中外科学家发明家丛书:张衡-第3部分

按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！



两件仪器在汉代通称为浑天仪。而张衡所造的浑天仪，就是后一种浑象仪器。　

早在浑天说创立之始，人们就计划着制造浑天仪来观测星辰。西汉武帝时的　

落下闳，大约是第一个着手制造浑天仪的人。宣帝时耿寿昌铸铜为象，永元　

15年（公元103年）贾逵创制了黄道铜仪，也都是浑天仪。张衡的浑天仪又　

称水运浑象，是世界上第一台用水力推动的大型天文仪器。　

　　　　　张衡创制浑天仪的成功，是在公元117年　（汉安帝元初4年），那时他　

四十岁。为了制造这架仪器，张衡耗费了很多心血，先后用了一年多的时间。　

在铸造正式的浑天仪之前，他经过了仔细的研究和观察，设计出了一个图案，　

然后用竹条劈成薄薄的竹蔑，把这些竹蔑刻上度数，再把它们编成圆环，穿　

联起来，制成一个仪器的模型以作为试验。经过多次修改试验准确了，然后　

再用铜铸成正式仪器。因为这个仪器是根据浑天说的理论来制造的，所以张　

衡就把那个用竹蔑编成的模型叫做“小浑”，铜铸的就定名为“浑天仪”。　

　　　　　据史书记载，这座铜铸浑天仪主体是一个球体模型，代表天球，每弧度　

长为4分，圆周长为一丈4尺6寸1分，直径4尺6寸5分。球体里面有个　

铁轴贯穿球心，轴的方向就是天球运转的方向，也是地球自转轴的方向。轴　

和球面有两个交点——天球上的北极与南极。北极高出地平线36度，表示当　

时京师洛阳的地理纬度。球的表面上刻有28宿和中外星官。球的外面有地平　

圈和子午圈，天球半露在地平圈之下，天轴即支架在子午圈之上。另外还有　

黄道圈和赤道圈，互成24度的交角。在赤道和黄道上，各列有24个节气，　

并且从冬至点起，刻分成365．25度，每度又分4格，太阳每天在黄道上移　

一度。　

　　　　　为了使浑天仪能够按照时刻自己转动，张衡把浑天仪和计时用的漏壶联　

系起来。滴漏壶是我们祖先用来测知时刻的仪器，它用一个特制的器皿装水，　

这器皿下面有小孔，水通过小孔，一滴一滴流到刻有时刻记号的壶里，因而　

可以由壶里水的深浅知道是什么时刻。张衡就是利用漏壶滴水的力量来推动　

齿轮，齿轮再带动浑天仪，通过恰当地选择齿轮的个数和齿数，巧妙地使浑　

象一昼夜转动一周。这样，他就使浑天仪上所刻的天文现象，按时刻自动地　

呈现出来。人们要想知道某天某时刻的某颗星所在的位置，只需在屋子里看　

浑天仪便知。某颗星出现了，某颗星正在中天，某颗星不见了，这些现象，　


…　Page　11…

同真正的天象完全一样。　

　　　　　浑天仪的贡献是巨大的。首先它把观测天象所在地的地理位置跟天球联　

系起来。现在我们已经知道，一个地方的地理纬度等于该地的北极出地高度。　

根据后人《浑天仪图注》的说明：“北极乃天之中也，在正北出地36度。”　

