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张衡数星星的故事

归档日期:10-20       文本归类:发明之后      文章编辑:爱尚语录

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  展开全部张衡(78-139),字平子,南阳西鄂(今河南南阳县石桥镇)人。他是我国东汉时期伟大的天文学家,为我国天文学的发展作出了不可磨灭的贡献;在数学、地理、绘画和文学等方面,张衡也表现出了非凡的才能和广博的学识。

  张衡是东汉中期浑天说的代表人物之一;他指出月球本身并不发光,月光其实是日光的反射;他还正确地解释了月食的成因,并且认识到宇宙的无限性和行星运动的快慢与距离地球远近的关系。

  张衡观测记录了两千五百颗恒星,创制了世界上第一架能比较准确地表演天象的漏水转浑天仪,第一架测试地震的仪器——候风地动仪,还制造出了指南车、自动记里鼓车、飞行数里的木鸟等等。

  张衡共著有科学、哲学、和文学著作三十二篇,其中天文著作有《灵宪》和《灵宪图》等。

  为了纪念张衡的功绩,人们将月球背面的一环形山命名为“张衡环形山”,将小行星1802命名为“张衡小行星”。

  20世纪中国著名文学家、历史学家郭沫若对张衡的评价是:“如此全面发展之人物,在世界史中亦所罕见,万祀千龄,令人景仰。”

  后世称张衡为木圣(科圣)。张衡字平子。南阳郡西鄂县(今河南南阳)人。东汉建初三年(公元78年)生;永和四年(公元139年)卒。天文学、机械技术、地震学。

  张衡出身于名门望族。其祖父张堪自小志高力行,被人称为圣童,曾把家传余财数百万让给他的侄子。光武帝登基后张堪受荐拜官。曾被任为蜀郡太守随大司马吴汉讨伐割据蜀郡的公孙述,立有大功。其后又领兵抗击匈奴有功,拜为渔阳(今北京附近)太守。曾以数千骑兵击破匈奴来犯的一万骑兵。此后在他的任期内匈奴再也没有敢来侵扰。他又教人民耕种,开稻田八千顷,人民由此致富。所以,有民谣歌颂他说:“张君为政,乐不可支。”张堪为官清廉。伐蜀时他是首先攻入成都的,但他对公孙述留下的堆积如山的珍宝毫无所取。蜀郡号称天府,但张堪在奉调离蜀郡太守任时乘的是一辆破车,携带的只有一卷布被囊。

  张衡像他的祖父一样,自小刻苦向学,很有文采。16岁以后曾离开家乡到外地游学。他先到了当时的学术文化中心三辅(今陕西西安一带)。这一地区壮丽的山河和宏伟的秦汉古都遗址给他提供了丰富的文学创作素材。以后又到了东汉首都洛阳。在那儿,他进过当时的最高学府——太学,结识了一位青年学者崔瑗,与他结为挚友。崔瑗是当时的经学家、天文学家贾逵的学生,也精通天文、历法、数学等学问。和帝永元十二年(公元100年)张衡应南阳太守鲍德之请,作了他的主簿,掌管文书工作。8年后鲍德调任京师,张衡即辞官居家。在南阳期间他致力于探讨天文、阴阳、历算等学问,并反复研究西汉扬雄著的《太玄经》。他在这些方面的名声引起了汉安帝的注意。永初五年(公元111年)张衡被征召进京,拜为郎中。

  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,因尚书的官秩远低于侍中或相,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。

  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。

  张衡在天文学方面有两项最重要的工作——著《灵宪》,作浑天仪。此外,在历法方面也有所研究。

  《灵宪》是张衡有关天文学的一篇代表作,全面体现了张衡在天文学上的成就和发展。原文被《后汉书·天文志》刘昭注所征引而传世。文中介绍的天文学

  (1)宇宙的起源。《灵宪》认为,宇宙最初是一派无形无色的阴的精气,幽清寂寞。这是一个很长的阶段,称为“溟滓”。这一阶段乃是道之根。从道根产生道干,气也有了颜色。但是,“浑沌不分”,看不出任何形状,也量不出它的运动速度。这种气叫做“太素”。这又是个很长的阶段,称为“庞鸿”。有了道干以后,开始产生物体。这时,“元气剖判,刚柔始分,清浊异位,天成于外,地定于内”。天地配合,产生万物。这一阶段叫做“太玄”,也就是道之实。《灵宪》把宇宙演化三阶段称之为道根、道干、道实。在解释有浑沌不分的太素气时引了《道德经》里的话:“有物混成,先天地生。”这些都说明了《灵宪》的宇宙起源思想,其渊源是老子的道家哲学。《灵宪》的宇宙起源学说和《淮南子天文训》的思想十分相像,不过《淮南子》认为在气分清浊之后“清阳者薄靡而为天,重浊者凝滞而为地”。天上地下,这是盖天说。而《灵宪》主张清气所成的天在外,浊气所成的地在内,这是浑天说。

  总之,张衡继承和发展了中国古代的思想传统认为宇宙并非生来就是如此,而是有个产生和演化的过程。张衡所代表的思想传统与西方古代认为宇宙结构亘古不变的思想传统大异其趣,却和现代宇宙演化学说的精神有所相通。

