张衡中国古代科学家的典范

　　张衡  （78年－139年），字  平子  ， 南阳郡西鄂县 （今 河南省南阳市南召县 南）人， 东汉士大夫 、 天文学家 、 地理学家 、 数学家 、 科学家 、 发明家 及 文学家 ，官至 太史令 、 侍中 、 尚书 。张衡一生成就不凡，曾制作以水力推动的 浑天仪 、发明能够探测 震源 方向的 地动仪 和 指南车 、发现 日食 及 月食 的原因、绘制记录2,500颗星体的 星图 、计算 圆周率 准确至 小数点 后一个位、解释和确立 浑天说 的 宇宙论 ；在文学方面，他创作了《 二京赋 》及《 归田赋 》等 辞赋 名篇，拓展了 汉赋 的文体与题材，被列为＂汉赋四大家＂之一。他开创了 七言古诗 的诗歌体裁，对 中华文化 有巨大贡献。
　　生平
　　张衡出身于 南阳 大族，祖父张堪 是蜀郡太守 。他少年时曾到雒阳太学 读书，通晓五经  ，好学不倦，不分日夜。张衡为人谦虚，意志坚定，淡泊名利。曾受举荐＂孝廉  ＂，被大将军外戚邓骘  征召，但张衡都不接受。100年，22岁的张衡出任南阳  郡太守鲍德的主簿  ，8年后辞官读书。鲍德升职为大司农  后，热心推荐张衡；111年，张衡被汉安帝  所召，出任尚书台郎中  ，3年后迁任尚书侍郎  ；115年，37岁的张衡开始出任太史令  ，121年调职公车司马令，126年复任太史令。任职太史令期间，他制作了浑天仪  与地动仪  。张衡掌领太史令先后达14年之久，这个职位相当于现在中国科学院国家天文台  的台长。张衡长期掌管历史记载和历法  ，没有升官，被同僚所笑。他写下《答难》来表明心志，不慕官位。他又曾上疏  痛陈事弊，提出必须禁止大臣奢侈和僭越的主张。133年雒阳大地震，张衡借此上谏，批评宦官越权，主张大权归还天子  。同年张衡迁任侍中  。因受当权宦官  排斥，136年外调河间  相。在河间政绩良好，138年他升迁尚书  ，次年过世，享年61岁他的传世著作有文集11卷，《灵宪》、《浑天仪》、《玄图》各一卷、 及数学著作《算罔论》。
　　贡献
　　天文学
　　清代天球仪（又名浑天仪、浑象），用以表现恒星和星座位置，并能演示天体的周日运动。东汉张衡、三国  王蕃  、刘宋钱乐之  都曾造过这种仪器。
　　张衡主张浑天说  ，认为天是球状的，像个鸡蛋，天相当于蛋壳，大地像蛋黄，天把大地包在当中，大地是平面的，周围是水，大地浮在水上。他改进西汉耿寿昌  的设计，制造了浑天仪  ，并著有《浑天仪》一卷加以解说。浑天仪一具安装在室内，一具安装在观测台＂灵台＂之上。浑天仪以铜铸造，是空心球体，直径约五尺，上画二十八宿  、中外星官及黄道  、赤道  ；天球半露在地平圈上，半隐在地平圈下，天轴则支架在子午圈上，天球可绕天轴自行转动，与实际天球  运动相一致，可预报天体运动情况；其外安装了地平环、赤道环和子午环，内部设置四游环。有学者认为，张衡的浑天仪上面装置了可以眺望天体位置的望筒，兼具演示和观测效用；也有学者认为，此浑天仪没有望筒，只有演示作用，性质上是天球仪  。浑天仪每日均匀地绕中轴旋转一周，以滴水为原动力，与漏刻  相连，水不断定量而缓缓地流入刻漏的水斗中。水斗原是静止不动的，当注水达到某个分量时，其重量就胜过浑天仪和齿轮的阻力，凸耳使齿轮转动一齿，然后抵住下一齿而再次静止下来，通过齿轮  传动而使浑天仪缓慢地旋转。张衡所造浑天仪是个原型、早期的时钟，在五胡乱华  中毁坏；在西方，类似能自动旋转的浑象  在16世纪出现。
　　张衡在东方最早正确说明月蚀  ，指出月蚀是由于地球的影子＂暗虚＂遮掩了月亮而引起的，并测得日、月的视直径  约为约等于0.5度，与现今测值相近。张衡绘制了星图  ，记录星官  124个，星星有2500颗，其中320颗有名字，指出历法制定必须根据实测结果，曾在123年参与历法辩论，反对依据图谶而制定的＂甲寅历＂，根据月亮运行有迟疾的规律，以＂九道法＂为基础提出新历，但没有被朝廷采纳。他提出五星视运动的理论，认为就同一行星而言，其运行轨道与地面时而接近，时而远离，＂近天则迟，远天则速＂，解释五星运行的或快或慢；运动缓慢的外行星  火星、木星、土星，张衡归类为阳，运动较快的内行星  水星和金星，归类为阴。张衡没有认识到北极  高度会随地点而变化，定出北极  高度是36度，他也没有认识岁差  ，因冬至点  难以观测，只从西汉末年所测的旧数值换算，定出冬至点以黄道  度量为入斗宿  20度，较当时实际情况偏东超过3度；他并根据观测，定出冬至  黄道最远时去极115度，夏至  黄道去极67度，因受仪器所限，数据稍欠精确。
　　宇宙论
