東漢張衡有哪些天文學的發現發明？
張衡《靈憲》中的宇宙論思想
張衡（78-139年），河南南陽人。東漢時期的天文學家、數學家、地理學家和文學家。此人在各方面成就都很大。這裡只簡單介紹他的宇宙生成學說。
張衡的宇宙生成學說是受到楊雄的思想啟發的，特別喜歡楊雄的《太玄經》。他曾對他的好朋友崔瑗說：「吾觀《太玄》，方知子云妙極道數，乃與《五經》相擬，非徒傳記之屬，使人難論陰陽之事，漢家得天下二百歲之書也。得二百歲，殆將終乎？所以作者之數，必顯一世，常然之符也。漢四百歲，《玄》其興矣。」（《後漢書》張衡列傳第四十九）），張衡認為《太玄經》中的天道術數實在是太妙了，可與《五經》相比美，說這是漢朝得天下後二百年的作品，再過二百年也不會過時。而且他還觀測漢朝四百年時，《太玄經》中的太玄之學一定會興起。很遺憾的是，《太玄經》並沒有張衡預料的那樣廣為天下所知，以致於李白曾有詩「誰能書閣下，白首太玄經？」進行調侃吐槽。寫到這裡，我忽然想笑，想自嘲自己的這本書遠沒有《太玄經》有才華，但也會有同樣的命運吧。我有生之年，都不指望此生有知已。
張衡的宇宙思想集中體現在《靈憲》一書中。書中全面闡述了天地的生成、宇宙的演化、天地的結構、日月星辰的本質及其運動等科學課題。
《靈憲》里說：「太素之前，幽清玄靜，寂漠冥默，不可為象，厥中惟虛，厥外惟無。如是者永久焉，斯謂溟涬，蓋乃道之根也。道根既建，自無生有。」由此我們可以看出，張衡的宇宙生成論是繼承了老子的道生萬物思想，認為在天地未形成之前的狀態是幽靜玄靜的混沌狀態，天體內部是空虛的，外面是無象的。先是有了道的根，根從虛無中生髮出有，這是對老子「天下萬物生於有，有生於無」思想的解釋。接著他又說：「太素始萌，萌而未兆，並氣同色，渾沌不分。故道志之言云：「有物渾成，先天地生。」其氣體固未可得而形，其彁速固未可得而紀也。如是者又永久焉，斯為庬鴻，蓋乃道之干也。道干既育，有物成體。於是元氣剖判，剛柔始分，清濁異位。」（《靈憲》），有了道根後，宇宙開始有渾沌不分氣開始分化，這個說法比老子思想更具體，老子只是說「有物混成，先天地生」，但並沒有說這個「物」是什麼，張衡這裡直接給這個「物」命名為氣，於是就成了宇宙生成論中的物質本原。亞里士多德在他的體系中稱原物質為「質料因」，對於形成原因，他則稱為「動力因」。以朱熹為代的理學家們在解釋宇宙生成論時，也認為「氣」為物質本原。所不同的是朱熹等理學家們認為生成萬物的是會動的道，但推動力是不會動的理，張衡認為道直接生成萬物。可見，張衡理論中的道、朱熹理論中的「理」與亞里士多德理論中的「動力因」是同一個概念，都是宇宙生成的原動力。
《靈憲》又說：「天成於外，地定於內。天體於陽，故圓以動；地體於陰，故平以靜。動以行施，靜以合化，堙郁構精，時育庶類，斯謂太元，蓋乃道之實也。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。」張衡認為天是圓的，包著地的，繼承發展了渾天說理論。他繼承了楊雄《太玄經》里對天地的「九分」法，對天文地理進行劃分。《靈憲》的宇宙起源學說和《淮南子·天文訓》的提法相似，只是《淮南子》更直接地引用道家的宇宙生成的二元論，《淮南子》說：「清陽者薄靡而為天，重濁者凝滯而為地」，歷史上把一理論稱為蓋天說。而《靈憲》主張清氣所成的天在外，濁氣所成的地在內，這是渾天說，這一說法是受到楊雄《太玄經》的影響。