  (2)关于宇宙的无限性。战国时代的《尸子》定义说,“上下四方曰宇,往古来今曰宙”。宇就是空间,宙就是时间。中国的传统思想是把空间和时间联系在一起的。这一点也和西方古代把二者看成是两个互相割裂的概念大不相同。但是,中国和西方一样,在二者是有限还是无限的问题上历来也有争论。《庄子》一书中就有宇宙在空间和时间上都是无限的说法。而西汉末年的扬雄却认为“阖天为宇,辟宇为宙”,在空间上是有限的,在时间上是有起点的。张衡虽然长期研究扬雄的《太玄经》,并受到扬雄较深的影响,但在宇宙的无限性上却不愿遵循扬雄。《灵宪》认为人目所见的天地是大小有限的,但是,超出这个范围,人们就“未之或知也。未之或知者,宇宙之谓也。宇之表无极,宙之端无穷”。宇宙在空间上没有边界,在时间上没有起点。扬雄的思想和目前天文学界最负盛名的大爆炸宇宙学说在终极本质上是相通的。而张衡的结论却和当代的辩证唯物主义哲学相合。看来,宇宙有限无限的问题还得长期争论下去。

  (3)关于天地的结构。《灵宪》把天描述成是恒星所在的地方,它是一个偏心率极小的椭球:“八极之维,径二亿三万二千三百里。南北则短减千里,东西则增广千里。通而度之,则是浑已。”天上有一个北极,枢星正好在这个位置上。日、月、五星都绕它旋转。天还有个南极,是在地底下,人不可见。人目所见的地表面是平的,正在天的中央,“自地至天,半于八极;则地之深亦如之”。可见,张衡心目中的地是个半球。在地面上来说,如以8尺高的表在同一天正午测量日影长度,则南北相距千里的两个地点所量得的表影长度相差1寸。

  为什么把天地要设想成是个椭球结构?我们已无法了解,或许,一种可能是囿于传统。早在《吕氏春秋有始览》中就提到:“凡四海之内,东西二万八千里,南北二万六千里”,东西比南北长了二千里。《淮南子坠形训》中也引了这两个数值。可见古人大概相当相信天、地的东西要比南北来得长。

  地平说和“表影千里差1寸”的理论,过去人们曾以为是盖天说的内容。但若据此即认为《灵宪》的天地结构模形是盖天说,那就不当了。浑天模型和盖天模型最主要的不同在于:浑天的天是球状的,天可以转到地下去。天不仅有出于地上的北极,还有隐于地下的南极。盖天的天则或像一个盖子笼罩着平地(近人称之为第一次盖天说),或者和地构成二片平行的曲面(近人称之为第二次盖天说)。总之,天永远在地之上。天只有北极而不可能有南极。因此,从对天的结构认识来看,《灵宪》只能划入浑天说而不能视之为盖天说。关于地的问题,必须指出,历史上的浑盖之争,主要在于天而不在于地。直到唐代一行彻底否定了日影千里差1寸的旧说之前,水平大地的观念还一直存在于浑天说中。就是在一行之后,直到西方天文学传入之前,我国仍然未能建立起明确的球形大地的数理模型。反倒是《灵宪》中的那种“天圆地平”说仍然占有重要地位。

  (4)关于日、月的角直径。《灵宪》记载,日、月角直径为整个天周的“七百三十六分之一”。化成现代通用角度单位即为29′21〃,[根据钱宝琮的研究,认为《灵宪》的“(日、月)其径当天周七百三十六分之一,地广二百四十二分之一”当校改为“(日、月)其径当天周七百三十分之一,地广二百三十二分之一”。如此则日、月的角直径当为 29′35.3〃]。这和近代天文测量所得的日和月的平均角直径值31′59〃和31′5〃相比,误差都只有2′左右。以二千年前的观测条件而论,张衡测值可谓精确。

  在张衡之前的《周髀算经》中也介绍过一个观测:用一根8尺高的竿子垂直立于地面,每当太阳过子午线时量竿影长度。当影长正为6尺时,用一根8尺长、孔径1寸的竹管观看太阳。《周髀算经》认为此时太阳视圆面正好充满竹管。由此,《周髀算经》按照“千里差1寸”的比例关系,求得此时太阳距人目为10万里,进而求得太阳的线寸”等基本出发点都是错误的,因而《周髀算经》所得极为荒谬(太阳的线万公里)。就观测本身而论,《周髀算经》的结果也是相当粗疏的。按竹管长8尺,孔径1寸计算,太阳角直径为42′58〃。误差比《灵宪》所载大多了。

  (5)关于月食原因。在张衡之前,人们已对日食的原因有所认识。西汉的刘向就说过:“日蚀者,月往蔽之”(见《开元占经》卷九所引)。东汉王充在《论衡说日篇》中引述过别人的一种更明确的说法:“或说,日食者月掩之也。日在上,月在下,障于日之形也。”而对于月食原因,则在张衡之前尚无明晰的解释。大概正是针对这种状况,张衡在《灵宪》中就未及日食原因,而是专门论述了月食的原因:“月,光生于日之所照;魄生于日之所蔽。当日则光盈,就日则光尽也。众星被耀,因水转光。当日之冲,光常不合者,蔽于地也,是谓■虚。在星星微,月过则食。”

  这段话中说到,月亮本身是不发光的,太阳光照到月亮上才产生光月。月亮之所以出现有亏缺的部分,就是因为这一部分照不到日光。所以,当月和日正相对时,就出现满月。当月向日靠近时,月亮亏缺就越来越大,终至完全不见。这样一种月相理论,在《周髀算经》中已有大概:“日兆(按:通照)月,月光乃生,故成明月。”西汉京房说得更为明确:“先师以为日似弹丸,月似镜体;或以为月亦似弹丸,日照处则明,不照处则暗”(《开元占经》卷一引)。张衡的月相理论和他们没有本质的差别,所突出的是张衡强调了月相与日、月相对位置的关系。但这样一来人们自然要问,既然“当日则光盈”,那么何以有时候当日时会有月食呢?对此,张衡回答说:“蔽于地也”,即大地挡住了日光,使日光照不到月亮上去了。张衡把这块大地所产生的影子起个名字叫“■虚”。月亮进入■虚时就发生月食。《灵宪》对月食原因的阐述是很科学的。

