张衡：古代科技巨匠，浑天仪地动仪震撼古今
一、引言
在历史的长河中，张衡以其卓越的才能和伟大的发明，占据着举足轻重的地位。他发明的浑天仪和地动仪，充满了传奇色彩，至今仍令人惊叹不已。
张衡生活在东汉时期，是一位杰出的天文学家、数学家、发明家、地理学家和文学家。他的成就不仅在当时备受瞩目，而且对后世产生了深远的影响。
浑天仪是张衡在天文学领域的重要发明之一。它是在西汉落下闳发明的基础上进行改进的，用精铜铸成，主体是一个可以转动的球体，代表天球。球面上有天球赤道圈和黄道圈，分列着二十四节气，还列有二十八星宿和其他恒星。张衡运用齿轮和漏壶流水的力量推动浑天仪运转，使其一昼夜运转一周，形象地演示了天象变化。这是世界上第一架有明确记载的用水力发动的天文仪器。张衡还科学地解释了 “月光”“月蚀” 和昼夜发生变化的现象，指出月球本身并不发光，月光是日光的反射。这些知识在当时可谓十分了不起。
地动仪则是张衡最著名的发明。东汉时期地震频繁，加上当时社会 “谶纬” 之学盛行，张衡对这种神学迷信进行了批驳，并发明了地动仪。地动仪以精铜铸成，形似酒尊，饰以篆文山龟鸟兽之形。中有都柱，傍行八道，施关发机。据《后汉书・五行志》记载，地动仪曾准确报告了离洛阳千里之遥的陇西发生的大地震，受到人们的高度信任。虽然如今关于地动仪的记载寥寥无几，且教科书上的地动仪是由史学家王振铎复原出的概念模型，近年来也一直受到争议，但张衡在那个时代对宇宙、对科学的探索，无疑是伟大的成就。
二、张衡其人
1. 全面发展的奇才
张衡堪称中国历史上一位全面发展的奇才。他在多个领域都取得了卓越成就，集发明家、天文学家、数学家、地理学家、文学家于一身，与司马相如、扬雄、班固并称 “汉赋四大家”。
在天文学方面，张衡继承并发展了浑天学说，写成重要的天文学理论著作《灵宪》。他指出日有光，月亮自身不会发光，月光是由日光照射而来的，还推测出月食是由于地体遮蔽的缘故。他约计天空中的星体，常明的有 124 个，有定名的 320 个，连同所有可见的星体共有 2500 个。他发明了浑天仪，用铜铸成，内外分作几层圆圈，各层铜圈上分别刻着赤道、黄道、南北极、日、月、五星、二十八星宿及其他星体，用漏壶滴水的力量使它按着一定的时刻慢慢地转动，人们就可以从浑天仪上看到星体的出没，与实际天象十分符合。这项发明经过唐、宋科学家们的发展，就成为世界上最早的天文钟。
在数学方面，他著有《算罔论》，对圆周率也有研究，可惜已失传，只能从后代数学著作中知其一二。
在文学方面，张衡一生创作《二京赋》《怨篇》《四愁诗》等，对汉赋与诗歌的发展均有贡献。他的《二京赋》是汉代大赋的代表作品之一，为颂扬汉朝国势昌隆，也为讽谏王侯将相奢侈无度的现象而作。
作为发明家，张衡发明了地动仪，这是世界上第一部测定地震的仪器。地动仪用铜铸成，圆径八尺，顶上有凸起的盖子，像个大酒樽；内部有个铜柱，叫作 “都柱”，连着八个方向的机械，外面有八个龙头，按东、南、西、北、东北、东南、西北、西南八个方向排列着。每个龙嘴里衔着一枚铜球，下面蹲着一个铜制蛤蟆，向上张着嘴巴。哪个方向发生地震，那个方向的龙嘴就吐出铜球，落在蛤蟆嘴里，发出清脆的声音，看守仪器的人就能知道地震的日期和方向，把它记录下来。这架仪器测定很准确，有一次，西方龙嘴里的铜球忽然落了下来，而洛阳的人并未感到地动，可是没过几天，甘肃来人报告，说那里发生了地震。这架精巧的仪器是 132 年发明的，比欧洲创造的地震仪要早一千七百多年。此外，他还制作了指南车、自动记里鼓车、飞行数里的木鸟等。
2. 清高的人生态度
