中外科学家发明家丛书:张衡-第3章
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同真正的天象完全一样。
浑天仪的贡献是巨大的。首先它把观测天象所在地的地理位置跟天球联
系起来。现在我们已经知道，一个地方的地理纬度等于该地的北极出地高度。
根据后人《浑天仪图注》的说明：“北极乃天之中也，在正北出地36度。”
拿浑天仪上的36度折算现今地理纬度，恰好跟洛阳地区的纬度很相近；其
次，浑天仪上的周天365．25度跟东汉当时的《四分历》所用的岁实365．25
天完全吻合。同时，张衡在浑天仪上所用的黄、赤交角24度也是很接近实际
的；再次，《浑天仪图注》里说：“各分赤道、黄道为24气，一气相去15
度16分之七，每一气者黄道进退一度焉。……三气一节，故46日而差令3
度也。”这3气1节差3度，即黄、赤道差的计算法，一直到隋代都没有改
变，这是张衡的在历法上一项重要贡献。
浑天仪应用的齿轮系和凸轮机构在当时可以说是相当复杂的。水运浑象
实质上还可以被认为是一个天文钟，通过它的等速旋转，可以报告时刻。此
后，张衡还采用漏壶的原理，创造了另外一种仪器，叫做“瑞轮■荚”。这
个瑞轮■荚装有机械，接联在漏壶上，也依靠水力转动。它能够按照阴历上
的朔日、上弦、望日、下弦、晦日等顺序，一次又一次地循环旋转开合着。
因为在瑞轮上从每月初一起，每天转出一片■荚来，这样到十五日共出现十
五片；然后每天再转入一片，到月底落完。瑞轮■荚可以表示日期，又能告
诉人们月亮的圆缺变化。张衡制造的瑞轮■荚，在世界科学史上算是第一架
具备了机械能的计时器，以后经唐朝的一行、梁令瓒和宋朝的张思训、苏颂、
韩公廉等人的改进和发展，终于制成了世界上最早的天文钟。在1800多年
前，我国就能够制造出这样复杂而精巧的仪器，是很值得我们自豪的。
张衡创制的浑天仪原来被安放在东汉政府观察天象的地方——灵台，一
直保存到魏晋时代。西晋末年发生战乱，浑天仪被移往长安。公元418年，
刘裕率军攻进长安城，获得了这架仪器，但已经残缺不全。此后，它就不知
下落了。
幸亏曾经有人替浑天仪写了两部说明书，一部是《浑天仪图注》，另一
部是《漏水转浑天仪注》。这两部说明书各有一部分保存下来，使后人可以
按照其中的说法，重新制造出浑天仪来。
南朝宋文帝元嘉13年（公元436年），太史令钱乐之曾铸造浑仪和小浑
天，和张衡的浑天仪大体相同；唐朝初年，李淳风、梁令瓒等人重新改制了
浑天仪；北宋苏颂、元代郭守敬都相继制造浑天仪。他们在制法上都有改进，
机械的精巧程度也是一代胜过一代。现今陈列在南京紫金山天文台的浑天仪
是明朝正统3年（公元1438年）钦天监监正皇甫仲仿照元朝郭守敬的浑天仪
造成的。
六、博学多能、全面发展的科学家
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天文、历法和数学有着紧密的联系。张衡在天文学方面连连获得成功的
同时，在数学方面也做出了卓越的贡献。
张衡写过一本叫《算罔论》的数学著作，大约是综述当时算学上各类问
题的一种古算通论。可惜 《算罔论》早已失传，我们无法确知它的内容。不
过张衡对算学很有研究，这一点是不容置疑的，我们从三国时代魏国的数学
家刘徽所著作《九章·算术注》引用的《算罔论》中的话便可以知道。
《九章·算术注》内引“张衡算”有“圆周率一十之面”等语，经清代
数学家李潢考证，张衡当时计算出的圆周率是3．1622。
钱宝琮先生在《张衡灵宪中的圆周率》一文中指出，《后汉书·天文志》
注引张衡《灵宪》原文，其中说：“悬象著明，莫大乎日月。其径当天周1/736，
地广1/242。”从这句话中，我们便可以计算出张衡取用的圆周率近似值。
因为张衡在天文学上主张浑天说，认为“天浑然而圆，地在其中”，地之广
就是天的直径。再以“地广”去除“天周”，我们便可得出《灵宪》中的圆
周率。钱宝琮先生还进一步更正说：“传刻本《后汉书·天文志》注所引《灵
宪》， ‘天周1/736’中的 ‘六’字是因为传抄时的笔误而多出来的， ‘地
广1/242’中的‘4’字也因同样原因应改正为‘三’。由此计算圆周率，得
л=730÷232。
已故李俨教授另据唐《开元占经》引祖■的《浑天论》，其中说：“张
衡日月在径当天周1/736，地广1/232。按此而论，天周分母圆周率也，地广
分母圆径率也，以8约之，得圆周率92，圆径率29。”他认为张衡求得的圆