  不过,再仔细思考一下■虚,人们又会提出问题。按照《灵宪》所说的天地结构,地是其下部与天球相密合的半椭球。那么:(i)要使日、月能没入地平且能在地下运动,日、月就只能是两个无厚的圆面,这就和上面说的月相理论相矛盾。(ii)太阳没入地平后光线就会被地半球完全挡住,无论什么时候也不会投射上月亮。这样,晚上的月亮应该总是看不见的,这也就根本谈不上月食的问题了。要解释这两个矛盾,只能认为《灵宪》中的地有二层不同的含义。第一层含义是相对天来说的地,那是个半椭球。第二层含义是相对日、月来说的,那是孤悬在天球中央的一个较小的固体物。或者,可以把这二层含义统一起来说:孤悬在天内的是一片陆地,此外的地则全是水,故能与天球下半相密合。这样理解之下,则日、月仍可是个圆球;而日到水下之后日光仍能穿透水而照射到月亮上,只有那块相对较小的陆地才能产生一块■虚。当然,在这样推测的时候还得再补充一点,即应该认为在张衡看来,水是一种透明度较高的物质,所以深入地下之后的日光仍能穿透厚厚的水层而射到月亮,产生皓然明月。

  (6)关于五星的运动。《灵宪》中提出了4点极有价值的见解。第一,日、月、五星并非是在天球球壳上,它们是在天地之间运行,距地的远近各有不同。第二,这7个天体的运动速度也不同,离地近的速度快,离地远的速度就慢。第三,《灵宪》用天的力量来说明行星之所以有留、逆、迟、速等运动变化现象(“天道者贵顺也。近天则迟,远天则速。行则屈,屈则留回,留回则逆,逆则迟,迫于天也”)。第四,按照五星离地远近及其运行的快慢,可以将它们分成两类。一类附于月,属阴,包括水星和金星。另一类附于日,属阳,包括火星、木星和土星。

  《灵宪》上述这4点都很有意思。其中第一点可以说基本上是正确的,虽然实际情况要比这种概括复杂得多。第二点则与古希腊人的思想完全相合。而在中国,则在张衡之前还没有人提起过,并且在他之后也未对此点给予重视,这就使中国古代数理天文学的发展受到很大的局限。第三点虽然说得非常含混难解,而且完全不正确,但它却显然是在寻求说明行星运动之所以有顺逆迟速的力学原因。这种努力的本身值得在整个天文学史上大书一笔。1500多年之后,王锡阐在《五星行度解》里提到了类似的思想,并进一步提出了天对日、月、五星有一种类似磁石吸针的力量。王锡阐的思想的力学性就更明确了。虽然张衡、王锡阐的思想都并不正确,但是行星和它们的卫星(月亮是地球的卫星,地球是一颗行星)的运动,的确都是受到万有引力定律所支配的。因此,追究这些天体运动中的力学原因无疑是一个正确的方向。在西方,对于这种力学原因的探讨在张衡之后的1000多年里仍然是没有的。许多伟大的希腊天文学家都只有对日、月、五星的运动作精细的运动学描述,而从未想到过解释其力学原因。力学原因的探讨要直到16世纪科学革命开始之后才被提出来。第四点也很有意思。《灵宪》的行星分类正好是太阳系中内行星与外行星的分类。当然,现在我们知道,所有的行星,包括地球,都是绕太阳转的,而月亮则是绕地球转的。所以,“附于月”的说法当然是错误的。之所以会有这样的错误,是因为张衡和其他古人一样,把月亮作为阴的代表。不过,从金、水两内行星的运动来说,人目所见的鲜有和外行星有截然不同的地方。那就是,外行星只能从晨出于东方开始一个会合周期。而内行星则在一个会合周期不但可以晨出于东方,而且还可以像月亮一样,昏出于西方。正是由于这种昏出于西方的相似性,《灵宪》才提出“附于月”的说法。

  (7)关于星官。满天繁星,古人将它们组合成一个个星组,以便于对它们进行辨认和观测。这些星组少则一星,多则数十星。这样的星组古人称之为星官。由于各个天文学家的取舍、组合方法并不都相同,因此形成了许多家不同的星官体系。直到张衡时代,流传于世的星官体系有以《史记天官书》为代表的体系,有石氏、甘氏、黄帝以及“海人之占”等等的体系。对这些各有特色的体系,张衡作了一番比较、整理和汇总的工作,发展出了一整套收罗恒星最多的新体系。《灵宪》记载,其中“中外之官常明者百有二十四,可名者三百二十,为星二千五百,而海人之占未存焉”。张衡的这一星官体系整理工作比(三国吴)天文学家陈卓总结甘、石、巫咸三家星官的时代要早100多年,而且所包括的星官、星数比陈卓要多得多(陈卓所总结的有283官1464星),成就当然要比陈卓大。可惜张衡星官体系已经失传,这是我国恒星观测史上的重大损失。

