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。