92
周率为л= 。
29
92
如上所述，张衡所用的圆周率是在3．14和3．16之间，又有л= ，
29
这些都不是十分精确的数值，同南北朝时的大科学家祖冲之得出的圆周率在
3．1415926和3．1415927之间这一当时世界上最精确的数值相比虽有距离。
但张衡在圆周率的研究上，一方面放弃了古代《周髀算经》上“径一周三”
（л=3）的简单算法，另一方面应用了“渐近分数”的方法，所以在当时比
祖冲之早三百多年的时代，仍是不失其先进意义的。
另外，张衡曾就他研究的心得，绘出一幅地形图来，流传了好几百年，
一直到唐朝，被作为名画看待。他甚至还被列为东汉四大画家之一；在历史
学方面，张衡曾下过很大的功夫，以司马迁的《史记》和班固的《汉书》提
出过十几条修改意见。张衡还曾经向东汉朝廷要求，让他去从事《汉纪》这
部著作的编纂工作，但是他的愿望落空了。
除上述成就外，张衡还是个出色的机械专家。张衡曾在《应间》这一著
作中说：“曾何贪于支离，而习其孤技邪？三轮可使自转，木雕犹能独飞。”
这四句话的意思是说：张衡平常最喜爱学习古代著名的工程专家支离的技
术，并且能够熟习他关于机械制造的理论和方法，亲自制造出自转的三轮和
独飞的木雕来。这段史料经历史学家的研究，认为“三轮自转”是指有关指
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南车和记里鼓车的主要机构；“木雕独飞”是指在木制雕鸟内部装置机关，
使它能独立地飞起来。
我国古代有关木制飞鸟的记载，最早见于《墨子·鲁问篇》：“公输子
削竹木以为鹊，鹊成而飞之，三日不下。公输子自以为至巧。”其后《韩非
子·外储说》称：“墨子为术鸢，三年而成，飞一日而败。”西汉时《淮南
子·齐俗训》更称：“鲁班、墨子以木为鸢而飞之。”这些都说明早在公元
前三、四百年战国时候，我国已经发明和制造了能够在空中飞翔的木鸟，并
且很可能是运用了斜面等原理。到东汉时，张衡是否发展了斜面原理，或应
用过螺旋浆等形式，我们已无法确断。据史书记载：“张衡尝作木鸟，假以
羽翮；腹中施机，能飞数里。”这种装有机关、能飞好几里的自飞木鸟，无
疑是受到了先代科学家如鲁班、墨翟等人的启发，加以自身的努力研究制造
出来的，而其制造技术自然要比墨翟等制造的木鸢高明得多了。
历史文献中较早记载张衡制造指南车的，是南北朝时梁朝文史学家沈约
所著的《宋书·礼志》。其中云：“指南车，其始周公所作，……至于秦汉，
其制无闻。后汉张衡始复制造。汉末丧乱，其器不存。……明帝青龙 （公元
233…237年）中，令博士马钧复造之而车成。”这段史料说3000年前的周公
已造成了指南车，这不大符合实际。不过，张衡很可能利用齿轮系创制指南
车，一百多年以后机械工程专家马钧重新造成指南车。
张衡和马钧制造指南车的方法虽然都没有流传下来，但此后不断有人制
造指南车成功。北宋时，燕肃在仁宗天圣5年（公元1027年）、吴德仁在徽
宗大观元年（公元1107年）先后造成了指南车，《宋史·舆服志》中详细地
记载了他们内部的机械构造。它们采用一种能自动离合的齿轮系，使得车子
不管怎么转，车上木人的手指始终指向南方。古代皇帝出巡的时候，指南车
就排列在出巡行列最前面的仪仗队里，用来指示方向。
记里鼓车也是利用齿轮系转动的。当车子前进时，利用车轮的转动，自
动地把车行的里数表示出来，它和现在汽车上的里程表的作用相同。晋代崔
豹作的笔记《古今注》记载着：“记里鼓车，一名大章车。晋安帝（公元417
年）时刘裕灭秦得之。有木人执槌向鼓，行一里击一槌。”当时有一本专记
西汉遗闻轶事的《西京杂记》也说：“汉朝舆驾祠甘泉汾阴，备千乘万骑。……
记道车，驾四（由四匹马拉着），中道。”记里鼓车也是供皇帝出巡时用的。
张衡是在永建元年写成《应间》的，由此可以推知张衡造成木雕、指南车、
记里鼓车等机械，大体上应该在永建元年之前。
在机械方面，张衡制造了许多奇巧器物，成就惊人，堪称一代宗师大匠。
张衡曾一度获得“木圣”的称号。
张衡是一位博学多才，全面发展的科学家，对于学习，他从不停留在狭
小的范围里。他一方面对天文、历法继续作精深的研究，另一方面对数学、
物理学、机械制造等领域进行了勇敢的探索和研究。勤勉学习和刻苦钻研使
他在各个方面都获得很大的成功，他的光辉成就已大大地超出了天文学的范
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围了。