在宇宙的有限和無限方面，張衡提出了一個相對的概念。他認為可知的部分是有限的，不可知的部分是無限的。他說：「宇之表無極，宙之端無窮。」,意指宇宙其實是無限的。
張衡的宇宙學說觀點，還體現在天體運行方面，《靈憲》說：「故月光生於日之所照，魄生於日之所蔽，當日則光盈，就日則光盡也。」，意思是月亮本身是不發光的，而是太陽光照到月亮的原因，月亮才有光的，「魄」（月蝕）的天象是由於太陽光被遮住了，當太陽光全照時就月亮光就滿，當太陽光全被遮蓋起來時，就沒有光了。這是對日蝕、月蝕天象很科學的解釋。
張衡的另一發明是製作了水運渾象，它是世界上第一架用水力發動的天文儀器。水運渾象實際上是個天文鐘，通過它的等速旋轉，可以報告時刻。世界上第一個可以測定地震方位的地動儀，也是這位古代科學家發明的。張衡還在《靈憲》等天文著作中，闡述了無限宇宙的思想，解釋了月亮反射陽光和月食發生的原因。他對2500顆恆星的觀測記錄和「周天三百六十五度又四分之一度」的計算結果，和近代天文學非常接近。
公元117年，張衡根據渾天學說理論和對天象的實際觀察，創造出了利用漏壺滴水推動的大型「漏水轉渾天儀」。這是世界上第一台自動演示恆星和太陽周日運行的儀器
公元132年發明了界上第一台測定地震方位的科學儀器——地動儀
張衡製造的「指南車」，利用機械原理和齒輪的傳動作用，由一輛雙輪獨轅車組成。車箱內用一種能自動離合的齒輪系統，車箱外殼上層置一木刻仙人，無論車子朝哪個方向轉動，木人伸出的臂都指向南方。張衡關於齒輪系統的應用和相對運動的原理，被西方學者贊為「是一切控制論機械的祖先」。
張衡創造的「計里鼓車」，是用以計算里程的機械。據《古今注》記載：「記里車，車為二層，皆有木人，行一里下層擊鼓，行十里上層擊鐲」。「記里鼓車」和「指南車」的製造方法相同，所利用的差速齒輪原理，早於西方1800多年。
張衡製造的「瑞輪莢」(即活動日曆)，內裝機關，在一個立軸上裝15個撥板，依次分別作用於15個莢，按著應有的時刻升落，利用水力運動，從每月初一起，每天轉出一片木葉，15日後每天再轉入一片，到月落為止，循環旋轉開合，使人們從而獲得類似活動日曆的效用。這是世界上最早的。
張衡關於天文學的理論，主要體現在他的著作《靈憲》中。《靈憲》也是東漢天文學發展水平的體現。《靈憲》原書已經散佚，但主要部分因為被《後漢書·天文志》劉昭注所徵引而傳世。
在《靈憲》中，張衡系統全面地闡述了他的天文學觀點。關於宇宙的起源，《靈憲》認為，宇宙最初是一派無形無色的精氣，幽清寂寞，其中蘊含著「道根」。之後在太素的階段里，道根發動，產生了「道干」。有了道干以後，元氣開始分化，開始形成天地。他認為氣有清濁，清者在外而為天，濁者在內而為地。有了天地以後，就進入到太元的階段。在這個階段里，由道干生化出「道實」。道實生化出無窮無盡的萬事萬物。張衡雖然試圖去揭示宇宙的生成過程，但是他也強調了人所能認知的範圍是十分有限的，在這個範圍之外的宇宙是沒有時間的起點和空間的邊界的，「宇之表無極，宙之端無窮」。（《後漢書》第3216頁）
