后任郎中、侍郎、太史令、公车司马令等低、中级官职，其中担任太史令的时间最长，前后达14年之久。
二、发展浑天说 改进“浑天仪”
公元115年（汉安帝元初二年），张衡升任太史令，负责掌管观测天象、编订历法、候望气象、调理钟律（计量和音律）等事务，这为他进一步研究天文历算和制造各类天文仪器提供了便利条件。
我国古代历朝历代都重视天文的观测和历法的制订。汉朝时，关于天体运动和宇宙结构的学说已经出现了3种：盖天说、浑天说和宣夜说。“盖天说”又称“天圆地方说”，认为天是圆的，像一把张开的伞，地是方的，像一个棋盘；“浑天说”认为天地的形状像一个鸡蛋，天与地的关系就像蛋壳包着蛋黄；“宣夜说”认为天没有一定的形质，日、月、五星（金、木、水、火、土五大行星）等都飘浮在气体中。张衡根据自己对天体运行规律的认识和实际观察，认真研究了3种学说，认为“浑天说”比较符合观测的实际。他继承和发展了前人的浑天理论，大胆地对天象提出了许多新的见解，创立了一套新的、在当时最完备的科学理论。这种理论集中反映在他的天文学名著《灵宪》、《浑天仪图注》之中。
张衡的浑天学说认为天是圆的，宇宙是无限的，这是他独创性的见解。尽管他不恰当地认为太阳是围绕地球不停地旋转的，但却找出了太阳运行的规律（实际上是地球围绕太阳旋转的规律），指出了赤道、黄道和北极的地位，因而讲出了夏季昼长夜短、冬季夜长昼短的原因。在我国天文史上，这称得上是一项辉煌的成就。他还对月蚀现象作了正确解释，对恒星的观测也比较精确。在1800多年前科技水平不高之时，张衡就有了这些发现和创见，在世界天文史上亦堪称杰出贡献。
随后，张衡在西汉耿寿昌发明的“浑天仪”的基础上，根据自己的“浑天说”，创制了一个比以前更精确和全面得多的“浑天仪”。在创制“浑天仪”时，张衡经过了设计、制模、试验和修改的艰苦过程，然后才用铜铸成正式仪器。这台仪器的主体是一个球形，表示天体，有一根铁轴横穿球心，叫做“天轴”，天轴与球体有两个交点，上为北极，下为南极。天轴与地平成36度夹角，仪器的球面上遍列二十八宿和日月星辰，并刻有赤道圈、黄道圈，而且赤、黄二道都刻有二十四节气。凡是张衡当时知道的重要天文现象，他都把它们刻在了“浑天仪”上。此外，球体外还有两个圆环，一个是地平圈，另一个是子午圈，天球一半露在地平圈之上，另一半隐在地平圈之下。这样，当时已经发现了的天文现象都在这台仪器上刻划着，让人一目了然。
为了使“浑天仪”能够按照时刻自行运转，张衡又利用水力推动齿轮的原理，用滴壶滴出来的水力推动齿轮，带动空心铜球绕轴旋转。铜球转动一周的速度和地球自转的速度相等。这样，人们坐在屋子里，便能从“浑天仪”上看到天体运行的情况了。张衡的这一创造发明震惊了当时的整个京都。每当夜色降临，人们纷纷前来观看，发现仪器上显示出的种种天象与实际天象是一样的，个个目瞪口呆。张衡创制的这台“浑天仪”实际上就是我国最早的天文钟雏形。
“浑天仪”创制后一直安置在当时朝廷的灵台上，成为令人赞叹的国宝。精通天文的著名学者蔡邕到东汉末年仍觉得“浑天仪”太精巧了，对人表示就是让他一辈子守候在那里观察天象，也心甘情愿。这台仪器一直保存到魏晋时代，西晋末年发生战乱，被转移到长安。公元418年，刘裕进攻长安，获得了这台已经残缺的仪器，此后就下落不明了。后来历代都铸造过“浑天仪”，并有所改进。现在，陈列在南京紫金山天文台的“浑天仪”是明代仿照元朝郭守敬的“浑天仪”制成的。