  与恒星星官有关的一个问题是,《灵宪》中提出了星空里还存在一种“微星”即很暗弱的星,其数有11520颗。这个数字并非严格得自实测,而是来自《易经》中神秘的“万物之数”。数字当然是不正确的。但张衡认为有微星存在,且星数比亮星多得多,这却是符合客观实际的。

  (8)流星和陨星。天空中除了日、月、星(古称三光。星包括行星和恒星)这些常见成员外,还不时见到流星之类的天体。《灵宪》认为“及其(按:指三光)衰也,神歇精■,于是有陨星。然则奔星之所坠,至地则石矣”。这里,张衡继承了前人“星坠至地则石也”(《史记天官书》)的思想,对陨石的来源予以较正确的解释。同时,张衡还探讨了陨星产生的原因,认为是与日、月、星的衰败有关。虽然这个想法不正确(太阳系内有一些大大小小的流星体,当它们在运行中与地球相遇,进入大气层后因摩擦而燃烧,便成为流星;较大的流星体在大气层中未及烧尽而坠落地面,便成为陨星,或称陨石),但是,每个天体都有发展到“衰”败死亡的阶段,这却是非常科学的结论。张衡的这个思想非常合乎辩证法,而且也正是西方古代天文学中所缺乏的。

  与陨石相联系,《灵宪》中对恒星的产生也有一种解释:“地有山岳,以宣其气,精种为星。星也者,体生于地,精成于天。”这种星生于地的见解当然是完全错误的。它是当时已流行了几百年的天地相应的思想的反映。《灵宪》说道:“在天成象,在地成形。天有九位,地有九域。天有三辰,地有三形。有象可效,有形可度。情性万殊,旁通感薄,自然相生,莫之能纪。”这些所谓天地之间的对应,纯粹出于人的主观附会,毫无内涵上的科学联系。例如,所谓天的九位(即古人所谓九天)和地的九域(即所谓九州)全都是中国古人的人为划分。所以,这种相应纯属数字偶合。不过,张衡之所以会有山岳之精气上升为星的想法,原因即在于他见到的陨星至地都是石头,而山岳则正是最多石头的地方。石头又怎能上天?所以必然会想到这是山岳的精气,这就可以上升到天上成为星。这些反映了陨石来自天外的思想。而在西方,直到17世纪,还有天文学家认为陨石并非来自地外的说法。

  《灵宪》作为一篇杰出的古代天文学著作,当然仍会有许多不足的地方。除了前面已经提到的各点外,比如文中还把嫦娥奔月的神话当作事实记载在内,甚至说嫦娥入月后化成了蟾蜍。至于文中流露的种种星占术思想,那是当时整个时代的风气,倒也不必去苛求张衡。总之,尽管《灵宪》有一些缺点,但是它在天文学史上的意义并不因此而逊色。梁代刘昭赞颂张衡是“天文之妙,冠绝一代”,其评价的主要根据之一就是《灵宪》这篇杰出的著作。

  张衡所做的浑天仪是一种演示天球星象运动用的表演仪器。它的外部轮廓有球的形象,合于张衡所主张的浑天说,故名之为浑天仪。这架浑天仪在《晋书天文志》中有三处记载。

  一处是在“天体”节中,其中引到晋代科学家葛洪的话说:“张平子既作铜浑天仪,于密室中以漏水转之,令伺之者闭户而唱之。其伺之者以告灵台之观天者曰:璇玑所加,某星始见,某星已中,某星今没,皆如合符也。”在“仪象”一节中又有一段更具体的细节描写:“张衡又制浑象。具内外规,南北极,黄赤道。列二十四气,二十八宿,中外星官及日、月、五纬。以漏水转之于殿上室内。星中、出、没与天相应。因其关戾,又转瑞轮■荚于阶下,随月盈虚,依历开落。”这里又称为浑象,这是早期对仪器定名不规范的反映,并不表示与浑天仪是两件不同的仪器。第三处则在“仪象”体之末,说到张衡浑天仪的大小:“古旧浑象以二分为一度,凡周七尺三寸半分也。张衡更制,以四分为一度,凡周一丈四尺六寸一分。”

  从这三段记载可知,张衡的浑天仪,其主体与现今的天球仪相仿。不过张衡的天球上画的是他所定名的444官2500颗星。浑天仪的黄、赤道上都画上了二十四气。贯穿浑天仪的南、北极,有一根可转动的极轴。在天球外围正中,应当有一条水平的环,表示地平。还应有一对夹着南、北极轴而又与水平环相垂直的子午双环,双环正中就是观测地的子午线。天球转动时,球上星体有的露出地平环之上,就是星出;有的正过子午线,就是星中,而没入地平环之下的星就是星没。天球上有一部分星星永远在地平环上转动而不会落入其下。这部分天区的极限是一个以北极为圆心,当地纬度为半径的小圆,当时称之为内规。仿此,有一以南极为中心,当地纬度为半径的小圆,称之为外规。外规以内的天区永远不会升到地平之上。

  张衡天球上还有日、月、五星。这7个天体除了有和天球一道东升西落的周日转动之外,还有各自在恒星星空背景上复杂的运动。要模拟出这些复杂的运动远不是古代的机械技术所能做到的。因此,应该认为它们只是一种缀附在天球上而又随时可以用手加以移动的一种附加物。移动的目的就是使日、月、五星在星空背景上的位置和真正的位置相适应。