　　张衡虽然反对图谶，但他的宇宙论却受当时流行的谶纬  影响。他撰有天文学著作《灵宪  》，叙述宇宙生成论，观点接近西汉《淮南子  ·天文训》。他提出宇宙形成的三个阶段，首先是＂溟滓＂，是气  的原始状态，什么都没有，是＂无＂的阶段，道的根本；第二是＂庞鸿＂，是元气开始发动、连结在一起、混沌不分的状态；第三是＂太元＂，元气分化，有刚柔清浊之分，天地各自形成，阴阳四时变化而生万物。天圆地平，天是一个中空的球体，地是半球体，上平下圆，处于天体下半部。八极约长二亿三万二千三百里，南北少一千里，东西多一千里，天地距离和地的厚度，都等于八极的一半。他指出宇宙是无穷无极的，肯定时间与空间的无限性，提出以＂气  ＂为基本的自然观，人是元气的聚合，如水之凝结为冰，人死是元气消散，如冰块融化为水，复归于元气，与自然成为一体[  。
　　数学
　　130年前后，张衡完成推算圆周率  。根据三国时刘徽  《九章算术  注》，张衡认为立方体  及其内接球体积  之比，是8:5，由此推论圆周率是10的平方根  ：=3.1623 。南北朝祖暅  《浑天论》则提到张衡提出的另一个数字=3.1724 ；有学者认为今本文献有衍文，张衡的数字其实是较准确的=3.1466 ，此说未被广泛接受。张衡的圆周率数字其实颇为粗疏，受刘徽  严词批评，西汉末年刘歆  指出圆周率为3.1547，已比张衡更准确；但张衡的计算并非倚靠实测，而是从理论出发，从立圆术公式推求圆周率，仍有开创性的贡献。张衡也曾研究球体体积，但没有重大改进。
　　地理学
　　地震学家  约翰·米尔恩  构想的候风地动仪  外形
　　候风地动仪  的其中一款模型
　　132年，张衡发明和制造了世上第一部验震器＂候风地动仪  ＂，形状像圆形的酒瓮，断面直径八尺，其内中央置有一根很重的柱子，称＂都柱＂，可以向八个方向倾侧或倾摆；酒瓮外部的八个方向各有一个龙头，龙头下各有一只蟾蜍，张口对着龙头，八条龙各口含铜丸一颗，当都柱向某一方倾侧时，该方向的龙口张开，铜丸落下，掉入蟾蜍口中。地震发生时，只有震源方向上的龙头张口，据此可知地震的方向。范晔  《后汉书  》记载，地动仪放在洛阳  ，134年12月13日，陇西  发生地震，当时洛阳并无震动，但一个龙口掉出铜丸，其后才传来陇西  地震的消息，证实其探测地震方向的功效。而候风地动仪所谓的＂候风＂，是指测定风的变化，地震相信是因为阴阳两气相搏而形成，气的变化会产生风；哪个地方有地震，哪个方向就有气的变化，就有风来可以测到。候风地动仪流传到隋代，北朝信都芳、隋代临孝恭都研究过，到唐代失传。
　　地动仪利用物体的惯性  来测震，其构造学者有两种看法，其一认为，都柱是个挂起的悬摆，又重又粗，都柱下有一小铜球，组成触发机制，在地震波  水平运动中，都柱移位，小铜球脱落，撞击机关，又或都柱带动八条向八个方位伸出去的臂，连接扛杆，当悬摆向某一方向摆动时，龙口就会张开。另一种观点是，都柱是一种倒立的震摆，附有重锤，安装在底座上，周围有八组机械装置，一旦地震，重锤倾侧，都柱失去平衡，触道机械装置，使相应的龙口张开。现代中、日学者都尝试复原地动仪，日本学者曾以直立震摆式的地动仪模型做实验，证明地震初震很强的话，铜丸会因初到的纵波  而落下，确定地震的方向；但其他地震学者却指出，直立震摆的倾倒方向有随机性，对震动反应迟钝，没有验震作用，直立震摆底部所用的弹簧  ，也不可能是汉代技术水平的产物，而悬摆式的地动仪模型，在2000年代则通过中国地震学者用振动台模拟地震状态的试验，得到中国学术界的认可。张衡地动仪比直至19世纪前期西方的水银地震仪更先进，但亦有个别学者质疑《后汉书  》中有关地动仪的记载，指出从现代地震学  的观点看，若单独一个仪器，仅在一个地点进行测量，难以测定震源。
　　116年，张衡绘制和呈献地图＂地形图＂，流传到唐代；李约瑟  推测张衡曾运用计里画方  的网格绘图，但此说受其他学者质疑。
　　其他发明
　　指南车  模型
　　浑天仪和候风地动仪以外，张衡发明了指南车  、＂自飞木雕＂和机械日历，并改良了漏刻  的构造。指南车是双轮马车，内置齿轮装置，即使行驶时多次转向，车上人像亦永远指向正南；张衡所造指南车在汉末战乱中被毁。自飞木雕是一只木鸟，有羽翼，腹内有机械，能飞起，张衡〈应间〉曾提到这只能飞的木雕：＂木雕犹能独飞＂。李约瑟推测自飞木雕以弹簧  为动力，推动直升陀螺的螺旋桨  。张衡在漏刻使用虹吸管  （称为＂玉虬＂），代替壶底的漏咀，并在贮水壶和受水壶之间加入一个补偿壶，使计时更准确；受水壶盖上铸有个小塑像，左手持着可以上下浮动的垂直指示杆（＂漏箭＂），右手则指向指示杆上的刻度。机械日历＂瑞轮蓂荚  ＂像浑天仪一样，都是水力推动的，能显示月相  和朔望月的天数。有学者认为张衡也制造了风向仪，古书上＂候风地动仪＂其实是指风向仪和地动仪两种仪器，这种风向仪是鸟状的，能随风转动。