張衡發明地動儀
張衡是東漢著名的文學家和科學家。他少年時學習刻苦,喜好寫文章。他時感光陰流逝之快,夜以繼日地讀書,希望自己能成為對社會有所貢獻的人。他曾到長安、洛陽拜師求學,增長見識,后來又到太學深造。
由于不斷地學習,獲得了淵博的知識。他通曉五經,尤精于天文、歷算。他對自然界的奧秘有著濃厚的興趣,而無意于通往富貴的仕途。朝廷屢次征召任職,他都沒有接受。
漢安帝時,特地下詔召他到朝廷任職,他想借此多閱覽一些先代有關天文、歷算等方面的典籍,便于日后的研究,便接受了漢安帝的召見,被任命為郎中,后來,兩度任太史令,掌管天象觀測。
這期間,他對天文、歷算的研究和探索更加深入了。在總結前人經驗和自己研究試驗的基礎上,搞了大量的重要發明,撰寫了很多飽含科學思維和創造智慧的著作。
漢代論天有蓋天、渾天和宣夜三家,張衡是渾天說的代表人物。他在所著的《渾天儀圖注》中指出“渾天如雞子,天體圓如彈丸,地如雞子中黃。天地各乘氣而立,載水而浮”。
他還指出天體每日繞地轉一周,總是半見于地平之上,半隱于地干之下,等等。這里張衡明確指出大地是個圓球,形象地說明了天與地的關系。
張衡在他的另一部著作《靈憲》中指出,渾圓的天體并不是宇宙的邊界,“宇之表無極,宙之端無窮”,從而表達了宇宙無限的概念。
張衡的渾天說雖然是一種以地球為中心的宇宙理論,但在當時的歷史條件下,在濃重的天圓地方學說的氛圍下,它能夠比較近似科學地說明天體的運行,對后世產生了很大的影響。
張衡不僅倡導渾天說,而且還在西漢天文學家落下閎、耿壽昌等人創造渾天儀的基礎上,設計制造了一種用于演繹渾天思想的新的儀器——水運渾象儀,這對渾天說能得到社會的廣泛承認,起了重要作用。
張衡所制的渾天儀是以一個直徑為5尺的空心銅球表示天球,上畫28宿,中外星宮及互成24度交角的黃、赤道等。緊附在球外的有地平圈和子午圈,天球半露于地平圈之上,半隱于地平圈之下,天軸則支架在子午圈上,天球可以繞天軸轉動。
水運渾象儀形象地表達了渾天思想,并解釋了若干天文現象。張衡還利用當時已得到發展的機械方面的技術,巧妙地把計量時間用的漏壺與渾象聯系起來,即以漏水為原動力,并利用漏壺的等時性,通過齒輪系的轉動,使渾象每日均勻地繞軸旋轉一周,這樣渾象也就自動地、近似正確地把天象演示出來。
張衡的這項創造是唐宋時代得到進一步改進的水運渾象儀的先聲,在天文儀器史上占有重要地位。
張衡擔任太史令先后達14年之久,所以他在天文學方面的貢獻最為突出。在《靈憲》中,他系統地總結了前人關于宇宙生成及演化的思想。除了沿用道家的有生于無的客觀唯心主義觀點外,張衡還采用了當時得到發展的元氣說,比較完整系統地描述了天地萬物生成、變化、發展的過程,對后世產生了深遠的影響。
張衡還提出了五星視運動的重要理論。他用“近天則遲,遠天則速”的理論,解釋五星運行或快或慢的現象。這表明張衡或許已經認識到五大行星和地球的距離有遠有近,而且就同一行星而言,其運動的軌道也時而接近地球,時而遠離地球。這又是五星運動快慢與地球距離的定性關系的早期描述。
張衡對月食的成因也有初步的認識,他認為月食是由于地球的影子——“暗虛”遮掩了月亮而引起的。此外,他還測得日、月的視直徑為365.25730度,同今測值相近。這些論見說明張衡在天文學方面的造詣很深。
在張衡生活的那個時代,較大的地震屢屢,地震成了他十分關切的研究課題,基于對地震及其方向性的認識,特別是從當時建筑中有一種所謂都柱的啟示,張衡于公元132年首創了世界上第一架地震儀,即“地動儀”。
“地動儀以精銅制成,圓徑八尺,合蓋隆起,形似酒樽”,里面有精巧的結構,主要是中間的“都柱”和它周圍的“八道”。尊外面相應地設置了八條口含小銅珠的龍,每個龍頭下面都有一只蟾蜍張口向上。
一旦發生較強的地震,“都柱”就因震蕩失去平衡而觸動“八道”中的一道,使相應的龍口張開,小鋼珠就落入蟾蜍口中,觀者便可知道地震發生的時間和方位。
公元138年的一天,地震儀西面的一個龍嘴吐出了銅珠,張衡便斷定發生了地震。當時有很多人持懷疑態度,有的甚至認為張衡故弄玄虛,嘩眾取寵。結果,不久甘肅來人報告說那里地震了。
張衡是個多才多藝的人,他的貢獻是多方面的。他研究過地理學,曾繪制了一幅地形圖,流傳了好幾百年;在數學方面,他對圓周率作過研究,取用過π=√10=3.162值;他也是當時有名的文學家,有不少文學著作,其中以《二京賦》《東都賦》最為有名,在東漢的文學史上有一定的地位;他還是個畫家,曾被列入東漢六大名畫家之一。
張衡是那個時代產生的著名科學家,他能夠做出如此豐富而偉大的貢獻,有其內在的因素。他博學多識,而且虛懷若谷,“雖才高于世而無驕尚之情”。
他不以俸祿少為恥辱,而恥于知識不博,他抱定“約己博藝,無堅不鉆”的決心,腳踏實地地進行工作,不為外界的冷嘲熱諷所動搖,不為眾目仰視而昏蔽,一直在執著地走自己的路。
他說過“如果走邪路,即使是捷徑,我也不忍心投足”,表明了他實事求是的科學態度。他曾建議“把天下的讖緯之書收集起來,一下子就禁絕”,反映了他反對讖緯神學的勇敢戰斗精神。
所有這些,都是張衡之所以能攀登上那個時代科學高峰的內在因素。而這些內在因素中尤其重要的是他那剛毅的性格和堅韌不拔的求索精神。
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