  张衡的瑞轮■荚更是一件前所未有的机械装置。所谓■荚是一种神话中的植物。据说长在尧帝的居室阶下。随着新月的出现,1天长1个荚,到满月时长到15个荚。过了月圆之后,就一天掉1个荚。这样,数一数■荚的荚数就可以知道今天是在一个朔望月中的哪一天和这天的月相了。这个神话曲折地反映了尧帝时天文历法的进步。张衡的机械装置就是在这个神话的启发下发明的。听谓“随月盈虚,依历开落”,其作用就相当于现今钟表中的日期显示。

  遗憾的是关于张衡浑天仪中的动力和传动装置的具体情况史书没有留下记载。张衡写的有关浑天仪的文章也只留存片断。这片断中也没有提及动力和传动装置问题。近几十年来,人们曾运用现代机械科技知识对这个装置作了一些探讨。最初,人们曾认为是由一个水轮带动一组齿轮系统构成。但因有记载明言浑天仪是“以漏水转之”,而又有记载明言这漏水又是流入一把承水壶中以计量时间的。因此,就不能把这漏水再用来推动原动水轮。所以,原动水轮加齿轮传动系统的方案近年来受到了怀疑。最近有人提出了一种完全不同的设计。他们把漏壶中的浮子用绳索绕过天球极轴,和一个平衡重锤相连。当漏壶受水时壶中水量增加,浮子上升,绳索另一头的平衡锤下降。这时绳索牵动天球极轴,产生转动。此种结构比水轮带动齿轮系的结构较为合理。因为(i)张衡时代的齿轮构造尚相当粗糙,难以满足张衡浑天仪的精度要求。(ii)这个齿轮系必含有相当数量的齿轮,而齿轮越多,带动齿轮旋转的动力就必须越大。漏壶细小缓慢的水流量就越难以驱动这个系统。(iii)更关键的是前面已提到的漏壶流水无法既推动仪器,又用于显示时刻。而浮子控制的绳索传动就可避开上述三大困难。人们已就此设想做过小型的模拟实验。用一个直径为6.5厘米,高3.5厘米的圆柱形浮子和一块27克重的平衡重锤,就可通过绳索带动质量为1040克的旋转轴体作比较均匀的转动。其不均匀的跃动在一昼夜中不过数次,且跃动范围多在2°以下,这种误差在古代的条件下是可以允许的。因此,看来浮子- 平衡重锤- 绳索系统比原动水轮- 齿轮系统的合理性要大一些。不过,张衡的仪器是个直径达1米以上的铜制大物。目前的小型实验尚不足以保证在张衡的仪器情况下也能成功,还有待更进一步的条件极相近的模拟实验才能作出更可信的结论。

  不管张衡的动力和传动系统的实情究竟如何,总之,他是用一个机械系统来实现一种与自然界的天球旋转相同步的机械运动。这种作法本身在中国是史无前例的。由此开始,我们诞生了一个制造水运仪象的传统,它力图用机械运动来精确地反映天球的周日转动。而直到20世纪下半叶原子钟发明和采用之前,一切机械钟表都是以地球自转,亦即天球的周日转动为基础的。所以,中国的水运仪象传统乃是后世机械钟表的肇始。诚然,在公元前4世纪到公元前1世纪的希腊化时代,西方也出现过一种浮子升降钟(anaphoric clock),它的结构和最近人们所设想的浮子- 平衡锤- 绳索系统浑天仪相仿,不过其中所带动的不是一架天球仪,而是一块平面星图。可是在随后的罗马时代和黑暗的中世纪,浮子升降钟的传统完全中断而消失。所以,中国的水运仪象传统对后世机械钟表的发展具有极其重要的意义。而这个传统的创始者张衡的功绩自然也是不可磨灭的。

  从当时人的描述来看,张衡浑天仪能和自然界的天球的转动配合得丝丝入扣,“皆如合符”,可见浑天仪的转动速度的稳定性相当高。而浑天仪是以刻漏的运行为基础的。由此可以知道,张衡的刻漏技术也很高明。

  刻漏是我国古代最重要的计时仪器。目前传世的三件西汉时代的刻漏,都是所谓“泄水型沉箭式单漏”。这种刻漏只有一只圆柱形盛水容器。器底部伸出一根小管,向外滴水。容器内水面不断降低。浮在水面的箭舟(即浮子)所托着的刻箭也逐渐下降。刻箭穿过容器盖上的孔,向外伸出,从孔沿即可读得时刻读数。这种刻漏的计时准确性主要决定于漏水滴出的速度是否均匀。而滴水速度则与管口的水压成正比变化。即随着水的滴失,容器内水面越来越降低,水的滴出速度也会越来越慢。为了提高刻漏运行的均匀性和准确性,古人想了两步对策。第一步是把泄水型沉箭式改为蓄水型浮箭式,即把刻漏滴出的水收到另一个圆柱形容器内,把箭舟和刻箭都放在这个蓄水容器内,积水逐渐增多,箭舟托着刻箭渐逐上升,由此来求得时刻读数。第二步则是在滴水器之上再加一具滴水器。上面的滴水器滴出的水补充下面滴失的水,这样,可使下面的滴水器水面的下降大大延缓,从而使下面的滴水器出水速度的稳定性得到提高。这样的刻漏称为二级刻漏。如果按这思路类推,可以在二级刻漏之上再加一级,则刻漏运行的稳定性又可提高。这

  展开全部张衡(78~139),字平子,是我国东汉时期著名的科学家、文学家,他的出生地在现在的河南省南阳县的石桥镇。他的祖父张堪做过太守,为官清廉。父亲早逝,因此张衡家里很贫穷。张衡从小就勤奋好学,加上天资聪颖,很早就闻名乡里。