在《靈憲》中，張衡把天想像成一個橢球：「八極之維，徑二億三萬二千三百里。南北則短減千里，東西則廣增千里。……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。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，半於八極，則地之深亦如之」。（《後漢書》第3216頁）在他心目中的天地仍然是「天圓地平」的模式。
張衡認為，天動地靜，天施地合，萬事萬物因而發生。天地的運動也促使了四季的更迭。而整個天庭，與大地一一相應。尤其是列星，就是精氣所生，「體生於地精，成於天列」。（《後漢書》第3216頁）列星在天上的排列也是井然有序的，「紫宮為皇極之居，太微為五帝之廷，明堂之房，大角有席，天市有坐。蒼龍連蜷於左，白虎猛據於右，朱雀奮翼於前，靈龜圈首於後，黃神軒轅於中」。它們象徵著人世間的萬事萬物。
張衡在《靈憲》中對日月星辰進行了研究。張衡提出，日月的角直徑是周天的「七百三十六分之一」，換算成現代角度單位，即為29′21″，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，張衡的測量能如此精確，的確難能可貴。在張衡之前，人們對日蝕和月蝕已經有所研究，但對於月食形成的原因沒有給出清晰的解釋。張衡首先指出，月亮本身不發光，月亮的圓缺是由於其受光面發生轉動的原因，而月食則是由於大地遮蔽的緣故。他還給大地的影子起了個名字叫「闇虛」。他說：「月，光生於日之所照；魄生於日之所蔽。當日則光盈，就日則光盡也。眾星被耀，因水轉光。當日之沖，光常不合者，蔽於地也，是謂虛。在星星微，月過則食。」（《後漢書》第3216頁）
張衡認為天上星辰的變動預示著世間的禍福，北斗在昭示著帝王的運命，散布四方的二十八星宿無不與人間的福禍有關，都是上天意志的顯現。他認為天上的星斗，「常明者百有二十四，可名者三百二十，為星二千五百」。（《後漢書》第3217頁）除此之外，天空中還有人所不能看到的「微星」一萬一千五百二十顆。這個數字當然是張衡的推測，他認為這些「微星」象徵了世間的芸芸眾生。
張衡認為天上的星斗也是有生命周期的，當星斗處於其生命旺盛期時，「有似珠玉，神守精存，麗其職而宣其明」。而等到星斗的精氣衰竭而死亡的時候，「於是乎有隕星」。（《後漢書》第3217頁）這些隕星最終掉落在地上，就成了石頭。張衡的這些說法當然不盡科學，但是在當時的條件下，他已經能比較合理地解釋隕石現象。而且張衡關於星斗周期的猜想，也與當代天文科學的理論有相通之處。
張衡認為日月五星並非在一個球殼上運動，它們在天地之間運行，而且速度不同，近地則快，遠地則慢，相應地近天則快，遠天則慢。他還將日月五星分為兩類，一類附於月，屬陰，包括水星和金星，黃昏時出現。另一類附於日，屬陽，包括火星、木星和土星，清晨時出現。拋開陰陽日月的話不說，水星和金星都是內地行星，火星、木星和土星都在地球之外，張衡的分類有一定的道理。
《靈憲》中還有許多不足的地方，而且也受到占星術的很大影響，當然這都是時代的局限性所致。總之，儘管《靈憲》有一些缺點，但是它在天文學史上的意義還是不能抹殺的，《靈憲》所取得的重要成就還是值得高度肯定的。所以梁代劉昭讚頌張衡是「天文之妙，冠絕一代」。（《後漢書》第3215頁）