拿浑天仪上的36度折算现今地理纬度，恰好跟洛阳地区的纬度很相近；其　

次，浑天仪上的周天365．25度跟东汉当时的《四分历》所用的岁实365．25　

天完全吻合。同时，张衡在浑天仪上所用的黄、赤交角24度也是很接近实际　

的；再次，《浑天仪图注》里说：“各分赤道、黄道为24气，一气相去15　

度16分之七，每一气者黄道进退一度焉。……三气一节，故46日而差令3　

度也。”这3气1节差3度，即黄、赤道差的计算法，一直到隋代都没有改　

变，这是张衡的在历法上一项重要贡献。　

　　　　　浑天仪应用的齿轮系和凸轮机构在当时可以说是相当复杂的。水运浑象　

实质上还可以被认为是一个天文钟，通过它的等速旋转，可以报告时刻。此　

后，张衡还采用漏壶的原理，创造了另外一种仪器，叫做“瑞轮■荚”。这　

个瑞轮■荚装有机械，接联在漏壶上，也依靠水力转动。它能够按照阴历上　

的朔日、上弦、望日、下弦、晦日等顺序，一次又一次地循环旋转开合着。　

因为在瑞轮上从每月初一起，每天转出一片■荚来，这样到十五日共出现十　

五片；然后每天再转入一片，到月底落完。瑞轮■荚可以表示日期，又能告　

诉人们月亮的圆缺变化。张衡制造的瑞轮■荚，在世界科学史上算是第一架　

具备了机械能的计时器，以后经唐朝的一行、梁令瓒和宋朝的张思训、苏颂、　

韩公廉等人的改进和发展，终于制成了世界上最早的天文钟。在1800多年　

前，我国就能够制造出这样复杂而精巧的仪器，是很值得我们自豪的。　

　　　　　张衡创制的浑天仪原来被安放在东汉政府观察天象的地方——灵台，一　

直保存到魏晋时代。西晋末年发生战乱，浑天仪被移往长安。公元418年，　

刘裕率军攻进长安城，获得了这架仪器，但已经残缺不全。此后，它就不知　

下落了。　

　　　　　幸亏曾经有人替浑天仪写了两部说明书，一部是《浑天仪图注》，另一　

部是《漏水转浑天仪注》。这两部说明书各有一部分保存下来，使后人可以　

按照其中的说法，重新制造出浑天仪来。　

　　　　　南朝宋文帝元嘉13年（公元436年），太史令钱乐之曾铸造浑仪和小浑　

天，和张衡的浑天仪大体相同；唐朝初年，李淳风、梁令瓒等人重新改制了　

浑天仪；北宋苏颂、元代郭守敬都相继制造浑天仪。他们在制法上都有改进，　

机械的精巧程度也是一代胜过一代。现今陈列在南京紫金山天文台的浑天仪　

是明朝正统3年（公元1438年）钦天监监正皇甫仲仿照元朝郭守敬的浑天仪　

造成的。　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　六、博学多能、全面发展的科学家　


…　Page　12…

　　　　　天文、历法和数学有着紧密的联系。张衡在天文学方面连连获得成功的　

同时，在数学方面也做出了卓越的贡献。　

　　　　　张衡写过一本叫《算罔论》的数学著作，大约是综述当时算学上各类问　

题的一种古算通论。可惜　《算罔论》早已失传，我们无法确知它的内容。不　

过张衡对算学很有研究，这一点是不容置疑的，我们从三国时代魏国的数学　

家刘徽所著作《九章·算术注》引用的《算罔论》中的话便可以知道。　

　　　　　　《九章·算术注》内引“张衡算”有“圆周率一十之面”等语，经清代　

数学家李潢考证，张衡当时计算出的圆周率是3．1622。　

　　　　　钱宝琮先生在《张衡灵宪中的圆周率》一文中指出，《后汉书·天文志》　

注引张衡《灵宪》原文，其中说：“悬象著明，莫大乎日月。其径当天周1/736，　

地广1/242。”从这句话中，我们便可以计算出张衡取用的圆周率近似值。　

因为张衡在天文学上主张浑天说，认为“天浑然而圆，地在其中”，地之广　

就是天的直径。再以“地广”去除“天周”，我们便可得出《灵宪》中的圆　

周率。钱宝琮先生还进一步更正说：“传刻本《后汉书·天文志》注所引《灵　

宪》，　‘天周1/736’中的　‘六’字是因为传抄时的笔误而多出来的，　‘地　

广1/242’中的‘4’字也因同样原因应改正为‘三’。由此计算圆周率，得　



　л=730÷232。　



　　　　　已故李俨教授另据唐《开元占经》引祖■的《浑天论》，其中说：“张　

衡日月在径当天周1/736，地广1/232。按此而论，天周分母圆周率也，地广　

分母圆径率也，以8约之，得圆周率92，圆径率29。”他认为张衡求得的圆　

　　　　　　　　　　　92　

周率为л=　。　

　　　　　　　　　　　29　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　92　

　　　　　如上所述，张衡所用的圆周率是在3．14和3．16之间，又有л=　，　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　29　



这些都不是十分精确的数值，同南北朝时的大科学家祖冲之得出的圆周率在　

3．1415926和3．1415927之间这一当时世界上最精确的数值相比虽有距离。　

但张衡在圆周率的研究上，一方面放弃了古代《周髀算经》上“径一周三”　

　（л=3）的简单算法，另一方面应用了“渐近分数”的方法，所以在当时比　

祖冲之早三百多年的时代，仍是不失其先进意义的。　

　　　　　另外，张衡曾就他研究的心得，绘出一幅地形图来，流传了好几百年，　

一直到唐朝，被作为名画看待。他甚至还被列为东汉四大画家之一；在历史　

学方面，张衡曾下过很大的功夫，以司马迁的《史记》和班固的《汉书》提　

出过十几条修改意见。张衡还曾经向东汉朝廷要求，让他去从事《汉纪》这　

部著作的编纂工作，但是他的愿望落空了。　

　　　　　除上述成就外，张衡还是个出色的机械专家。张衡曾在《应间》这一著　

作中说：“曾何贪于支离，而习其孤技邪？三轮可使自转，木雕犹能独飞。”　