  据史书记载,他10岁时就“能五经贯六艺”,过目成诵。他兴趣很广泛,常常涉猎自然科学方面的读物,而且写得一手好辞赋。

  一天,张衡从一本诗集里读到四句诗,描述了北斗星在各个季节傍晚时的变化:“斗柄指东,天下皆春;斗柄指南,天下皆夏;斗柄指西,天下皆秋;斗柄指北,天下皆冬。”他觉得这太有意思了。天上的繁星闪烁,有的像箕,有的像斗,有的像狗,又有的像熊,它们的运行义各有怎样的规律呢?这简直是太美妙了。于是张衡根据诗的内容又参考别的书籍画成了天象图,每夜只要是没有云彩,他就默默地对着天象图仔细观察着夜空。广漠的星空有多少难解之谜呀,他观察着、记录着、思考着,他的脑袋里装满了各式各样的问题,充满了五颜六色的幻想。后来,他终于确认那四句诗里描述得不够准确,事实上斗柄早春指东北,暮春却指东南。

  少年时代对日月星辰的观察,激发了张衡努力探索天文奥秘的决心。后来他两度出任中央政府专管天文的太史令,在这方面取得了辉煌的成就。据《辞海》所记:他首次正确解释月食是由月球进入地影而产生;观测和记录了中原地区能看到的2500颗星星,并且绘制了我国第一幅较完备的星图;他创制了世界上第一台候风地动仪;创造了指南车、自动记里鼓车和能飞行数里的木鸟。

  渴求知识的张衡总是感到自己知识的不足,不满17岁时,他辞别父母独身一人到外地访师求学。在古都长安,他游览了当地的名胜古迹,考察了周围的山川形势、物产风俗和世态人情。在当时的京都洛阳,他结识了不少有学问的朋友,其中有一个叫崔瑗,精通天文、数学、历法,还是很有名气的书法家。张衡登门向他求教。正是由于他这种虚心好学的精神使得他在各方面获益匪浅。除了在天文学方面有杰出成就外,在地震学的研究上也是举世瞩目的,他创制的候风地动仪比欧洲相类似的仪器问世早1700多年。他还是东汉六大画家之一,他写的《二京赋》“精思博会,十年乃成”,为人们所津津乐道。