張衡在天文學上的重要貢獻，還有「水運渾天儀」的發明。《隋書》記載，延熹七年（164年《隋書》關於張衡發明渾天儀的年代記載肯定是錯誤的。）張衡發明了渾天儀，「更以銅製，以四分為一度，周天一丈四尺六寸一分。亦於密室中以漏水轉之，令司之者閉戸而唱之，以告靈台之觀天者，璇璣所加，某星始見，某星已中，某星今沒，皆如合符」。（《隋書》第517頁）《晉書》還記載張衡的朋友崔瑗為張衡渾天儀所作的銘文：「數術窮天地，製作侔造化，髙才偉藝，與神合契。」（《晉書》第281頁，中華書局1974年版）
水運渾天儀也稱漏水渾天儀，簡稱渾天儀。它是一種水運渾象，用一個直徑四尺多的銅球，球上刻有二十八宿、中外星官以及黃赤道、南北極、二十四節氣、恆顯圈、恆隱圈等，成一渾象，再用一套轉動機械，把渾象和漏壺結合起來。以漏壺流水控制渾象，使它與天球同步轉動，以顯示星空的周日視運動，如恆星的出沒和中天等。它還有一個附屬機構即瑞輪冥菜，是一種機械日曆，由傳動裝置和渾象相連，從每月初一起，每天生一葉片；月半後每天落一葉片。它所用的兩級漏壺是現今所知最早的關於兩級漏壺的記載。漏水轉渾天儀對中國後來的天文儀器影響很大，唐宋以來就在它的基礎上發展出更複雜更完善的天象表演儀器和天文鐘。
張衡還專門寫了一篇文章《張衡漏水轉渾天儀制》來介紹水運渾天儀，不過這篇文章已經散佚了，多虧南朝蕭梁的劉昭在給《後漢書·天文志》做注時曾部分引用，使後人可以窺見其大略。在劉昭注中，把這段文字標題為《張衡渾儀》。劉昭所引，近人已有證明，它應是張衡的原作。
劉昭所引的部分，大體包含了三部分內容。第一部分講渾天學說和渾天儀中天極、赤道和黃道三者相互關係及彼此相去度數。第二部分講所謂黃赤道差的求法和這種差數的變化規律。這是這一殘文中的最多篇幅部分。第三部分講黃道二十八宿距度以及冬至、夏至點的黃道位置。
仔細研究這篇殘文，可以得到兩點重要信息。其一，文中介紹了在天球儀上直接比量以求取黃道度數的辦法。其二，文中給出了所謂黃赤道差的變化規律。黃赤道差後來在中國曆法計算中起了很重要的作用，作為首創者的張衡，其貢獻不可磨滅。
除了劉昭所引的這段文字之外，在《晉書》《隋書》的「天文志」里所引述的葛洪的話中，轉引了一段題為《渾天儀注》的文字。在唐代《開元占經》第一卷里，編有一段題為《張衡渾儀注》和一段題為《張衡渾儀圖注》的文字。在《開元占經》卷二十六「填星占」中，還有三小段題為《渾儀》的文字；卷六十五的「天市垣占」下小注中，有題為《張衡渾儀》的文字一句。這四段文字也不見於劉昭所引。不過這些文字中，或許有後人的摻雜或注釋混入的情況。
遺憾的是，關於張衡渾天儀中的動力和傳動裝置的具體情況，史書沒有留下記載。張衡寫的有關渾天儀的文章只留存片斷，也沒有提及動力和傳動裝置問題。近幾十年來，人們曾運用現代機械科技知識對這個裝置作過一些探討。最初，人們曾認為是由一個水輪帶動一組齒輪系統構成。後來有人提出了一種完全不同的設計。他們把漏壺中的浮子用繩索繞過天球極軸，和一個平衡重鎚相連。當漏壺受水時，壺中水量增加，浮子上升，繩索另一頭的平衡錘下降。這時繩索牽動天球極軸，產生轉動。不管張衡的動力和傳動系統的實情究竟如何，總之，他是用一個機械系統來實現一種與自然界的天球旋轉相同步的機械運動。這種作法在中國是史無前例的。由此開始，我們誕生了一個製造水運儀象的傳統，它力圖用機械運動來精確地反映天球的周日轉動。直到20世紀下半葉原子鐘發明和採用之前，一切機械鐘錶都是以地球自轉，亦即天球的周日轉動為基礎的。所以，中國的水運儀象傳統乃是後世機械鐘錶的鼻祖。