三、研制“地动仪”发明“候风仪”
在张衡所处的东汉时代，地震比较频繁。据《后汉书·五行志》记载，公元89—140年，东汉都城洛阳和陇西一带共发生过33次地震。其中自汉和帝永元四年（公元92年）到汉安帝延光四年（公元125年）的30多年间，共发生了26次大地震。地震区有时大到几十个郡，引起地裂山崩、江河泛滥、房屋倒塌，造成了巨大的损失。由于时代局限，当时的封建帝王和平民百姓都把地震看做是不吉利的征兆，有的人还趁机宣传迷信，欺骗愚弄民众。张衡对地震有不少亲身体验，他不信邪，并对记录下来的地震现象进行细致的考察和试验。特别是公元119年，洛阳和其他地区连续发生了两次大地震，促使张衡加紧对地震问题的研究。公元126年（汉顺帝永建元年），张衡从公车司马令任上又被调回，第二次任太史令。在此期间，他投入大量精力对地震进行深入研究，并在阳嘉元年（公元132年）创制了世界上第一台观测和记录地震的仪器——地动仪。
据《后汉书·张衡传》记载，这台地动仪是用青铜制造的，形状如同一个大酒樽，圆径有8尺。仪器的顶部有隆起的圆盖子，仪器的外表刻有篆文以及山、龟、鸟、兽等图形花纹。仪器的内部中央有一根铜质“都柱”，柱旁有8条通道，称为“八道”，还有巧妙的机、关。樽体外部周围分别镶着8条龙，每个龙头按照东、南、西、北、东北、东南、西北、西南8个方向排列，龙头与内部通道中的发动机关相连，每个龙头嘴里都衔有一个铜球，每个龙头的下方相应地定铸了一个开口的铜蛤蟆，对准龙口，个个昂头张嘴，准备随时接住铜球。当某个地方发生地震时，震波传来，樽体随之运动，触动机关，使发生地震方向的龙头张开嘴巴，吐出铜球，落到铜蛤蟆的嘴里，同时发出清脆的响声。
在通信不发达的古代，地震后，地动仪为人们及时知道发生地震和确定地震大体位置有一定的作用。据记载，在汉顺帝阳嘉三年十一月壬寅（公元134年12月13日），“地动仪”的一个龙机突然发动，吐出了铜球，掉进了相对应的那个蛤蟆嘴里。当时京师（洛阳）的人们却丝毫没有感觉到地震的迹象，于是有人开始议论纷纷，责怪地动仪不灵验。没过几天，陇西（今甘肃省天水地区）有驿使急报，证实那里前几天确实发生了大地震，所报时间和地动仪测得的时间很吻合。消息一传开，那些怀疑的人也不得不信服了。陇西距洛阳有1000多里，地动仪标示无误，说明它的测震灵敏度是比较高的。
关于“地动仪”的整体结构，目前流行有两个版本，一是考古学家王振铎制作的模型（1951年），即“都柱”是一个类似倒置酒瓶状的圆柱体，控制龙口的机关在“都柱”周围。目前，中国历史博物馆陈列的张衡“地动仪”模型就是根据王振铎的设计复原的。不过，这种模型近几年已被基本否定。中国科技大学李志超等曾对倒立摆结构提出过异议，并做了论证。另一种模型是由国家地震局研究员冯锐于2005年提出，即“都柱”是悬垂摆，摆下方有一个小球，球位于“米”字形滑道交会处（《后汉书·张衡传》中所说的“关”），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。另外，冯锐的模型还把蛤蟆由面向樽体改为背向樽体并充当仪器的脚。该模型经模拟测试，结果与历史记载相吻合。