  河南省南阳县的北面有张衡墓和平子读书台,墓碑上有郭沫若的题词:“如此全面发展之人物,在世界史上亦所罕见”。

  张衡:字平子,世为南阳著姓。祖父堪,字君游,少治《梁丘易》,光武时,为蜀郡太守,拜骑都尉,后拜渔阳太守

  ,卒后妻子贫困。衡父无闻。我国著名的天文学家,文学家。发明了世界第一个地震测试仪器——地动仪。张衡在写作上,

  也是个多面手。他一生中,结合他的科学研究、机仪制作、政治生涯、友朋往来,还写下许多文字,就目前存留于世的就有

  20余篇,包括文、铭、诰、赞、书、上疏等形式;在天文学专著方面,有《灵宪》、《浑仪图注》、《漏水转浑天仪注》

  “太素之前,幽清玄静,寂寞冥默,不可为象。厥中惟虚,厥外惟无,如是者永久焉。斯为之溟

  滓,盖乃道之根也。道根既建,自无生有。太素始萌,萌而未兆,并气同色,浑沌不分。故《道德》

  之言云:‘有物混成,先天地生’。其气体固未可得而形,其迟速固未可得而纪也。如是者又永久焉

  。斯谓庞鸿,盖乃道之干也。道干既育,有物成体。于是元气剖判,刚柔始分,清浊异位,天成于外

  ,地定于内。天体于阳,故圆以动;地体于阴,故平以静。动以行施,静以化合,堙郁构精,时育庶

  东汉王朝是当时世界上的强国,政治、经济、文化都处于领先地位。发达繁荣的经济文化,安定

  少年时代的张衡就天资聪明,态度谦虚,好学深思,奋发有为,求知欲旺盛,学习热情饱满。在

  少年时代就熟读了《诗经》、《书经》、《易经》、《礼纪》、《春秋》等经典名著。在当时,只有

  熟读了这些经书,才能做官。但张衡思想开阔,不受传统观念的束缚,对做官不感兴趣,相反,他对

  文学却十分爱好,特别是对司马相如、扬雄等文学家的作品心向神往,苦心钻研,不但能深刻地理解

  ,而且能够背诵。这些作品强烈地震撼着张衡年轻的心灵,他希望自己将来也能成为他们那样的文学

  家。同时他不满足于“闭门家中坐,苦读圣贤书”的生活了,他渴望出外游学,多接触实际,以充实

  生活和开阔自己的眼界,寻求更多的知识。公元94年,19岁的张衡怀着远游的志愿,告别了亲人,

  离开了生他养他的美丽故乡——南阳,踏上了游览名都大川,访师求友的旅途。张衡在往来于渭河流

  域中,走遍了坦荡肥沃的渭河平原,观赏了巍峨青翠的终南山,奇险峻峭的华山,并且访民俗,问物

  产,寻古迹,对西汉雄伟壮丽的都城建筑,市井布局用心考察。通过这次游览,他不但加深了对前人

  文学作品的体会,而且积累了大量的文学素材,为他后来写成著名的《西京赋》奠定了坚实的基础。

  张衡勤奋好学,品德优良,才华出众,得到了南阳郡守的察举,然而,在他看来,君子不担心自

  己的官位不尊崇,却担心自己的品德不高尚;不为自己的俸禄不多而觉得羞愧,却为自己的见识不广

  博为耻辱。所以,他学习不限于五经,对天文、地理、气象、文学无不兼学并览。正如崔瑗评价他为

  :“一物不知实以为耻,闻一善言,不胜其喜”。这就是张衡,一个勤奋好学,不流习俗,具有远大

  张衡在洛阳通过五、六年艰苦的学习生活,他的学业和文学创作水平逐渐提高,成了一位名符其

  实的青年学者。他写了《定情赋》、《扇赋》、《七辩》等许多作品,并开始构思《二京赋》的创作

  。可是,由于他的家境比较贫寒,无法在京师长期游学,不得不回到南阳应清官鲍德的邀请担任主簿

  ,因工作比较清闲,使他得以集中精力进行文学创作。凭着对故乡的挚爱,他还创作了富有激情的《

  南都赋》,歌颂了故乡山河的壮丽,土地的肥沃,物产的丰饶。除此之外,他还写出了名著《二京赋

  从公元108年到111年,张衡一直住在自己的家乡,专心进修学业。经过了刻苦不懈的努力,在学

  问的许多方面都有所收获。就在这期间,张衡开始精读扬雄的《太玄经》。《太玄经》是一部研究宇

  宙现象的哲学著作,也谈到天文历算等方面的问题。特别是“浑天说”尤为吸引张衡。但由于写得比

  较简略,使张衡有一种不满足的感觉,他准备在此基础上做进一步的研究。在研究《太玄经》的过程

  中,张衡费了很大功夫,在精读的同时进行了详细的研究和分析,曾写出了《太玄经注解》,并绘制

  了《太玄图》。《太玄经注解》和《太玄图》就是张衡读《太玄经》的心得。在这两部著作里,反映

  了张衡的一些哲学思想。可惜这两部著作都没有流传下来。通过研究《太玄经》,张衡也接触到不少

  我国古代历史上的唯物论、无神论的遗产。《太玄经》里的唯物主义因素启发了张衡向大自然中追求

  真理的欲望。张衡在精读《太玄经》以后,就逐渐从文学创作转向哲学研究,特别对宇宙间最伟大的

  自然现象规律,如天文、历法、数学等科学理论开始了学习。并且制造科学仪器,对天文现象等实行

  在研究《太玄经》的同时,张衡还对《墨经》产生了极大的兴趣。《墨经》是墨子弟子及其后学

  概括发展墨子思想的一部著作。它记录总结了春秋战国时期关于手工业方面的许多知识,提出了古代

  物理学和数学的许多概念和见解。书中不仅涉及到认识论、逻辑学、经济学等社会科学范畴的广阔内

  容,还包含有时间、空间、物质结构、力学、光学和几何学等自然科学方面的多种知识,其中有些问

  题阐述严密,说理透彻,具有十分重要的科学价值,在古典哲学和自然科学著作中是一部不可多得的

  珍品。然而,墨家思想长期无人问津,墨家的科学成果更是受到冷遇。张衡能冲破儒家思想的束缚,

  张衡读古人书籍,善于采取其中精华,前能锐意前进,在科学研究上开辟新道路。这正是我们祖

  天地万物是怎样起源的,又是怎样发展的,这个问题是宇宙观的核心。“在人类的认识史中,从

  来就有关于宇宙发展法则的两种见解,一种是形而上学的见解,一种是辩证法的见解,形成了互相对

  立的两种宇宙观”。(《选集》第一卷《矛盾论》)唯物辩证的宇宙观是对宇宙发展法则的正

  确和科学的见解,唯心主义形而上学的宇宙观是对宇宙发展规律歪曲和颠倒的反映。

  张衡所著的《元图》和《灵宪》是两部集中反映他的哲学宇宙观的重要著作。张衡在这两部著作

  中,继承了春秋战国至汉代的唯物主义传统,提出了“太治”、“太”、“太素”、“元气”等哲学