张衡不与俗气之人结交，志向不在当官，常醉心于学术科研。他被推举为孝廉，州府几次征召其为幕僚，都被他拒绝。南阳太守鲍德调离南阳后，张衡便辞官回家，一心钻研学问。大将军邓骘多次征召他，他也一概婉拒不应。汉安帝指名征召他来京，他无法推却皇命，只得再次来到洛阳为官。但他在太史令这个职位上一呆多年，不操心升迁的事情，自己不着急，别人反倒着急了。有人劝他立功升官，他表明自己志趣不在仕途，而在探索知识。张衡实际上是有做官的才能的，比如任河间相期间，他严整法纪，打击豪强，颇有政绩，但他对做官不太热衷，做不做官在很大程度上凭自己的喜好判断。
三、地动仪的神奇之处
1. 发明背景
东汉时期地震频繁，百姓深受其害，地震带来的山崩地裂、房屋倒塌、江河泛滥等灾害给人们的生活造成了巨大损失。同时，当时社会 “谶纬” 之学盛行，人们偏向于用神灵去解释自然灾害。在这样的背景下，张衡作为太史令，肩负着针对地震问题做出对策的重任。他对神学迷信进行了批驳，经过多年研究，最终发明了地动仪。
2. 工作原理
地动仪以精铜铸成，整体像一个酒樽，直径约 184.8cm。中有都柱，傍行八道，施关发机。外部有八条龙和八只蟾蜍，分别对应东、南、西、北、东北、东南、西北、西南八个方向。当地震发生时，都柱会触碰对应方向的八道，引发龙嘴张开，铜球掉落在对应的蟾蜍口中，以此指示地震方向。
据后来科学家解释，张衡对地震波的传播和方向性一定有所了解，并且在当时已经懂得利用力学上的惯性原理，“都柱” 实际上起到的正是惯性摆的作用。中国科学家认定地动仪的工作原理应该是 “悬垂摆原理”，即地动仪是利用了一根悬挂柱体的惯性来验震的，而非当今历史教科书所说的在仪器底部简单地竖立一根直立杆。“都柱” 是悬垂摆，摆下方有一个小球，球位于 “米” 字形滑道交汇处（即《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。
3. 历史记载与争议
《后汉书》记载地动仪曾准确报告陇西地震，受到高度信任。“阳嘉元年，复造候风地动仪。以精铜铸成，圆径八尺，合盖隆起，形似酒尊，饰以篆文山龟鸟兽之形。中有都柱，傍行八道，施关发机。外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蜍，张口承之。其牙机巧制，皆隐在尊中，覆盖周密无际。如有地动，尊则振龙机发吐丸，而蟾蜍衔之。振声激扬，伺者因此觉知。虽一龙发机，而七首不动，寻其方面，乃知震之所在。验之以事，合契若神。自书典所记，未之有也。尝一龙机发而地不觉动，京师学者咸怪其无征，后数日驿至，果地震陇西，于是皆服其妙。自此以后，乃令史官记地动所从方起。”
除了范晔的《后汉书》，西晋司马彪所著《续汉书》比《后汉书》成书要早，相关内容比《后汉书》多了 “施关发机” 和一些表述差异。不过《续汉书》已经遗失，只是散见于《太平御览》等古书中。东晋袁宏的《后汉纪》成书也早于《后汉书》，但晚于《续汉书》，这本书的记载有多处与范晔的不同，比如没有 “候风” 两个字，也没有提到陇西地震的案例等。
由于历史久远，记载简略，现代复原的地动仪模型受到争议。1951 年，王振铎复原的地动仪模型以 “直立杆” 为理论基础，该模型精美，设计考究，曾被入选教材，但一直非议不断，最近已被基本否定。2005 年，冯锐模型提出，“都柱” 是悬垂摆，摆下方有一个小球，球位于 “米” 字形滑道交汇处，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。该模型经模拟测试，结果与历史记载吻合。
四、浑天仪的卓越成就
1. 历史发展
浑天仪并非由张衡首创，而是在西汉耿寿昌发明的基础上，张衡进行了改进，制作出了更精确全面的浑天仪。西汉时期，耿寿昌发明了浑天仪，为张衡的改进奠定了基础。张衡在继承前人成果的同时，充分发挥自己的智慧和才能，对浑天仪进行了重大改进。他用水力推动铜球转动，成功地演示了天象变化，这一创新之举使得浑天仪的观测效果更加准确和生动。
2. 构造与原理