張衡，字平子，東漢時南陽西鄂人，是我國古代傑出的科學家。也是世界上最早的天文學家之一。
張衡的祖父曾經擔任蜀郡太守等職，後來家道卻中落了。張衡從小過著較為貧的生活。張衡從少年時學習就很刻苦，後來到都城洛陽的太學，訪師交友，探討學問，閱讀了不少的書籍。在他三十七歲的時候，開始擔任太史令的官職，專為朝廷觀測、記錄天象，選擇「黃道吉日」和記載全國各地發生的某些自然現象。這些工作不能不促使張衡對於天文、曆法乃至地震等自然現象進行廣泛的研究。
張衡在天文學方面的成就最為突出。他認真地研讀過揚雄的《太玄經》，從中受到很大啟發又深入學習和研究了當時天文學的最新成就，並通過多年的實際觀測和研究，最後寫成了一部天文學的巨著《靈憲》。
原來，我國自古以來，對於宇宙天體的看法，就有三種不同的論點。一種是「蓋天說」，又稱「天圓地方說」。認為天是圓的，象一把張開的傘，地是方的，象一個棋盤。一種是「宣夜說」。認為天沒有一定形質，日月星辰都浮游在天空之中。另一種則是「渾天說」。認為天地的形狀象個鳥蛋，天象蛋殼，地象蛋黃，天和地的關係就象殼包著黃那樣， 所以叫做「渾天」。張衡就是「渾天說」的主要代表。
在《靈憲》中，張衡大膽地對天象提出了許多新的見解。他說，「月光生於日之所照」，「當日則光盈，就日則光盡也」。正確地說明了，月亮本身並不發光，它的光是受到太陽的照射後反射出來的。月亮對著太陽的時候，是滿月，背著太陽的時候，月亮就不見了。他從日、月、地球所處的不同位置，對日月蝕的成因，作了我國最早的科學解釋。張衡還對在中原地區能夠用肉眼觀測到的星數做了精確的統計，指出較亮的星二千五百顆，常明星一百二十四顆，叫得上名字的星三百二十顆。這個數字和現代天文學家所統計的，在同一地方，同一時間能用肉眼看到的星數為 2500-3000顆，基本相同。他在《靈憲》中繪製的標明星體位置的《靈憲圖》，是我國最早的一張星圖。
在張衡以前，已經有人製造過觀測天象的「渾天儀」。公元117年，張衡根據他的「渾天說」，創製了比以前都精確全面得多的一架「渾天儀」。「渾天儀」是一個可以轉動的空心銅球。銅球外表刻有二十八宿和其他一些恆星的位置；球體內有一根鐵軸貫穿球心，軸的兩端象徵北極和南極球體的外面裝有幾個銅圓圈，代表地平圈、子午圈、黃道圈、赤道圈。赤道和黃道上各刻有二十四個節氣。凡是張衡當時所知道的重要天文現象，都刻在「渾天儀」上面了。為了使渾天儀」能自行轉動，張衡又利用水力推動齒輪的原理，用滴壺滴出來的水力發動齒輪，帶動空心銅球繞軸旋轉。 銅球轉動一圈的速度和地球自轉的速度相等。渾天儀旋轉時，刻在它上面的天象依次表示出來，和天體上星球的運動十分相象。這樣，人坐在屋子裡，便能從「渾天儀」上看到天體運的情況。