七、发明了地动仪
张衡连续做了6年的太史令，到安帝建兴元年 （公元121年），被调任
公车司马令。公车司马令的官署设在皇宫的南阙门旁，职责是保卫皇帝的宫
殿，通达内外奏章，接受全国官吏和人民的献贡物品，以及接待各地调京人
员等等。把科学家张衡调到这样的一个职位上，充分说明封建皇帝如何不重
视科学，不让有天才的人有充分发挥才能的机会。然而，就是在这样的岗位
上，张衡还是利用一切可能利用的时间和精力，继续进行学术研究。除了天
文学以外，他还对数学、物理和机械制造等方面，下了很大的苦功。我们曾
提到张衡的数学名著《算罔论》以及制造的计里鼓车，指南车等等，都是在
张衡就任公车司马令时苦心钻研的结果。
到顺帝永建元年 （公元126年），张衡又被调任太史令。这是张衡第二
次做太史令。当时有一些热衷于名利的人乘机嘲笑张衡“辄积年不徒”，不
得提升，讽刺他宦途不顺，“去史官5载而复还，非进取之势”，是倦鸟归
飞，仍回旧巢，攻击张衡“与世殊技，固孤求是”。还有人把张衡创制的科
学仪器看作是“屠龙之技”，认为是“艺成而下”的小道。也有人嘲笑张衡
“不务正义”，认为张衡如果把精力用在作官上的话，早就能升官了。面对
统治阶级的冷遇和传统势力的冷嘲热讽，张衡特地写了一篇名为 《应间》的
文章来答复这些“刻舟求剑，守株待兔”的目光短浅之人的嘲笑。
张衡在《应间》里不仅清楚地表明了自己在研究学问上是抱着“约己博
艺，无坚不钻的信心和决心，以及“不耻禄之不伙，而耻智之不博”的谦虚
态度；同时也表示自己不愿同那些贪图名利、目光短浅的人去争长短，自己
坚持着“方将师天老而友地典，与之乎高睨而大谈”的广阔胸怀。
除了浑天仪外，张衡在世界科学史上另一个不朽的创造发明——地动
仪，就是在他第二次担任太史令期间研制成功的。发明于公元132年 （阳嘉
元年）的地动仪，是世界上第一台测定地震及其方位的仪器。地动仪的发明，
在人类同地震作斗争的历史上，写下了光辉的一页，从此，开始了人类使用
仪器观测地震的历史。
我国是一个地震比较多的国家。几千年来，我们的祖先一直在顽强地同
地震灾害作斗争。早在3800多年前，我国便已经有了关于地震的记载。晋代
出土的《竹书纪年》中记载，虞舜时“地圻（裂）及泉”，可能就是指的地
震；最明确的报道，是夏代帝发7年（约公元前1590年）的“泰山震”，这
是世界上最早的地震记录；《诗经·小雅·十月之交》报道的地震情景说，
“烨烨（yìyì，意为火光很盛）震电，不宁不令（意为不合时令，使人不安宁），
百川沸腾，山冢 （山顶）｜（即断“崩”）。据考证，这是周朝末年（公元前
780年）陕西一带地震引起山崩的生动记载 （前二句可能是“地声”、“地
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光”结合的地震前兆）；公元前三世纪的《吕氏春秋》里记载了“周文王立
国8年（公元前1177年），岁6月，文王寝疾5日，而地动东西南北，不出
国郊。”这一记载明确指出了地震发生的时间和范围，是我国地震记录中具
体可靠的最早记载。此外，在 《春秋》、《国语》和《左传》等先秦古籍中
都有关于地震的记述，保存了不少古老的地震记录。从西汉开始，地震就被
作为灾异记入各断代史的“五行志”中了。
东汉时期，我国地震比较频繁。据《后汉书·五行志》记载，自和帝永
元4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
了二十六次比较大的地震。汉安帝元初6年 （公元119年），就曾发生过两
次大地震，第一次是发生在2月间，京师洛阳和其他42个郡国地区都受到影
响，有的地方地面陷裂，有的地方地下涌出洪水，有的地方城廓房屋倒塌，
死伤了很多人；第二次是在冬天，地震的范围波及8个郡国的广大地区，造
成了生命和财产的巨大损失。当时人们由于缺乏科学知识，对于地震极为惧
怕，都以为是神灵主宰。
张衡当时正在洛阳任太史令，对于那许多次地震，他有不少亲身经验。
张衡多次目睹震后的惨状，痛心不已。为了掌握全国的地震动态，他记录了
所有地方上发生地震的报告，在他已有的天文学基础上，经过长年孜孜不倦
的探索研究，终于在他50岁的时候（公元132年），发明了世界上第一架用
于测定地震方向的地震仪—地动仪。
据《后汉书·张衡》记载，地动仪是用青铜铸成的，形状很象一个大酒
樽，圆径有8尺。仪器的顶上有凸起的盖子，仪器的表面刻有各种篆文、�
