發(fā)明
1.地動(dòng)儀
公元132年(陽嘉元年),張衡在太史令任上發(fā)明了最早的地動(dòng)儀,稱為候風(fēng)地動(dòng)儀。據(jù)《后漢書·張衡傳》記載:地動(dòng)儀用精銅鑄成,圓徑八尺,頂蓋突起,形如酒樽,用篆文山龜鳥獸的形象裝飾。中有大柱,傍行八道,安關(guān)閉發(fā)動(dòng)之機(jī)。它有八個(gè)方位,每個(gè)方位上均有一條口含銅珠的龍,在每條龍的下方都有一只蟾蜍與其對(duì)應(yīng)。任何一方如有地震發(fā)生,該方向龍口所含銅珠即落人蟾蜍口中,由此便可測出發(fā)生地震的方向。經(jīng)過試驗(yàn),與所設(shè)制,符合如神,自從有書籍記載以來,是沒有過的。曾經(jīng)一龍機(jī)發(fā),地不覺動(dòng),雒陽的學(xué)者都責(zé)怪不足信,幾天之后,送信人來了,果然在隴西地發(fā)生地震,眾人于是都服其神妙。自此之后,朝廷就令史官記載地動(dòng)發(fā)生的地方。
關(guān)于地動(dòng)儀的結(jié)構(gòu),流行的有兩個(gè)版本:王振鐸模型,即“都柱”是一個(gè)類似倒置酒瓶狀的圓柱體,控制龍口的機(jī)關(guān)在“都柱”周圍。這一種模型已被基本否定。 另一種模型由地震局馮銳提出,即“都柱”是懸垂擺(見袁宏《后漢紀(jì)》),擺下方有一個(gè)小球,球位于“米”字形滑道交匯處(即《后漢書·張衡傳》中所說的“關(guān)”),地震時(shí),“都柱”撥動(dòng)小球,小球擊發(fā)控制龍口的機(jī)關(guān),使龍口張開。另外,馮銳模型還把蟾蜍由面向樽體改為背向樽體并充當(dāng)儀器的腳。該模型經(jīng)模擬測試,結(jié)果與歷史記載吻合。
世界上地震頻繁,但真正能用儀器來觀測地震,在國外,是19世紀(jì)以后的事。候風(fēng)地動(dòng)儀是世界上的地震儀之祖。雖然它的功能尚只限于測知震中的大概方位,但它卻超越了世界科技的發(fā)展約1800年。
2.渾天儀
張衡在西漢耿壽昌發(fā)明的渾天儀的基礎(chǔ)上,根據(jù)自己的渾天說,創(chuàng)制了一個(gè)比以前都精確、全面得多的“渾天儀”。
漏水轉(zhuǎn)渾天儀是一種水運(yùn)渾象。用一個(gè)直徑四尺多的銅球,球上刻有二十八宿、中外星官以及黃赤道、南北極、二十四節(jié)氣、恒顯圈、恒隱圈等,成一渾象,再用一套轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械,把渾象和漏壺結(jié)合起來。以漏壺流水控制渾象,使它與天球同步轉(zhuǎn)動(dòng),以顯示星空的周日視運(yùn)動(dòng),如恒星的出沒和中天等。它還有一個(gè)附屬機(jī)構(gòu)即瑞輪冥菜,是一種機(jī)械日歷,由傳動(dòng)裝置和渾象相連,從每月初一起,每天生一葉片;月半后每天落一葉片。它所用的兩級(jí)漏壺是現(xiàn)今所知最早的關(guān)于兩級(jí)漏壺的記載。
張衡在創(chuàng)作了渾天儀之后曾寫過一篇文章。此文全文已佚。只是在梁代劉昭注《后漢書·律歷志》時(shí)作了大段引述而使之傳世。劉昭注中把這段文字標(biāo)題為《張衡渾儀》。稱之為“渾儀”可能是劉昭所作的一種簡化。在古代,儀器的定名并不嚴(yán)格。雖然后世將“渾儀”一詞規(guī)范為專指觀測儀器,但在隋、唐以前,“渾儀”也可用于表演儀器。
3.瑞輪莢
瑞輪莢是張衡別出心裁創(chuàng)造的自動(dòng)日歷,它模仿神話中奇樹蓂莢的特征,靠流水作用,從每月初一開始,一天出現(xiàn)一片葉子,到滿月出齊15片,然后每天再收起一片,到月末為止,循環(huán)開合。這個(gè)神話曲折地反映了堯帝時(shí)天文歷法的進(jìn)步。張衡的機(jī)械裝置就是在這個(gè)神話的啟發(fā)下發(fā)明的。聽謂“隨月盈虛,依歷開落”,其作用就相當(dāng)于現(xiàn)今鐘表中的日期顯示。
