张衡,东汉建初三年(公元78年)生,永和四年(公元139年)卒。字平子,南阳西鄂(今河南南阳市石桥镇)人。出生在一个破落的官僚家庭,祖父张堪是地方官吏,曾任蜀郡太守和渔阳太守。张衡幼年时候,家境已经衰落。
《后汉书》记载:“衡少善属文,游于三辅,因入京师,观太学,遂通五经,贯六艺。虽才高于世,而无骄尚之情。常从容淡静,不好交接俗人。”看来张衡从小就好学聪慧,谦虚克己。又记载:“……善机巧,尤致思于天文阴阳历算。安帝雅闻衡善术学,公交车特征拜郎中,再迁为太史令。遂乃研核阴阳,妙尽璇机之正,作浑天仪,着《灵宪》、《算罔论》,言甚详明。”张衡对天文阴阳历法尤为精通,汉安帝封拜为郎中,后又为太史令,以后曾调任他职,但5年后复为太史令。总计前后任此职达14年之久,张衡许多重大的科学研究工作都是在这一阶段里完成的。专研阴阳历法学,首先制造出闻名世界的“浑天仪”。阳嘉元年(汉顺帝刘保的第二个年号,公元132年),其又铸造了“候风地动仪”。《后汉书》记载:“以精铜铸成,员径八尺,合盖隆起,形似酒尊,饰以篆文山龟鸟兽之形。中有都柱,傍行八道,施关发机。外有八龙,首衔铜丸,下有蟾蜍,张口承之。其牙机巧制,皆隐在尊中,覆盖周密无际。如有地动,尊则振龙,机发吐丸,而蟾蜍衔之。振声激扬,伺者因此觉知。虽一龙发机,而七首不动,寻其方面,乃知震之所在。验之以事,合契若神。”并记载有真实案例:“尝一龙机发而地不觉动,京师学者咸怪其无征。后数日驿至,果地震陇西,于是皆服其妙。自此以后,乃令史官记地动所从方起。”
“初,光武善谶,及显宗、肃宗因祖述焉。自中兴之后,儒者争学图纬,兼复附以妖言。衡以图纬虚妄,非圣人之法,乃上疏。……后迁侍中,帝引在帷幄,讽议左右。尝问衡天下所疾恶者。宦官惧其毁己,皆共目之,衡乃诡对而出。阉竖恐终为其患,遂共谗之。”“永和初,出为河间相。……视事三年,上书乞骸骨,征拜尚书。年六十二,永和四年卒。”据考据,上文大概意思是元初元年(公元114年)迁尚书郎。次年,迁太史令。以后曾调任他职,但5年后复为太史令。总计前后任此职达14年之久,张衡许多重大的科学研究工作都是在这一阶段里完成的。顺帝阳嘉二年(公元133年)升为侍中。但不久受到宦官排挤中伤,于永和元年(公元136年)调到京外,任河间王刘政的相。刘政是个骄横奢侈、不守中央法典的人,地方许多豪强与他共为不法。张衡到任后严整法纪,打击豪强,使得上下肃然。3年后,他向顺帝上表请求退休,但朝廷却征拜他为尚书。此事颇有蹊跷,因尚书的官职远低于侍中或相,他是否应征,史载不彰。就在这一年(永和四年,即公元139年)他即告逝世。他曾针对谶纬风行于世的现实,勇敢地给东汉皇帝上疏,认为“国谶虚妄,非圣人之法。”并说:“……此皆欺世罔俗……宜收藏国谶。一禁绝之。”
张衡是一位具有多方面才能的科学家。他的成就涉及到天文学、地震学、机械技术、数学乃至文学艺术等许多领域。候风地动仪的发明就是他地震学的代表作。据《后汉书&S226;五行志》记载,自和帝永元四年(公元92年)到安帝延光四年(公元125年)的三十多年间,共发生了二十六次大的地震。地震区有时大到几十个郡,引起地裂山崩、江河泛滥、房屋倒塌,造成了巨大的损失。张衡对地震有不少亲身体验,发明了候风地动仪。不过,现在中国所见到的地动仪,并不是张衡发明的地动仪,而是后人复原的。张衡发明的地动仪早就毁于战火了。到了20世纪50年代,王振铎先生“复原”了张衡地动仪,并且被认为是科学的,甚至广泛的被纳入小学生课本。不过,王振铎复原的地动仪多次在公开场合大出洋像,它要么不能动,要么就是跺脚也会被当成地震,可是人们却误信王振铎的复原就是张衡原本的发明, 国内外学者也因此早就开始不停的否定它。其中不乏言辞激烈者,这给张衡甚至整个中国古代科技的名誉带来很大的负面影响。现今证明,不是张衡的地动仪有错,而是王振铎先生的复原有原理性错误。不过,王振铎在地动仪外型上的复原,还是卓有建树的,这点应该肯定。
据学者们考证,张衡在当时已经利用了力学上的惯性原理,“都柱”实际上起到的正是惯性摆的作用。同时张衡对地震波的传播和方向性也一定有所了解,这些成就在当时来说是十分了不起的,而欧洲直到1880年,才制成与此类似的仪器,比起张衡的发明足足晚了一千七百多年。关于地动仪的结构,目前流行的有两个版本:王振铎模型(1951年),即“都柱”是一个类似倒置酒瓶状的圆柱体,控制龙口的机关在“都柱”周围。这一种模型最近已被基本否定。另一种模型由地震局冯锐(2005年)提出,即“都柱”是悬垂摆,摆下方有一个小球,球位于“米”字形滑道交汇处,即《后汉书-张衡传》中所说的“关”,地震时“都柱”拨动小球,小球击发控制龙口的机关,使龙口张开。另外,冯锐模型还把蛤蟆由面向樽体改为背向樽体并充当仪器的脚。该模型经模拟测试,结果与历史记载吻合。
2008年8月5日受国家“张衡地动仪科学复原”课题组委托,山西夏县宇达青铜文化产业园宇达集团成功铸造完成“张衡地动仪”。其造型设计由清华大学美术学院雕塑系王培波教授等完成,新模型用优质青铜精心铸造,将在新落成的中国科技馆展出。
参考文献:
1、《后汉书》————南北朝-范晔
2、《王振铎1951年制作的张衡地动仪复原模型的缪误极其改版》——冯锐
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