張衡

张衡

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张衡
张衡
1955年中国人民邮政发行张衡像邮票
平子
族裔 汉族
祖籍 南阳西鄂
出生 汉章帝建初三年戊寅
78年
南阳
逝世 汉顺帝永和四年己卯
139年(60-61岁)
雒阳

张衡(78年-139年),字平子南阳西鄂[注 1][1]东汉士大夫天文学家地理学家数学家科学家发明家文学家,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指南车、发现月蚀的原因、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。张衡为备受尊崇的伟大科学家,成就与西方同时期的托勒密媲美。此外,他的地位也被现代天文学界所肯定。

生平[编辑]

张衡出身于南阳大族,祖父张堪蜀郡太守。他少年时曾到雒阳太学读书,通晓五经[2],好学不倦,不分日夜。张衡为人谦虚,意志坚定[3]:181,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[2]。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[4];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,他制作了浑天仪地动仪[5]:176-178。张衡掌领太史令先后达14年之久[3]:180,这个职位相当于现在中国科学院国家天文台的台长[6]:52。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[2]。他又曾上痛陈事弊,提出必须禁止大臣奢侈和僭越的主张[7]。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[8]:329。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[5]:177-178。他的传世著作有文集11卷,《灵宪》、《浑天仪》、《玄图》各一卷[9]:746、598、600及数学著作《算罔论》[10]:224[注 2]

天文学[编辑]

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[6]:53-54。他改进西汉耿寿昌的设计,制造了浑天仪[11],并著有《浑天仪》一卷加以解说[6]:52。浑天仪一具安装在室内,一具安装在观测台“灵台”之上[12]:542。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[3]:179,与实际天球运动相一致,可预报天体运动情况[6]:55;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[13]:27;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[14]:29。浑天仪每日均匀地绕中轴旋转一周,以滴水为原动力[3]:179,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[12]:546、550、582。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[12]:95、538-539、546

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、月的视直径约为度,约等于0.5度,与现今测值相近[3]:180。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[15]:217,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”[16]:223,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[17]:51。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[3]:180;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[13]:39。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[18]:50,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[19]:145-146、149、147

宇宙论[编辑]

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[20]:256。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[21]:16[22]:296。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[21]:17。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[22]:296。他指出宇宙是无穷无极的[21]:16,肯定时间与空间的无限性,提出以“”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[22]:297、293、299

数学[编辑]

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3.1622[10]:223-224。南北朝祖暅《浑天论》则提到张衡提出的另一个数字:[21]:16;有学者认为今本文献有衍文,张衡的数字其实是较准确的[23]:66,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[24]:359、361。张衡也曾研究球体体积,但没有重大改进[25]:397

地理学[编辑]

地震学家约翰·米尔恩英语John Milne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,地动仪放在雒阳,134年12月13日[26]:481陇西发生地震,当时雒阳并无震动,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[6]:55-57[3]:181。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[27]:3。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[28]:356-358

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[26]:486、484,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[28]:347-348。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[28]:350[3]:180。现代中、日学者都尝试复原地动仪[6]:57,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[28]:352-353;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[26]:482-484、478。张衡地动仪比直至19世纪前期西方的水银地震仪更先进[28]:362,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[21]:251

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[28]:106[29]:79、135

其他发明[编辑]

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[12]:315、638。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[15]:342、351-353[12]:541。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[30]:363。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[3]:193

思想[编辑]

政治上,张衡坚持批判现实,对宫廷政治的污浊奸诈深感忧愤[31],反对王侯贵族的奢侈生活[32]。他受道家思想影响,倾向老、庄,主张无为,有人生无常、遁隐厌世的思想,企图超越世俗生活,其宇宙论也体现道家观念,晩期作品〈思玄赋〉道家倾向更强。他继承了西汉儒家董仲舒的灾异、天人感应之说,认为星象变异和地震等灾异,是上天对世人和朝廷的谴告,促使他制造更精密的仪器去认识宇宙和侦测地震,以察知天意;但他反对谶纬预言,曾上〈请禁绝图谶疏〉[21]:18-22、127-128[26]:485,指出图谶弄虚作假,为迎合当权者而伪造。他推崇西汉扬雄的《太玄[22]:293、298,认为“玄”是宇宙的根本原理,《太玄》一书深奥而难以理解。他相信天上有许多神、星神、四方神、天皇等等,不但天上有神,山林原野都有神灵,天体的组织,则与地上朝廷政府的组织相对应[21]:20、107、110-111,月亮上有蟾蜍,由嫦娥所变[13]:38,星星会影响人的命运[15]:217。张衡熟悉“风角”之术,认为可透过观风而知祸福[8]:722-723,相信占卜,宇宙间有某种神秘力量,绝非所有事物都可用理性解释[33]:113-114、123、14

文学[编辑]

明刊本《文选》〈东京赋〉书影

张衡是辞赋名家,将汉赋推向高峰,由歌功颂德的辞赋发展为抒情小赋[21]:12,现存大致完整的作品有〈温泉赋〉、〈南都赋〉、〈二京赋〉、〈思玄赋〉、〈归田赋〉、〈髑髅赋〉、〈天象赋〉、〈应间〉、〈七辩〉九篇。〈温泉赋〉描写长安附近骊山著名的温泉,属早期作品;〈二京赋〉长达7700字[34]:150、31、117,是模仿班固两都赋〉的大赋,辞藻典雅瑰丽,夸张铺陈,堪称不朽佳作[35]。〈西京赋〉假借凭虚公子之口,描写长安地理形势、汉高祖的定都、西都的豪华、宫殿的宏伟、城廓的宽大、市场的繁荣、商贾的欺诈、游侠的作风、园林中的游猎,〈东京赋〉则假借安处先生之口追溯历史,从周、秦、两汉各代帝王,赞颂汉高祖汉文帝汉武帝等,描写雒阳形胜和汉室仪轨;二赋也描述宗教活动和民间风俗[21]:13、22,如持守色戒的西域僧人[36]:128、杂技歌舞等“百戏”表演、驱邪的大仪式,有其史料价值,可补正史的不足;〈西京赋〉即为南北朝《三辅黄图》和北宋宋敏求长安志》多次引用,以说明长安面貌[35]。〈二京赋〉引用不少五经句子,文句为何晏〈景福殿赋〉、左思〈蜀都赋〉等后世辞赋袭用[37]:881、856、865,并有东吴薛综等人的注释[9]:893。〈南都赋〉则盛赞当时被朝廷忽略的南阳[7],但形式较呆板笨拙,语言则较艰深晦涩[34]:177

张衡〈思玄赋〉是抒情表志的作品,发表自己的理想,模仿楚辞〈远游〉和班固的〈幽通赋〉,重复屈原在〈远游〉中的寻求,先去东、南、北三方,登上蓬莱,在瀛州采芝,又去拜会西王母,上了仙宫“琼宫”,尽享声色之娱,然后回到故乡[21]:13、95[33]:42。张衡深受楚辞影响,常引用楚地传统的神话,〈思玄赋〉引用最多的就是楚辞[21]:20-21。〈归田赋〉开拓辞赋中田园归隐的主题,表达其退隐之心,反对宦官当权,政治腐败而自己无力拯救,有不愿同流合污之意[21]:11、14,文中赞美民间的田园生活,山水景色使人心旷神怡,是汉赋中罕见的短篇,启导陶渊明〈归去来辞〉等后世抒发归隐之情的作品[38]:22,所写自然风景欢乐和谐,也启导王羲之兰亭集序〉等后世文章[39]:62,文中道家思想鲜明,则可说是后世玄言诗的先驱[40]:47。〈髑髅赋〉以对话体扩充铺陈《庄子.至乐》篇中的寓言,赋中的髑髅就是庄子[41]:43-45。有后人批评,张衡的辞赋缺乏独创性,主要模仿前人著作,如〈二京赋〉模仿班固〈两都赋〉,〈南都赋〉模仿扬雄〈蜀都赋〉,〈应间〉模仿东方朔〈答客难〉,〈七辩〉则模仿枚乘〈七发〉[21]:14

诗歌方面,张衡初次撰写七言古诗〈四愁诗〉,脱离了楚歌的句式,接近纯粹的七言诗[42]:68-69[43]:246,并为后世诗人模仿,如晋代傅玄撰有〈拟张衡四愁诗〉[44]。张衡〈同声歌〉则是新娘向新郎的倾诉,描写新婚的优美,诗中提到房中术著作《素女经》的内容[45]:103-105

经学、史学、美术[编辑]

张衡通晓经学,曾撰写《周官训诂》,但稍欠特色,失传于世。他对汉朝历史亦相当了解,有志于史学,担任侍中时,曾请求到东观专心撰写东汉史书,但不获批准;又曾上书指摘司马迁史记》和班固汉书》两书的错失,提出汉朝史书应有的体例[2]。张衡亦是个画家,列为东汉六大画家之一[3]:181,唐代《历代名画记》曾记载他曾用脚趾画怪兽这一传说[29]:160

地位与纪念[编辑]

月球背面“张衡环形山

张衡名列“汉赋四大家”之一[5]:176,受尊崇为中国历史上的大科学家。在东汉,崔瑗称赞他能知天文地理,制作巧夺天工,“数术穷天地,制作侔造化,与神合契”,南阳人为他修建庙宇[21]:179、45;三国时傅玄则惋惜他不在其位,工艺才华未能尽情发挥[12]:35;他的地动仪和天文学成就都没有传人,天文学著作残缺不全,科学贡献渐被后人遗忘[21]:163。有学者猜测,地动仪的原理在古代可能已辗转传到波斯和日本。19世纪末,西方地震学约翰·米尔恩英语John Milne开始留意到张衡地动仪的开创性成就[28]:361-362、342,有学者认为,米尔恩所造的首座现代地震仪,就是受地动仪启发的[26]:487。1920年代,中国史家也注意到张衡的科学成就,1924年,张荫麟首先称赞张衡为中国“第一位大科学家”,李约瑟特别推崇张衡,大部分现代中国学者亦称张衡为伟大的科学家[21]:163-164、11、175。学者认为张衡可与西方几乎同时代的托勒密相媲美,但在数学、几何学、科学方法和研究成果,张衡都不如托勒密[21]:160、173

南阳张衡墓地久已荒废,偶有士人加以修葺,当地人亦不知墓主是谁;1956年,南阳县政府重建张衡墓园,建立张衡博物馆,附有仿汉建筑与石雕[46],1988年定为国家级重点文物保护单位,馆内展示张衡发明的地动仪、浑天仪、指南车等模型[27]:4。为了纪念张衡,1970年,国际天文学界用张衡名字为月球背面一座环形山命名;1971年,以他来命名小行星1802中国天文学会设立“张衡特殊贡献奖”,2002年首次颁发[11];2003年,小行星9092以张衡故乡南阳命名[47];一种铜锌合金的天然矿物亦以张衡命名,即张衡矿[48]

深圳市龙岗区坂田街道有一条以张衡命名的街道。

注释[编辑]

  1. ^ 西鄂,县名,今河南省南阳市南召县南。
  2. ^ 数学书籍《算罔论》至迟到唐代已经失传,但其所作的地形图一直流传到唐代。

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延伸阅读[编辑]

外部链接[编辑]

参见[编辑]

汉赋四大家
司马相如 · 扬雄 · 班固 · 张衡

張衡
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