中国科学发明家的故事——张衡 科学家和发明家的故事

张衡——东汉时期著名科学家

2009-11-13 20:51

(公元78~139)

当你走进中国的天文馆、地震馆、科技馆以至历史博物馆,都可以在展厅的显著位置,看到一位远在1800多年前,我国东汉时期著名科学家——张衡的成果。他改制浑天仪,创制候风仪、地动仪,不仅是伟大的天文学家,天才的机械制造家,而且还是才华横溢的文学家和唯物主义思想家。这位文化巨人刻苦成才的历程和杰出的贡献,千百年来一直受到世人的敬仰。
中国科学发明家的故事——张衡 科学家和发明家的故事

有志人勤奋好学

张衡于公元78年出生在河南。他的祖上是南阳著名的大族,“其先出自张老,为晋大夫”。到他的曾祖父时期仍是个大地主。祖父张堪有很好的品德,年轻时曾因“让先父余财数百万与兄子”,受到光武帝刘秀的嘉许。张堪16岁时就被推荐到当时的京城长安受业。他天资聪慧,学业出众,京城里很多老学者都赞誉他为“圣童”。

张堪生前为官清廉,没有积蓄,他一去世,家境便很快衰落下来,到张衡幼年时期,已相当清苦了。建初年间(公元76~84年),南阳发生灾荒,米价昂贵,很多人都弃家出外谋生。一些和张衡的祖父有过交情的朋友,听说张堪去世后,家中生活很窘迫,曾“自往候视,厚赈赡之”。随着祖父早年的朋友相继去世,张衡家境愈益贫苦。

张衡的先人去世早,失去了靠祖荫入仕的条件。张衡想要改变这种贫困的家境,又不愿攀附权贵、打通关节去乞怜,便立志靠自己勤奋努力。他学习特别刻苦,达到“如川之逝,不舍昼夜”的程度。

张衡天资颖慧,勤奋好学。在他上学的书馆里,尽管他年龄小,可他读书多,成绩好,除了完成老师所教的功课外,还大量阅读课外书,少年时期便很会写文章,得到乡里邻人的称赞。他还对社会生产、生活中的事物,留心观察,勤问多思。因此他对问题的看法从小就有自己的主见,不随声附和。

当时盛行游学的风气,这正好能满足张衡好学的意愿,于是在他17岁那年,便只身离开家乡,踏上了旅行求知的征程。

张衡有宏伟的抱负,他希望自己能干一番轰轰烈烈的大事业,所以他就抓紧青年时期宝贵的时间,不知疲倦地学习。后来他在《应闲》一文中曾说:“一个人不应担心自己地位不高,而应该担心自己道德是否高尚;不应当为收入菲薄而害羞,而应当为知识不广博而耻辱。”所以张衡的学习内容不受仕途所需的局限,天文、地理、气象、历算等等他无所不学,其中尤其爱好文学。他的好友崔瑗说张衡:“没有他不学的学问,没有他不请教的老师,为一物不知以为耻,听到有教益的话他就非常高兴。”

知识渊博的“南阳通人”

当张衡在家读书的时候,也就是汉安帝永初二年(公元108年),张衡的同乡大将军邓骘要征聘他当自己的幕僚。但张衡不愿意去为大官僚装璜门面,而要做一个有扎实学问的人,所以邓骘几次征召,他都婉言谢绝了。他潜心研究了西汉末年大辞赋家扬雄的《太玄经》。这部书引起他极大的兴趣,使他由文学创作转到对科学、哲学的研究上来。

《太玄经》是仿《易经》的体裁而作的,道理很深,文字难懂,学者们很少有敢于问津的。扬雄没有想到,他死后近百年竟遇到知音。张衡如醉如痴,夜以继日披读“太玄”,不断为扬雄的深刻哲理而赞叹,并埋头注释《太玄经》。他一字一句深究细考,体会扬雄的微言大义,还作了《玄图》,形象地解释玄理。现在看来,扬雄的“太玄”属于二元论的思想体系。但他指出事物不是固定不变的,而是有发展、有变化的。这种朴素的辩证唯物思想倾向对张衡的影响很大。

《太玄经》中还涉及到很多有关天文、历算等方面的知识,这些知识引起了张衡极大的兴趣。但这些知识在《太玄经》中讲得都很简略,这对“为一物不知以为耻”的张衡来说,是不能满足的,从而激起了他进一步钻研探讨的欲望。自此以后,他三年苦读,逐字逐句地琢磨《太玄经》义,直到弄懂弄通,为研究天文、历算等自然科学问题铺垫了理论基础。

与此同时,张衡还精心研究了《墨经》。《墨经》是墨子后学进一步发展墨子思想学说的重要著作,概括了墨家关于认识论、逻辑学、经济学和自然科学的研究成果,其中包括我国最早的关于几何学、力学和光学方面的一些知识。自从汉武帝“罢黜百家、独尊儒术”以来,墨家经典早已湮没无闻,仕途利禄之人绝不问津,而张衡却能冲破儒家经典的束缚。他为了求得切实的学问,黄老、阴阳、儒、墨、道家无所不学,从中获得了别人不可企及的丰富的知识。