这四句话的意思是说：张衡平常最喜爱学习古代著名的工程专家支离的技　

术，并且能够熟习他关于机械制造的理论和方法，亲自制造出自转的三轮和　

独飞的木雕来。这段史料经历史学家的研究，认为“三轮自转”是指有关指　


…　Page　13…

南车和记里鼓车的主要机构；“木雕独飞”是指在木制雕鸟内部装置机关，　

使它能独立地飞起来。　

　　　　　我国古代有关木制飞鸟的记载，最早见于《墨子·鲁问篇》：“公输子　

削竹木以为鹊，鹊成而飞之，三日不下。公输子自以为至巧。”其后《韩非　

子·外储说》称：“墨子为术鸢，三年而成，飞一日而败。”西汉时《淮南　

子·齐俗训》更称：“鲁班、墨子以木为鸢而飞之。”这些都说明早在公元　

前三、四百年战国时候，我国已经发明和制造了能够在空中飞翔的木鸟，并　

且很可能是运用了斜面等原理。到东汉时，张衡是否发展了斜面原理，或应　

用过螺旋浆等形式，我们已无法确断。据史书记载：“张衡尝作木鸟，假以　

羽翮；腹中施机，能飞数里。”这种装有机关、能飞好几里的自飞木鸟，无　

疑是受到了先代科学家如鲁班、墨翟等人的启发，加以自身的努力研究制造　

出来的，而其制造技术自然要比墨翟等制造的木鸢高明得多了。　

　　　　　历史文献中较早记载张衡制造指南车的，是南北朝时梁朝文史学家沈约　

所著的《宋书·礼志》。其中云：“指南车，其始周公所作，……至于秦汉，　

其制无闻。后汉张衡始复制造。汉末丧乱，其器不存。……明帝青龙　（公元　

233…237年）中，令博士马钧复造之而车成。”这段史料说3000年前的周公　

已造成了指南车，这不大符合实际。不过，张衡很可能利用齿轮系创制指南　

车，一百多年以后机械工程专家马钧重新造成指南车。　

　　　　　张衡和马钧制造指南车的方法虽然都没有流传下来，但此后不断有人制　

造指南车成功。北宋时，燕肃在仁宗天圣5年（公元1027年）、吴德仁在徽　

宗大观元年（公元1107年）先后造成了指南车，《宋史·舆服志》中详细地　

记载了他们内部的机械构造。它们采用一种能自动离合的齿轮系，使得车子　

不管怎么转，车上木人的手指始终指向南方。古代皇帝出巡的时候，指南车　

就排列在出巡行列最前面的仪仗队里，用来指示方向。　

　　　　　记里鼓车也是利用齿轮系转动的。当车子前进时，利用车轮的转动，自　

动地把车行的里数表示出来，它和现在汽车上的里程表的作用相同。晋代崔　

豹作的笔记《古今注》记载着：“记里鼓车，一名大章车。晋安帝（公元417　

年）时刘裕灭秦得之。有木人执槌向鼓，行一里击一槌。”当时有一本专记　

西汉遗闻轶事的《西京杂记》也说：“汉朝舆驾祠甘泉汾阴，备千乘万骑。……　

记道车，驾四（由四匹马拉着），中道。”记里鼓车也是供皇帝出巡时用的。　

张衡是在永建元年写成《应间》的，由此可以推知张衡造成木雕、指南车、　

记里鼓车等机械，大体上应该在永建元年之前。　

　　　　　在机械方面，张衡制造了许多奇巧器物，成就惊人，堪称一代宗师大匠。　

张衡曾一度获得“木圣”的称号。　

　　　　　张衡是一位博学多才，全面发展的科学家，对于学习，他从不停留在狭　

小的范围里。他一方面对天文、历法继续作精深的研究，另一方面对数学、　

物理学、机械制造等领域进行了勇敢的探索和研究。勤勉学习和刻苦钻研使　

他在各个方面都获得很大的成功，他的光辉成就已大大地超出了天文学的范　


…　Page　14…

围了。　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　七、发明了地动仪　



　　　　　张衡连续做了6年的太史令，到安帝建兴元年　（公元121年），被调任　

公车司马令。公车司马令的官署设在皇宫的南阙门旁，职责是保卫皇帝的宫　

殿，通达内外奏章，接受全国官吏和人民的献贡物品，以及接待各地调京人　

员等等。把科学家张衡调到这样的一个职位上，充分说明封建皇帝如何不重　

视科学，不让有天才的人有充分发挥才能的机会。然而，就是在这样的岗位　

上，张衡还是利用一切可能利用的时间和精力，继续进行学术研究。除了天　

文学以外，他还对数学、物理和机械制造等方面，下了很大的苦功。我们曾　

提到张衡的数学名著《算罔论》以及制造的计里鼓车，指南车等等，都是在　

张衡就任公车司马令时苦心钻研的结果。　

　　　　　到顺帝永建元年　（公元126年），张衡又被调任太史令。这是张衡第二　

次做太史令。当时有一些