中國科學發明家的故事——張衡

06-09

張衡——東漢時期著名科學家2009-11-13 20:51

（公元78～139）　　當你走進中國的天文館、地震館、科技館以至歷史博物館，都可以在展廳的顯著位置，看到一位遠在1800多年前，我國東漢時期著名科學家——張衡的成果。他改制渾天儀，創製候風儀、地動儀，不僅是偉大的天文學家，天才的機械製造家，而且還是才華橫溢的文學家和唯物主義思想家。這位文化巨人刻苦成才的歷程和傑出的貢獻，千百年來一直受到世人的敬仰。　　有志人勤奮好學　　張衡於公元78年出生在河南。他的祖上是南陽著名的大族，「其先出自張老，為晉大夫」。到他的曾祖父時期仍是個大地主。祖父張堪有很好的品德，年輕時曾因「讓先父余財數百萬與兄子」，受到光武帝劉秀的嘉許。張堪16歲時就被推薦到當時的京城長安受業。他天資聰慧，學業出眾，京城裡很多老學者都讚譽他為「聖童」。　　張堪生前為官清廉，沒有積蓄，他一去世，家境便很快衰落下來，到張衡幼年時期，已相當清苦了。建初年間（公元76～84年），南陽發生災荒，米價昂貴，很多人都棄家出外謀生。一些和張衡的祖父有過交情的朋友，聽說張堪去世後，家中生活很窘迫，曾「自往候視，厚賑贍之」。隨著祖父早年的朋友相繼去世，張衡家境愈益貧苦。　　張衡的先人去世早，失去了靠祖蔭入仕的條件。張衡想要改變這種貧困的家境，又不願攀附權貴、打通關節去乞憐，便立志靠自己勤奮努力。他學習特別刻苦，達到「如川之逝，不舍晝夜」的程度。　　張衡天資穎慧，勤奮好學。在他上學的書館裡，儘管他年齡小，可他讀書多，成績好，除了完成老師所教的功課外，還大量閱讀課外書，少年時期便很會寫文章，得到鄉里鄰人的稱讚。他還對社會生產、生活中的事物，留心觀察，勤問多思。因此他對問題的看法從小就有自己的主見，不隨聲附和。　　當時盛行遊學的風氣，這正好能滿足張衡好學的意願，於是在他17歲那年，便隻身離開家鄉，踏上了旅行求知的征程。　　張衡有宏偉的抱負，他希望自己能幹一番轟轟烈烈的大事業，所以他就抓緊青年時期寶貴的時間，不知疲倦地學習。後來他在《應閑》一文中曾說：「一個人不應擔心自己地位不高，而應該擔心自己道德是否高尚；不應當為收入菲薄而害羞，而應當為知識不廣博而恥辱。」所以張衡的學習內容不受仕途所需的局限，天文、地理、氣象、歷算等等他無所不學，其中尤其愛好文學。他的好友崔瑗說張衡：「沒有他不學的學問，沒有他不請教的老師，為一物不知以為恥，聽到有教益的話他就非常高興。」　　知識淵博的「南陽通人」　　當張衡在家讀書的時候，也就是漢安帝永初二年（公元108年），張衡的同鄉大將軍鄧騭要徵聘他當自己的幕僚。但張衡不願意去為大官僚裝璜門面，而要做一個有紮實學問的人，所以鄧騭幾次徵召，他都婉言謝絕了。他潛心研究了西漢末年大辭賦家揚雄的《太玄經》。這部書引起他極大的興趣，使他由文學創作轉到對科學、哲學的研究上來。　　《太玄經》是仿《易經》的體裁而作的，道理很深，文字難懂，學者們很少有敢於問津的。揚雄沒有想到，他死後近百年竟遇到知音。張衡如醉如痴，夜以繼日披讀「太玄」，不斷為揚雄的深刻哲理而讚歎，並埋頭注釋《太玄經》。他一字一句深究細考，體會揚雄的微言大義，還作了《玄圖》，形象地解釋玄理。現在看來，揚雄的「太玄」屬於二元論的思想體系。但他指出事物不是固定不變的，而是有發展、有變化的。這種樸素的辯證唯物思想傾向對張衡的影響很大。　　《太玄經》中還涉及到很多有關天文、歷算等方面的知識，這些知識引起了張衡極大的興趣。但這些知識在《太玄經》中講得都很簡略，這對「為一物不知以為恥」的張衡來說，是不能滿足的，從而激起了他進一步鑽研探討的慾望。自此以後，他三年苦讀，逐字逐句地琢磨《太玄經》義，直到弄懂弄通，為研究天文、歷算等自然科學問題鋪墊了理論基礎。　　與此同時，張衡還精心研究了《墨經》。《墨經》是墨子後學進一步發展墨子思想學說的重要著作，概括了墨家關於認識論、邏輯學、經濟學和自然科學的研究成果，其中包括我國最早的關於幾何學、力學和光學方面的一些知識。自從漢武帝「罷黜百家、獨尊儒術」以來，墨家經典早已湮沒無聞，仕途利祿之人絕不問津，而張衡卻能衝破儒家經典的束縛。他為了求得切實的學問，黃老、陰陽、儒、墨、道家無所不學，從中獲得了別人不可企及的豐富的知識。　　張衡對地理科學也很有研究，還曾畫過地形圖。據唐張彥遠《歷代名畫記》載，「衡嘗作地形圖，至唐猶存」。　　張衡的名氣越來越大，他不但是文學上的歌賦大家，而且還是「中世陰陽」之宗，對天文、地理、歷算、繪畫等也很精通。他幾乎無所不知，無所不曉，被眾人譽為「南陽通人」。　　太史令巧制渾天儀　　漢元初二年（公元115年），漢安帝聽說張衡在天文上有高深的造詣，就任命張衡為太史令，在九卿之一太常手下掌管「天時、星曆」。張衡接任太史令以後，立即來到坐落在洛陽平昌門南的靈台。張衡登上靈台頂端，仰觀天象，真是心曠神怡，有飄飄欲仙的感覺，他要在這裡施展出他的聰明才智。　　很快，張衡就發現，靈台的建築雖然雄偉，但觀天象的儀器卻很陳舊，年久失修，不堪應用。他決定重新修造，特別是渾天儀，這是形象地體現渾天學說的一種重要的天文儀器，更應該好好地加以修改研製。　　「渾天儀」，類似於現在的天球儀，用精銅鑄成，主體是一個球體，代表天球。球體可以繞天軸轉動。天軸和球面有兩個交點，一個是北天極，一個是南天極。在球的表面上列有28星宿和其他恆星。　　球面上還有天球赤道圈和黃道圈，二者成24°夾角，分列有24節氣。球體外面有兩圓環，一個是地平圈，一個是子午圈（通過南北天極和天頂的圓環）。天軸支架在子午圈上，和地平圈斜交成36°角，這也是渾天儀坐落處的洛陽地區的北極仰角及地理緯度。　　為了使「渾天儀」能自行運轉，張衡採用齒輪系統把渾天儀和計時用的漏壺聯繫起來，利用漏壺流水的力量推動齒輪，帶動球體運轉。通過恰當地選擇齒輪的個數和齒數，巧妙地使渾天儀一晝夜運轉一周，把天象變化形象地演示了出來，也被稱為水運渾象。　　水運渾象是世界上第一架有明確記載的用水力發動的天文儀器，其中應用的齒輪系和凸輪機構在當時可以說是相當複雜的。　　張衡還寫出了《靈憲》、《靈憲圖》、《渾天儀圖注》等天文學著作。他在《靈憲》等著作中，闡述了無限宇宙的思想，解釋了月亮反射陽光和月食發生的原因。他對2500顆恆星的觀測記錄和「周天三百六十五度又四分之一度」的計算結果，其精確程度為近、現代天文學家所稱道。　　破迷信敢知「龍王」動向　　古代巫師和方士經常製造一種隱語或預言，充當上天給人們的某種啟示，並且以此來預測吉凶。這種隱語或預言就叫做「讖」。這種「讖」有圖有文，所以又叫「圖讖」。「緯」，原來是指天象的，後來統治者就利用天上的星象變化來附會人事，預示吉凶。一些方士化的儒生用這種觀點來注釋附會儒家的各種經典，這就是「緯書」。「圖讖」和「緯書」都是神學迷信的產物，合稱為「讖緯」。　　「讖緯」之學在西漢末年逐漸流行，並於東漢時期大為興盛起來。「讖緯」神學的猖獗不但污染了儒家經典，更惡劣的是嚴重阻礙了科學的發展。具有唯物主義進步思想的張衡，奮起展開了對「讖緯」神學的鬥爭。　　張衡為批駁「圖讖」，不但詳細地研究了「讖緯」的由來和發展，而且對當時流傳的81篇「讖緯」都逐一詳加審核，所以他立言有據，駁斥切中要害。所謂「讖」，不過是古代巫覡用以占卜吉凶的符咒。他尖銳地批駁，既然「讖」可以「立言於前」，那麼，大漢推翻暴秦，王莽篡漢這樣的大事，「讖書」上為什麼不說？既然能「有證於後」，那麼，有人用「讖書」推言水災，有人因信「讖」而棄家業、入山林，為什麼都無效驗？至於當朝順帝廢而復立，「讖緯」學家們為什麼更是不談？「讖緯」的虛妄，昭然若揭。這是那些「虛偽之徒」編造出來用以「欺世罔俗，以昧勢位」的。　　東漢時期，我國中原一帶經常發生地震。當時人們對地震這種自然現象是無法理解的，只好歸之於天意，認為是上天給人們的某種暗示。如公元92年那次地震，在《後漢書·五行志》中有這樣一段記載，把地動山搖之因，歸咎於「竇太后攝政，兄竇憲專權，將以是受禍也」。其實，地震的發生與否，與外戚專權無關，但在「讖緯」迷信泛濫的時代，人們對這種說法是深信不疑的。　　收集各地的地震情況，是太史令的本職工作之一。張衡想造一架能測定地震的儀器，以便及時掌握全國各地的地震情況。當時朝廷上的一些達官貴人認為，地震是天意，想知「龍王」動向，是痴心妄想。張衡不相信這一套，認為地震是一種不受任何人旨意影響的自然現象。張衡造儀器，用人的力量來測定地震，實際上就是對「讖緯」迷信的否定。　　張衡的地動儀於陽嘉元年（公元132年）製成了，這是世界上第一架觀測和記錄地震的儀器。公元138年3月1日，地動儀準確地報告了離洛陽千里之遙的隴西（位於今甘肅省西南部）發生的大地震。他的發明在人類同地震作鬥爭的歷史上寫下了光輝的一頁。