張衡把他對天體構造、各種天象的看法和他製作水運渾天儀的方法等，專門寫成一篇《渾天儀圖象》加以介紹。另外，張衡還改進過測定天體位置的渾儀。
從公元89年到140年，五十年左右的時間內，東漢都城洛陽和隴西一帶，共出現過三十三次地震。特別是公元 119年，洛陽和其他地區連續發生了兩次大地震，促進了張衡加緊對於地震現象的研究。他終於在公元132年，發明並製造出了我國第一架測報地震的「地動儀」。這架「地動儀」通體銅鑄，形狀很象一個大酒樽。樽頂上有凸起的蓋子，可以打開。樽的外部裝飾有篆文和山龜鳥獸等花紋，上面鑄著八條龍龍頭按照東、南、西、北、東北、東南北、西南八個方向排列；每個龍嘴都銜有一個小銅球，並在它的下面蹲著一隻銅製的、頭向上仰、張著嘴的蛤蟆。 「地動儀的內部，有根叫做「都柱」的上粗下細的銅柱。「都柱」周圍伸出八根橫杆（曲槓桿），分別和八個龍頭的上半部銜接。哪個方向發生地震，地震波傳來，「都柱」就會倒向地震發生的那個方向，壓在曲槓桿的下端，由曲槓桿再牽動龍頭， 將龍嘴裡的銅球掉到蛤蟆的嘴裡，並發出清脆的響聲。這樣，看守儀器的人便能知道地震發生的日期和方向了。
張衡製造的這台「地動儀」，相當靈敏準確。公元138年的一天，「地動儀」正對西方的龍嘴突然張開，銅球落了下來。可是住在洛陽的人絲毫沒有感到有什麼地動，有些學者懷疑「地動儀」的靈驗。但是過了幾天，便有人從隴西趕來報告說，那裡在幾天前發生了地震。於是人們「皆服其妙」了。隴西距洛陽有一千多里，「地動儀」能夠精確地測知那裡的地震，它的精密程度已經達到相當高的水平。
張衡在氣象學方面，還創造了一種測定風向的儀器一一「候風儀」，又叫「相風銅鳥」。是在一根五丈高的竿頂上安放一隻銜著花的銅鳥，可以隨著風向轉動。鳥頭所對，便是風的方向。這個儀器和歐洲裝在屋頂上的「侯風雞」相似。在地理學上，張衡還繪製過《地形圖》。此外，張衡還能文善畫。張衡的治學態度非常認真、刻苦，「如川之逝，不舍晝夜」，幾十年如同一日。這正是他博學多才，成就為一個大科學家的「秘訣」。
張衡其人是極其厲害的，他是我國東漢時期偉大的天文學家、數學家、發明家、地理學家、製圖學家、文學家在漢朝官至尚書，為我國天文學、機械技術、地震學的發展作出了不可磨滅的貢獻。
張衡文學天賦也極高，曾經著有《東京賦》《西京賦》。「兩京賦」還描寫了靈台、宮闕的天文和氣象儀器。張衡指出月球本身並不發光，月光其實是日光的反射，同時正確地解釋了月食的成因，他在人類天文史上首次解釋月光是日光的反照，月食是月球進入地影。古代宇宙結構理論有蓋天、渾天、宣夜三說，張衡是渾天說的代表。他認為天好比蛋殼，地好比蛋黃，天大地小，天地各乘氣而立，載水而浮。他雖然認為天似蛋殼，但並不認為那是宇宙的邊界。他在《靈憲》中說：「宇之表無極，宙之端無窮。」認識到宇宙的無限性和行星運動的快慢與距離地球遠近的關係。
其也是一個大發明家，張衡觀測記錄了2500顆恆星，還製造出了刻漏計時儀器、指南車、自動記里鼓車、飛行數里的木鳥等等。對於宇宙起源，張衡認為天地未分之前，混混沌沌，既分之後輕者上升為天，重者凝結為地。天為陽氣，地為陰氣，陰陽氣合而生萬物。繼承了古代樸素唯物主義的認識。
用今天的眼光看他的生平，都是令人驚奇的事，堪稱一代名家。
推薦閱讀：