至于地动仪的内部结构，也有不少学者对此作过探讨。早在南北朝时，北齐信都芳撰《器准》，隋初临孝恭作《地动铜仪经》，都对之有所记述，并记有它的图式和制作方法。可惜的是唐代以后，两书均已失传。今人的研究则以王振铎之说影响最大。王振铎根据前人的猜测，讨论了地动仪内部可能有的各种结构，最后推断“都柱”的工作原理与近代地震仪中倒立式震摆相仿。具体来说，“都柱”就是倒立于仪体中央的一根铜柱，八道围绕“都柱”架设。“都柱”竖直站立，重心高，一有地动，便失去平衡，倒入八道中的一道。八道中装有杠杆，叫做“牙机”。杠杆穿过仪体，连接龙头上颌。“都柱”倾入道中以后，推动杠杆，使龙头上颌抬起，将铜丸吐出，起到报警作用。
当然，对于张衡地动仪是否管用、是否称得上是世界第一台测震仪的问题，近几年来各类媒体，特别是在网络媒体上争议不断。2010年就有网友闫涛在微博上发帖，称历史教科书中人所熟知的张衡地动仪其实是上世纪50年代的复原模型，1800年前的地动仪到底是啥模样早已无据可查。科普作家方舟子甚至连续在《中国青年报》上发表文章，称张衡当年建造的地动仪“很可能和今人复原的那些模型一样，仅仅是个摆设”。但是不管怎么说，中国应该自张衡地动仪开始了用仪器观测和记载地震的历史，这一点不容否认。更重要的是，张衡地动仪立足经验，敢于探索，旨在预防，这种设计思想要比科技昌明的当今时代仍然因为技术不成熟而不得不在灾害发生后才做测报的事后“诸葛亮”更难能可贵。能工巧匠与科学家的最大区别在于，前者立足实践经验，勇于探索；后者立足基本原理，追求精准。因此用今天的精密仪器的效用标准去肆意拔高古人开创性的成果，或者以不屑的口吻嘲弄古人，笔者以为都是不利于科技进步的，应该予以摒弃。如果古人知道地震是地壳运动引起的，那么这些争议早由古人为我们解决了。
除了“地动仪”以外，张衡还创造了一种气象学上用以测定风向的仪器——候风仪，又叫“相风铜鸟”。以前许多人甚至我们曾经的教科书都认为候风仪与地动仪是同一种仪器，甚至直接称为“候风地动仪”，但是据近年来的研究证实，这种认识是错误的。
当代著名的气象学家竺可祯先生在《中国过去气象学上的成就》一文中写道：“在气象仪器方面，雨量器和风信器都是中国人的发明，算年代要比西洋早得多。《后汉书·张衡传》：‘阳嘉元年，复造候风、地动仪。’《后汉书》单说到地动仪的结构，没有一个字提到候风仪是如何样子的，因此有人疑心以为候风、地动仪是一件仪器，其实不然。《三辅黄图》是后汉或魏晋人所著的。书中说：‘长安宫南有灵台，高15仞，上有浑仪，张衡所制；又有相风铜鸟，遇风乃动。’明明是说相风铜鸟是另一种仪器，其制法在《汉书》上虽然说得不详细，但是根据《观象玩占》一书里所说的：‘凡俟风必于高平远畅之地。立5丈竿，于竿者作盘，上作三足鸟，两足连上外立，一足系下内转，风来则转，回首向之，鸟口衔花，花施则占之’，即可以知道张衡的候风铜鸟和西洋屋顶上的候风鸡是相类似的。西洋的候风鸡到12世纪的时候始见之于载籍，要比张衡候风铜鸟的记载迟到一千年。”
《后汉书·张衡传》说，张衡在当年同时造出了“候风仪”和“地动仪”两个仪器，但却没有记载“候风仪”的基本构造。据考证，其结构应该是在一根5丈高的杆顶上安放一只衔着花的铜鸟，可以随着风向转动。鸟头所对的方向就是风向。“候风仪”形似一只铜鸟，和“地动仪”一起设在灵台上，用以测定风向风力。目前，根据史料记载及考证，张衡制造了“候风仪”也是可以肯定的。
四、勤学不倦 悲愤终生