4.指南車
張衡制造的指南車?yán)脵C(jī)械原理和齒輪的傳動(dòng)作用,由一輛雙輪獨(dú)轅車組成。車箱內(nèi)用一種能自動(dòng)離合的齒輪系統(tǒng),車箱外殼上層置一木刻仙人,無論車子朝哪個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng),木人伸出的臂都指向南方。
5.計(jì)里鼓車
張衡創(chuàng)造的計(jì)里鼓車是用以計(jì)算里程的機(jī)械。據(jù)《古今注》記載:“記里車,車為二層,皆有木人,行一里下層擊鼓,行十里上層擊鐲”。記里鼓車與指南車制造方法相同,所利用的差速齒輪原理,早于西方1800多年。
6.獨(dú)飛木雕
張衡制作獨(dú)飛木雕,是模仿鳥類高空翱翔的滑翔翼型設(shè)計(jì)。
7.地形圖
張衡也研究過地理學(xué),根據(jù)他研究和考察的心得,畫過一幅地形圖。唐張彥遠(yuǎn)《歷代名畫記》卷三云:“衡嘗作地形圖,至唐猶存?!?/span>
歷法
張衡曾參加過在漢安帝延光二年(公元123年)的一次歷法大討論,據(jù)《后漢書·律歷志》記載,張衡時(shí)任尚書郎。這次大討論的起因是,有人從圖讖和災(zāi)異等迷信觀念出發(fā),非難當(dāng)時(shí)行用的較科學(xué)的東漢《四分歷》,提出應(yīng)改用合于圖讖的《甲寅元?dú)v》。又有人從漢武帝“攘夷擴(kuò)境,享國久長”出發(fā),認(rèn)為應(yīng)該倒退回去采用《太初歷》。張衡和另一位尚書郎周興對(duì)上述兩種意見提出了批駁和詰難,使這二宗錯(cuò)誤意見的提出者或者無言以對(duì),或者所答失誤,從而為阻止歷法倒退做出了貢獻(xiàn)。張衡、周興兩人在討論中還研究了多年的天文觀測記錄,把它們和各種歷法的理論推算進(jìn)行比較,提出了鑒定,認(rèn)為《九道法》最精密,建議采用。的確,《九道法》的回歸年長度和朔望月長度數(shù)值比《太初歷》和東漢《四分歷》都精密。
而且《九道法》承認(rèn)月亮運(yùn)行的速度是不均勻的,而當(dāng)時(shí)其他的歷法都還只按月亮速度均勻來計(jì)算。所以,《九道法》所推算的合朔比當(dāng)時(shí)的其他歷法更符合天文實(shí)際。只是如果按照《九道法》推算,將有可能出現(xiàn)連著3個(gè)月是30天的大月,或連著兩個(gè)29天的小月等的現(xiàn)象。而按千百年來人們所習(xí)慣的歷法安排,從來都是大、小月相連,最多過17個(gè)月左右有一次兩個(gè)大月相連,絕無3個(gè)大月相連,更無2個(gè)小月相連的現(xiàn)象。所以,《九道法》所帶來的3大月或2小月相連的現(xiàn)象對(duì)習(xí)慣守舊的人是難以接受的。這樣,張衡、周興建議采用《九道法》本是當(dāng)時(shí)最合理、最進(jìn)步的,但卻未能在這場大討論中獲得通過。這是中國歷法史上的一個(gè)損失。月行不均勻性的被采入歷法又被推遲了半個(gè)多世紀(jì),直到劉洪的《乾象歷》中才第一次得以正式采用。
《靈憲》是張衡有關(guān)天文學(xué)的一篇代表作,全面體現(xiàn)了張衡在天文學(xué)上的成就和發(fā)展。原文被《后漢書·天文志》劉昭注所征引而傳世。文中介紹的天文學(xué)要點(diǎn)如下:
張衡認(rèn)為宇宙是無限的,天體的運(yùn)行是有規(guī)律的;月光是日光的反射,月蝕起因于地遮日光,月繞地行且有升降。他認(rèn)識(shí)到太陽運(yùn)行(應(yīng)是地球公轉(zhuǎn))的某些規(guī)律,正確解釋了冬季夜長、夏季夜短和春分、秋分晝夜等時(shí)的起因。他指出在中原可以見到的星有2500個(gè),與今人所知略近。他經(jīng)過對(duì)某些天體運(yùn)轉(zhuǎn)情況的觀測,得出一周天為三百六十五度又四分度之一的結(jié)論,與近世所測地球繞日一周歷時(shí)365天5小時(shí)48分46秒的數(shù)值相差無幾。
文學(xué)
張衡是漢賦發(fā)展史具有巨大貢獻(xiàn),在他作賦的生涯中,較全面地繼承了前代賦家的賦心與表現(xiàn)手法。大賦則遠(yuǎn)紹司馬相如《子虛》,近取班固《兩都》而有《二京賦》;騷賦則上追屈原《離騷》、下蹤班固《幽通》作《思玄賦》;七體則步枚乘《七發(fā)》、傅毅《七激》作《七辯》;文賦則依東方朔的《答客難》、班固的《答賓戲》作《應(yīng)間》。其他還有受揚(yáng)雄《蜀都賦》啟發(fā)作《南都賦》;效傅毅《舞賦》而再作《舞賦》等。以上所舉,雖皆屬模擬,成就又有高下之分,但也都確實(shí)不同程度地顯現(xiàn)出了藝術(shù)上的創(chuàng)意。更突出的還在于張衡能融匯貫通,極富創(chuàng)造性地以《歸田賦》,實(shí)現(xiàn)了漢賦主體從鋪采摛文、閎衍巨侈、重體物而淹情志,向清新爽麗、短小精練、情境相生的轉(zhuǎn)變,而掀開了抒情小賦的創(chuàng)作時(shí)代,為述志賦注入巨大活力。張衡的大多數(shù)作品都表現(xiàn)出對(duì)現(xiàn)實(shí)的否定與批評(píng),他探討人生玄妙哲理,也探尋合于自己理想與性格的生活空間。張衡賦的代表作歷來公認(rèn)為是《二京賦》、《思玄賦》和《歸田賦》。
《文心雕龍》稱“自揚(yáng)(揚(yáng)雄)馬(司馬相如)張(張衡)蔡(蔡邕),崇盛麗辭,如宋畫吳冶,刻形鏤法,麗句與深采并流,偶意共逸韻俱發(fā)?!庇址Q“張衡通贍,蔡邕精雅,文史彬彬,隔世相望。是則竹柏異心而同貞,金玉殊質(zhì)而皆寶也?!?/span>
張衡曾著有《周官訓(xùn)詁》,崔瑗認(rèn)為與其他儒生的說解沒有區(qū)別。他又想繼孔子《易》補(bǔ)正《彖》、《象》的殘缺,始終沒有完成。他所著詩、賦、銘、七言及《靈憲》、《應(yīng)間》、《七辯》、《巡誥》、《懸圖》(一作《玄圖》)等作品,共三十二篇。
《漢詩》輯錄有其詩歌九篇?!端鍟そ?jīng)籍志》有《張衡集》14卷,久佚。明人張溥編有《張河間集》,收入《漢魏六朝百三家集》?!度鬂h文》卷52—55輯錄有其詩賦奏疏。 上海古籍出版社出版有今人張震澤注《張衡詩文集校注》。
史學(xué)
漢安帝永初(107年—113年)年間,謁者仆射劉珍、校書郎劉騊駼等人在東觀撰集《漢記》,因而考定漢家禮儀,上疏請(qǐng)求讓張衡參加討論,適逢二人逝世,張衡平時(shí)嘆息,想完成這件事。等到他任侍中時(shí),上疏請(qǐng)?jiān)跂|觀專門收檢遺文,全力補(bǔ)綴。又條上司馬遷、班固所記與典籍不合的十多件事。還認(rèn)為王莽本傳,只應(yīng)記載篡奪皇位而已,至于編年月,記災(zāi)祥,應(yīng)改稱為《元后本紀(jì)》。認(rèn)為更始帝居位,人民沒有什么異議。光武帝最初是更始帝的將領(lǐng),后來才即位,應(yīng)該把更始年號(hào)建在光武之前。上書數(shù)次,都沒被采納。后來的著述,多未詳見于典籍,時(shí)人感到遺憾。
劉勰在《文心雕龍》中對(duì)此曾評(píng)價(jià)說:“張衡司史,而惑同遷固,元平二后,欲為立紀(jì),謬亦甚矣。尋子弘雖偽,要當(dāng)孝惠之嗣;孺子誠微,實(shí)繼平帝之體;二子可紀(jì),何有于二后哉?”