  范畴,以论述宇宙万物的起源。他说:“元者,无形之类,自然之根,作于太始,莫之与先”。所谓

  “自然之根”,就是指天地万物的根源。这里,张衡明确地指出:天地万物最早的起源,既不是什么

  上帝、神灵的旨意,也不是什么绝对的理论,而是“无形之类”的“元”,也就是太始。

  在张衡看来,天地的生成可分为三个阶段。第一阶段称作“溟滓”,这就是早就存在的几何空间

  。“厥中惟虚,厥外惟无”,整个空间一片沉寂,什么物质性的东西都没有。但是,存在着宇宙万物

  变化发展的规律。有了这个基础,就能从无产生出有来。首先产生的是各种不同的物质性元气,互相

  混合在一起,不断地运转,浑沌不分。这就是第二阶段,称作“庞鸿”。又经过很长的时间,这团元

  气清浊逐渐分开,天在外面形成了,地在里面定下了。天地构合精气,生育出万物来。这个阶段称作

  “太元”。于是,在天上形成了各种天体,地上产生了万物。张衡认为天地万物是从原始的浑沌未分

  的元气发展而来的。元气是物质性的,其中包含不同质的阴气和阳气,自然现象的千差万别及相互影

  响,体现了阴阳二气具有的不同物质性能及其相互作用。这是一种原始唯物主义的宇宙发生论和万物

  生成说。?张衡的这种从无到有从小到大的宇宙生成理论,不但符合物质世界的发展规律,而且也符

  合物质不灭的先进定律,比起18世纪驰名世界的德国康德所创造的星云学说早了1600多年。

  什么是“宇”?什么是“宙”?战国时期著名政治家商鞅的老师尸佼就下过一个严格的定义:“

  四方上下曰宇,往古来今曰宙”。也就是说,宇指空间,宙指时间。关于宇宙是否有边界的问题,我

  国自唐宋以后一直争论得很激烈。其中有一些人曾经发表过很有科学思想的精辟见解。但是,这些论

  述大都只是从哲学上的推理,很少涉及到天文学的本身。张衡作为一位伟大的天文学家,他曾经从天

  文学的角度论述了宇宙的无限性。在这个意义上说,要比仅从哲学概念上所作的推想更为深刻,所以

  在张衡看来,天是有边界的。天究竟是什么形质的东西?在《灵宪》中虽然没有明确的说明,但

  是可以推想得出来的。元气形成了天,其精气形成了日月众星。因此,除掉星体和元气之外,天上是

  没有其他东西的。张衡所认为的天,只是相对位置固定不变的众恒星所构成的天穹。恒星之间并没有

  什么固定的联系,更不是都固定在一个固体球壳上,众恒星所包围的天球,就是天的边界。日月五星

  等巡行的天体,则在各自的轨道上在天球以内运动。天球的外面是没有天体的,究竟还存在什么东西

  ?这是不知道的,所以说“过此而往者,未知或知也”。这就是说,宇宙和天地并不是一回事,天地

  是有大小的,宇宙则无边际,天地只是宇宙的一部分,天地之外的部分,仅仅是看不到而已。所以,

  张衡又进一步补充说:“宇之表无极,宙之端无穷”。宇宙不但在空间上是无限的,而且在时间上也

  是无穷的。这是一个十分卓越的见解,是十分光辉的科学辩证思想。张衡的宇宙无限思想同马克思主

  义在宇宙问题上的认识是完全一致的。张衡认为的实际天球是虚空中分布着众多天体,它们可以自由

  运动,而在同一时代,西方人却没有这种区分。在西方,古希腊哲学家亚里士多德在公元前四世纪就

  提出:真实的宇宙结构象是一个透明的大水晶球,星辰都镶嵌在这个水晶球上。这种认识为公元2世

  “今公子苟好剿民以娱乐,忘民怨之为仇也;好殚物以穷宠,忽下叛而生忧也。”

  张衡所处的时代,是东汉从强盛渐趋衰落的时代。这期间,外戚与宦官争权夺利,又相互勾结,

  他们各谋私利,竟相奢华,亲戚攀援,贿赂公行,诈伪丛生,政治十分昏乱。张衡在《二京赋》中写

  道:“不穷乐以训俭,不殚物以昭仁”。“却走马以粪车,何惜马要袤与飞兔”,告诫统治者要爱惜

  人民的物力财力,把用于游猎的马匹车辆还给农民拉粪种田,加强农业生产,以免酿成“下叛而生忧

  ”的祸患。张衡的《二京赋》,意在“讽谏”,比起班固的《两都赋》来,《二京赋》显得慷慨激昂

  ,喊出了愤恨抗议之声,充斥着严厉的警告之词:“今公子苟好剿民以偷乐,忘民怨之为仇也;好殚

  物以穷宠,忽下叛而生忧也。”“夫水所以载舟,亦所以覆舟,坚冰作于履霜,寻木起于蘖栽。”意

  思是:现在你们喜欢干那些祸害百姓的事,而自己寻欢作乐,忘记了老百姓早已对你们怨声载道!你

  们喜欢把财物挥霍净而穷奢极欲,那是忘记了老百姓一旦造反就要生大忧了。水,可以载船,也能够

  掀翻船,坚硬的冰层起自薄霜,高大的树木始于细芽。警告统治者,如果过份地穷奢极欲,劳民伤财

  张衡他“不慕当世所居之官”,不交权贵显宦,所以官职“积年不徙。”面对一些闲言碎语和少

  数人的挖苦,嘲弄,张衡写了一篇文章,题为《应间》,意思是回答诽谤。文章明确表达了自己的为

  人和志向。他说:“君子不患位之不尊,而患德之不崇;不耻禄之不夥,而耻智之不博。”意思是君

  子不忧虑地位不尊荣,忧虑的是德行不高尚;不以待遇低为羞耻,羞耻的是学识不渊博。张衡在《应

  间》里也谈到自己的为人,确实令人敬仰。针对那些为了升官发财而不择手段,“怀丈夫之容,而袭

  婢之态”的依势趋利者,十分蔑视和憎恶。张衡说:“捷径邪至,我不忍以投步;干进苟容,我不忍

  以歙肩。”得“之不休,不获不吝。”意思是有些人把邪门歪道当成升官的捷径,我却不愿迈一步;

  取悦权贵以求富贵的人,我绝不同他为伍。得的不是正道,我就是不得也不以为耻。这些话犹如江河

  在《思玄赋》的末尾,张衡写道:“天长地久岁不留,俟河之清祗怀忧……回志去曷来从玄諆,

  获我所求夫何思!”意思是:天地是长久的,岁月却不停地流逝,要等到盛明时代的出现,那只能是

  自怀忧愁……要排除那些不现实的想法,遵从我自己的既定目标,只要获得了我所渴求的东西,还需

  要再想什么呢?张衡所渴求的只能是科学知识,而绝不是升官发财。?从《思玄赋》里可以看出,张

  衡像一朵荷花,出污泥而不染。他不媚权贵,光明磊落,藐视名利,看重科学;珍惜时光,自强不息

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