从前面所介绍的“浑天仪”、“地动仪”和“候风仪”的构造，即可以得知张衡掌握了很高明的机械制造技术。他的朋友崔瑗在为他撰写的墓志铭中赞道：“数术穷天地，制作侔造化。”前一句是说他数学、天文学知识之渊博，后一句则是称赞他制造的各种器物之神奇。其实神奇是由于他巧妙地运用各种机械技术的结果。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；另一件是“木雕”，能在天上飞翔。关于“木雕”，《墨子·鲁问》记载：“公输子削竹木以为鹊。成而飞之，三日不下。”张衡的木雕大概与前文所述的鲁班创制的木鹊一样，应该也是一种风筝类似物。不过，北宋类书《太平御览·工艺部九》引《文士传》中的一段记载说：“张衡尝作木鸟，假以羽翮，腹中施机，能飞数里。”这里说到“腹中施机”，而且“能飞数里”，因此过去有的作者认为是一种飞机类的飞行器。但装在飞行器上的动力机必须重量足够轻，马力足够大，并且还要求飞行器本身具有一定的适宜起飞上升的形状等等，这些条件在张衡时代没有一条是能做得到的，所以张衡的木雕即使真的“腹中施机”，这种“机”也不会是动力机，而是一种装在风筝上用线控制飞行的操纵机构。关于3个轮子可以自转的机械，南宋学者王应麟认为是一种记里鼓车，而清代王先谦则认为是一种指南车，《后汉书集解·张衡传》中引《宋书·礼志》曰：“指南车，其始周公作，张衡始复创造。”总之，张衡在机械制造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》曰：“木圣：张衡、马钧是也。”现在的中国科技史家都公认马钧是三国时代一位杰出的机械制造匠师和发明家，而在葛洪看来，张衡、马钧都一样杰出，都是一代“木圣”。
张衡一生中做出了许多贡献，但他一直谦虚谨慎，勤学不倦，几十年如一日，在所从事的事业中表现出一丝不苟、精益求精、不畏强权、勇于进取的研究风格。汉顺帝阳嘉二年（公元133年），他升为侍中，但是由于宦官集团的排挤中伤，他又于永和元年（公元136年）被调到京外，贬为河间王刘政的相。刘政是一个骄横奢侈、不守中央法典的人，地方许多豪强与他共为不法。张衡到任后，严整法纪，打击豪强，使得上下肃然。永和四年（公元139年），他向汉顺帝上表请求退休，谁知朝廷却征拜他为尚书。但是任职不到一年，张衡就在忧郁悲愤中与世长辞了，终年62岁。
新中国建立后，人们怀着无限崇敬的心情纪念张衡。1953年和1955年，国内专门发行了纪念张衡的邮票。1956年重修了张衡当年在家乡的读书台“平子读书台”和他的陵墓。张衡墓位于南阳市北25公里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。墓北约250米处，也有平子读书台，墓东为鲁南（鲁山至南阳）老公路，古代洱河旧道跨其北，鄂城寺塔峙立其东。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。汉代崔瑗曾立有张平子碑，晋代夏侯湛也曾为之撰刻碑碣，唐代诗人骆宾王、郑谷者曾为之讴歌吟诗。后经战乱，以往胜迹荡然无存。重修的张衡墓现今已成为国内外游客瞻仰游览之地。著名文学家、历史学家郭沫若为其墓碑题词：“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。”
为了纪念张衡的功绩，1970年，国际天文学界用张衡的名字命名月球背面一座环形山为“张衡环形山”；1977年，太阳系中一个编号为1802的小行星用张衡的名字命名为“张衡星”。