张衡制作的浑天仪主体是一个大铜球，球面上刻有南北极、黄道、赤道等重要天文标识。通过齿轮和漏壶流水的力量转动，其转动速度与地球自转速度相同，能够准确地模拟天体的运动。浑天仪的内部构造十分复杂，包含了多个精密的部件。在铜球上，不仅有各种天文坐标线，还列有二十八星宿和其他恒星，为观测者提供了丰富的天文信息。浑天仪的转动系统由漏壶流水提供动力，通过齿轮传动，使铜球能够稳定地转动。这种设计充分体现了张衡对天文学和机械原理的深刻理解。
3. 重要意义
张衡发明的浑天仪是世界上第一架有明确记载的用水力发动的天文仪器，具有极其重要的历史意义。它代表着中国古代天文学发展的卓越成就，为后人研究天文学提供了宝贵的实物资料。浑天仪的出现，标志着中国古代天文学在观测技术和理论研究方面取得了重大突破。它不仅能够准确地演示天象变化，还为天文学家们提供了一种可靠的观测工具，有助于他们更好地了解天体的运动规律。浑天仪的发明，也充分展示了中国古代劳动人民的智慧和创造力，是中华民族宝贵的文化遗产。
五、张衡的其他成就
1. 机械制作
张衡在机械制作方面展现出了高超的技艺。他制作的木鸟，不仅有翅膀，而且在鸟腹中有机关，借助机关和翅膀，木鸟可以飞数里地。此外，他还制作过一种有三个轮子，可以自转的机械，有人认为这是一种记里鼓车，但也有人认为这就是指南车。这些灵巧的机械虽然已失传，但书籍中留下的相关记载足以证明张衡在机械制作中的卓越才能。
2. 数学贡献
张衡著有《算罔论》，虽已失佚，但从魏晋时期数学家刘徽在《九章算术注》中引用的张衡观点可知，张衡从圆与它的外切正方形关系入手计算圆周率，开辟了新的思路，为圆周率计算提供了一种理论方法，对祖冲之推算圆周率起到了促进作用。
3. 地理成就
张衡也研究过地理学，根据他研究和考察的心得，画过一幅地形图。唐张彦远《历代名画记》卷三云：“衡尝作地形图，至唐犹存”。
4. 文学建树
张衡一生创作了许多优秀的文学作品。《归田赋》《二京赋》等作品辞藻富丽华美，寓意深远。他既是汉大赋的终结者，又是汉抒情小赋的开创者，同时还是五言诗、七言诗的先驱者。比如 “精思傅会，十年乃成” 的《二京赋》，以讽谏朝廷，不要太过奢侈铺张。张衡传于世的诗歌仅三首，以《四愁诗》最有名，史学家们认为和曹丕的《燕歌行》不相上下，淸・沈德潜在《古诗源》里更是给出了极高的评价。
六、总结
张衡是一位旷世奇才，他的成就令人叹服。浑天仪和地动仪更是他的杰出代表，不仅在当时具有重大意义，也对后世产生了深远影响。
张衡在多个领域都取得了卓越成就，他发明的浑天仪和地动仪，是世界上第一架有明确记载的用水力发动的天文仪器和世界上第一部观测和记录地震的仪器。这些发明代表着中国古代天文学和地震学发展的卓越成就，为后人研究天文学和地震学提供了宝贵的实物资料。
浑天仪的出现，标志着中国古代天文学在观测技术和理论研究方面取得了重大突破。它能够准确地演示天象变化，为天文学家们提供了一种可靠的观测工具，有助于他们更好地了解天体的运动规律。地动仪的发明，则为古代人们应对地震灾害提供了重要的科学手段，能够及时掌握地震的方位，为救灾工作提供了宝贵的时间。
张衡的其他成就也同样令人瞩目。他在机械制作方面展现出了高超的技艺，制作的木鸟、记里鼓车或指南车等灵巧机械，虽已失传，但书籍中的记载足以证明他的卓越才能。在数学方面，他著有《算罔论》，为圆周率计算提供了新的思路。在地理方面，他绘制过一幅地形图，为后人研究古代地理提供了重要参考。在文学方面，他更是汉赋四大家之一，创作了许多优秀的文学作品。
张衡的成就不仅在当时备受瞩目，而且对后世产生了深远的影响。他的发明和理论为中国古代科学技术的发展做出了重要贡献，也为世界科学技术的发展提供了宝贵的经验和启示。他的名字被永远地刻在了天体上，成为了中华民族宝贵的文化遗产和人类科学技术史上的重要人物。