思想
東漢讖緯之學(xué)風(fēng)行于世,自東漢建國后,儒生爭學(xué)圖緯,更附以妖言。張衡認(rèn)為圖緯虛妄,不是圣人之法。于是上疏認(rèn)為“國讖虛妄,非圣人之法?!辈⒄J(rèn)為“此皆欺世罔俗……宜收藏國讖。一禁絕之?!?翦伯贊在《中國史綱要》中稱張衡為“反讖緯的思想家。”
機(jī)械
張衡掌握高明的機(jī)械技術(shù),據(jù)傳他當(dāng)時(shí)還制做過兩件神奇的器物。一件是有三個(gè)輪子的機(jī)械,可以自轉(zhuǎn);一件是一只木雕,能在天上飛翔。
關(guān)于木雕,《墨子· 魯問》就有記載:“公輸子削竹木以為鵲。成而飛之,三日不下?!薄读凶印珕枴泛汀俄n非子·外儲(chǔ)說》都記載說,墨子本人也造過能飛的木鳶。這些木鵲或木鳶大概是一種鳥狀的風(fēng)箏。不可能是其他裝有動(dòng)力機(jī)的、如今日飛機(jī)之類的飛行器。因?yàn)楫?dāng)時(shí)還不可能有連續(xù)運(yùn)行一日乃至三日之久的動(dòng)力機(jī)。張衡的木雕,大概也是一種風(fēng)箏。不過,北宋類書《太平御覽·工藝部九》引《文士傳》中一段記載說:“張衡嘗作木鳥,假以羽翮,腹中施機(jī),能飛數(shù)里。”這里說到“腹中施機(jī)”,而且“能飛數(shù)里”,因此,過去有的作者認(rèn)為是一種飛機(jī)類的飛行器。但裝在飛行器上的動(dòng)力機(jī)必須重量足夠輕而馬力足夠大,并且還要求飛行器本身具有一定的適宜起飛上升的形狀等等,這些條件在張衡時(shí)代沒有一條是能做得到的。所以,張衡的木雕即使真的“腹中施機(jī)”,那么,這種機(jī)也不會(huì)是動(dòng)力機(jī),而是一種裝在風(fēng)箏上用線控制飛行的操縱機(jī)構(gòu)。
關(guān)于三個(gè)輪子可以自轉(zhuǎn)的機(jī)械,古來就有不同意見。南宋學(xué)者王應(yīng)麟認(rèn)為是一種記里鼓車。這種車?yán)靡唤M齒輪系把大車轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)車軸的運(yùn)動(dòng)傳遞到一個(gè)木人的手臂上,使它過一里路時(shí)敲一下鼓。這個(gè)設(shè)想看來不大符合“三輪可使自轉(zhuǎn)”的意思。敲鼓的動(dòng)作一般是不當(dāng)作轉(zhuǎn)動(dòng)看的。另一種意見則認(rèn)為是一種指南車。清代王先謙《后漢書集解·張衡傳》中引《宋書 ·禮志》:“指南車,其始周公作,張衡始復(fù)創(chuàng)造”(按:這是《宋書·禮志》的摘引,實(shí)非原文)。因此,指南車的形象更符合于“自轉(zhuǎn)”的用詞,因?yàn)椴还芟旅孑喿釉趺崔D(zhuǎn),車上的人只見到指南車木人的手指在自動(dòng)地轉(zhuǎn)向南方。
總之,張衡在機(jī)械技術(shù)方面非常高明。《太平御覽· 工藝部九》引晉代葛洪《抱樸子》:“木圣:張衡、馬鈞是也?!备咚茖O的《緯略》也說“張衡、馬忠號(hào)‘木圣’。”
數(shù)學(xué)
《后漢書》提到,張衡曾寫過一部《算罔論》。此書遲到唐代已經(jīng)失傳,以至唐代的章懷太子李賢懷疑張衡沒寫過這部書,而是因?yàn)椤鹅`憲》是網(wǎng)絡(luò)天地而算之,故稱《靈憲算罔論》。從《九章算術(shù)·少廣》章第二十四題的劉徽注文中得知有所謂“張衡算”,因此,張衡寫過一部數(shù)學(xué)著作是應(yīng)該肯定的。從劉徽的這篇注文中可以知道,張衡給立方體定名為質(zhì),給球體定名為渾。他研究過球的外切立方體積和內(nèi)接立方體積,研究過球的體積,其中還定圓周率值為10的開方,這個(gè)值比較粗略,但卻是中國第一個(gè)理論求得π的值。另外,如果按照錢寶琮對(duì)《靈憲》的??保骸埃ㄈ赵拢┢鋸疆?dāng)天周七百三十分之一,地廣二百三十二分之一”,則當(dāng)時(shí)π值等于730/232=3.1466,較10的開方有精密了。但錢寶琮所作的校勘似乎未必都符合張衡的原來數(shù)字。
繪畫
張衡認(rèn)為畫家喜歡一些非現(xiàn)實(shí)的東西,因?yàn)榭梢越璐颂摌?gòu)和想象,他在漢順帝陽嘉年間一篇上疏中就說:“譬猶畫工,惡圖犬馬而好作鬼魅,誠以事實(shí)難形,而虛偽不窮也?!?張衡的繪畫作品今不存,唐張彥遠(yuǎn)《歷代名畫記》稱他”高才過人,性巧,明天象,善畫?!坝钟浻校骸皬埡庾鳌兜匦螆D》,至唐猶存。”