张衡对地理科学也很有研究,还曾画过地形图。据唐张彦远《历代名画记》载,“衡尝作地形图,至唐犹存”。

张衡的名气越来越大,他不但是文学上的歌赋大家,而且还是“中世阴阳”之宗,对天文、地理、历算、绘画等也很精通。他几乎无所不知,无所不晓,被众人誉为“南阳通人”。

太史令巧制浑天仪

汉元初二年(公元115年),汉安帝听说张衡在天文上有高深的造诣,就任命张衡为太史令,在九卿之一太常手下掌管“天时、星历”。张衡接任太史令以后,立即来到坐落在洛阳平昌门南的灵台。张衡登上灵台顶端,仰观天象,真是心旷神怡,有飘飘欲仙的感觉,他要在这里施展出他的聪明才智。

很快,张衡就发现,灵台的建筑虽然雄伟,但观天象的仪器却很陈旧,年久失修,不堪应用。他决定重新修造,特别是浑天仪,这是形象地体现浑天学说的一种重要的天文仪器,更应该好好地加以修改研制。

“浑天仪”,类似于现在的天球仪,用精铜铸成,主体是一个球体,代表天球。球体可以绕天轴转动。天轴和球面有两个交点,一个是北天极,一个是南天极。在球的表面上列有28星宿和其他恒星。

球面上还有天球赤道圈和黄道圈,二者成24°夹角,分列有24节气。球体外面有两圆环,一个是地平圈,一个是子午圈(通过南北天极和天顶的圆环)。天轴支架在子午圈上,和地平圈斜交成36°角,这也是浑天仪坐落处的洛阳地区的北极仰角及地理纬度。

为了使“浑天仪”能自行运转,张衡采用齿轮系统把浑天仪和计时用的漏壶联系起来,利用漏壶流水的力量推动齿轮,带动球体运转。通过恰当地选择齿轮的个数和齿数,巧妙地使浑天仪一昼夜运转一周,把天象变化形象地演示了出来,也被称为水运浑象。

水运浑象是世界上第一架有明确记载的用水力发动的天文仪器,其中应用的齿轮系和凸轮机构在当时可以说是相当复杂的。

张衡还写出了《灵宪》、《灵宪图》、《浑天仪图注》等天文学著作。他在《灵宪》等著作中,阐述了无限宇宙的思想,解释了月亮反射阳光和月食发生的原因。他对2500颗恒星的观测记录和“周天三百六十五度又四分之一度”的计算结果,其精确程度为近、现代天文学家所称道。

破迷信敢知“龙王”动向

古代巫师和方士经常制造一种隐语或预言,充当上天给人们的某种启示,并且以此来预测吉凶。这种隐语或预言就叫做“谶”。这种“谶”有图有文,所以又叫“图谶”。“纬”,原来是指天象的,后来统治者就利用天上的星象变化来附会人事,预示吉凶。一些方士化的儒生用这种观点来注释附会儒家的各种经典,这就是“纬书”。“图谶”和“纬书”都是神学迷信的产物,合称为“谶纬”。

“谶纬”之学在西汉末年逐渐流行,并于东汉时期大为兴盛起来。“谶纬”神学的猖獗不但污染了儒家经典,更恶劣的是严重阻碍了科学的发展。具有唯物主义进步思想的张衡,奋起展开了对“谶纬”神学的斗争。

张衡为批驳“图谶”,不但详细地研究了“谶纬”的由来和发展,而且对当时流传的81篇“谶纬”都逐一详加审核,所以他立言有据,驳斥切中要害。所谓“谶”,不过是古代巫觋用以占卜吉凶的符咒。他尖锐地批驳,既然“谶”可以“立言于前”,那么,大汉推翻暴秦,王莽篡汉这样的大事,“谶书”上为什么不说?既然能“有证于后”,那么,有人用“谶书”推言水灾,有人因信“谶”而弃家业、入山林,为什么都无效验?至于当朝顺帝废而复立,“谶纬”学家们为什么更是不谈?“谶纬”的虚妄,昭然若揭。这是那些“虚伪之徒”编造出来用以“欺世罔俗,以昧势位”的。

东汉时期,我国中原一带经常发生地震。当时人们对地震这种自然现象是无法理解的,只好归之于天意,认为是上天给人们的某种暗示。如公元92年那次地震,在《后汉书·五行志》中有这样一段记载,把地动山摇之因,归咎于“窦太后摄政,兄窦宪专权,将以是受祸也”。其实,地震的发生与否,与外戚专权无关,但在“谶纬”迷信泛滥的时代,人们对这种说法是深信不疑的。

收集各地的地震情况,是太史令的本职工作之一。张衡想造一架能测定地震的仪器,以便及时掌握全国各地的地震情况。当时朝廷上的一些达官贵人认为,地震是天意,想知“龙王”动向,是痴心妄想。张衡不相信这一套,认为地震是一种不受任何人旨意影响的自然现象。张衡造仪器,用人的力量来测定地震,实际上就是对“谶纬”迷信的否定。

张衡的地动仪于阳嘉元年(公元132年)制成了,这是世界上第一架观测和记录地震的仪器。公元138年3月1日,地动仪准确地报告了离洛阳千里之遥的陇西(位于今甘肃省西南部)发生的大地震。他的发明在人类同地震作斗争的历史上写下了光辉的一页。

  

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