精仪器揭天地

摘要：张衡在科学技术、仪器仪表、发明创造等方面的成就涉及天文学、地震学、机械学、数学等领域，好友崔瑗称赞他：“数术穷天地，制作侔造化。奇技伟艺，与神合契”。他发明的科学仪器不仅开创了古代自然科学的新局面，而且对后世的科学技术发展具有深远意义。可以说，张衡在科学创造领域所取得的一系列成果，代表了当时世界科学文化的最高水平，为人类的文明发展做出了卓越贡献。

关键词：张衡；古代；仪器仪表

仪器仪表是用以检出、测量、观察、计算各种物理量、物质成分、物性参数等的器具或设备，是科学技术发展的重要“工具”。著名科学家王大珩先生指出“仪器是认识世界的工具”。 一切科学研究都离不开科学仪器。纵观人类社会的发展历史，任何一次大的飞跃，科学仪器创新和变革始终在其中起着重要作用。中国古代科学家在仪器仪表发明创造方面做出了重大的成就，他们以卓越的才能，非凡的智慧创造了光辉灿烂的中国古代文明，为人类的进步做出了卓越的贡献。我国东汉时期伟大的科学家张衡，就是其中最杰出的代表。

张衡（公元78-139年），南阳西鄂（今南阳市卧龙区石桥镇）人，他天资聪明，敏而好学，博学多能，才华横溢，在天文、地震、机械制造、文学、绘画等众多领域都取得了卓越成就，被誉为“科圣”。特别是在机械制造方面，他发明了地动仪、漏水转浑天仪、土圭、指南车、计里鼓车、瑞轮蓂荚、相风铜鸟等大量的科学仪器仪表，将中国古代，也将世界古代科学技术推向了一个最高峰，为人类科技文明的发展做出了举世瞩目的贡献。

一、古老的天文观测仪器——浑天仪

公元117年，张衡设计制造的漏水转浑天仪，即是以水为动力演示天体运动的仪器，它形象地展示了宇宙的理论结构，并兼有计时的功能。

钱伟长在《我国历史上的科学发明》中写到：张衡创造了浑天学说，说明天象的运行原则。根据他所测绘的星图——“灵宪图”（我国最早的星图），作了“浑天仪”……用漏水使浑天仪自己运转，星象出没和实际天空完全一样。这便是现代“浑天仪”的鼻祖。远在机械工业发展前约两千年的祖国，竟能发明制作出这样精巧的仪器，真是惊人而值得我们崇拜了。

《晋书·天文志》载：“至顺帝时，张衡又制作浑象，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，又转瑞轮蓂荚于阶下，随月虚盈，依历开落。”

从这段话和有关史料可以知道，张衡所制浑天仪与我们现代的假天球仪类似。它用精铜铸成，主体为一圆球形，代表天球。在天球拦腰处有一道铜圈，代表地平圈，使天球一半在地上，一半在地下。球体内有根铁轴斜穿球心，代表天轴，天轴与地平呈三十六度夹角。天轴与球面的两个交点，上为北极点，下为南极点。浑天仪上标有黄道圈和赤道圈，黄道圈象征太阳运行的轨道，赤道圈与黄道圈相交呈二十四度夹角。在黄道上刻有二十四节气的位置，还在圆球上标许多恒星的位置。并且用一些可移动的标志来表示太阳、月亮和金、木、水、火、土五大行星。

为了使浑天仪能自行运转，张衡采用齿轮系统把浑象和记时用的漏壶联系起来，用漏壶滴出来的水的力量带动齿轮，齿轮带动浑象绕轴旋转，一天一周，与天球同步转动。这样，就可以准确地把天象的变化表示出来，人在屋子里看着仪器，就可以知道某星正从东方升起，某星已到中天，某星就要从西方落下。张衡还利用连杆原理，安装了一个叫“瑞轮蓂荚”的附属仪器。这个仪器从每月初一起，一天转出一片木叶，到十五月圆时，共转现出十五片木叶；从十六日开始，每天转入一片木叶，到月底又全部转入仪器之中，这样既可知道日期，又可知道月亮的圆缺。

张衡制造的水运浑象仪，是我国第一台用水力作为动力的天文仪器，也是创新性运用科学仪器的卓越典范，它几乎囊括了当时所有先进的天文学知识，提供了极其优异的观察和实测天象的方法，对后世天文学的研究和天文仪器的制作产生了很大的启发和借鉴作用。水运浑天仪和瑞轮蓂荚都使用了复杂的齿轮系统和自控装置。水运浑天仪不仅是最精密的天文仪器，也是世界上钟表的祖先。这是张衡在机械学方面的创举。

二、古老的地震监测仪器——地动仪

公元132年张衡发明了世界上第一台测定地震方位的科学仪器——地动仪。

据《后汉书·张衡传》记载，地动仪是用精铜铸造而成，其形状像一个圆柱形的酒樽，直径为八尺（汉代的一尺约等于现在的23厘米），上面有一个隆起的顶盖，酒樽的四周的表面上装饰有篆书文字以山、龟、鸟、兽形状的图案。内部的中间有一根“都柱”，“都柱”的周围有八条关道，每条关道内都设计有一个可以操纵触发的机关。它的外部有八条龙，分别朝向不同的方位，每条龙的嘴里衔着一颗铜丸，每条龙头的下面均有一只蟾蜍，张着嘴巴，以便随时能衔接住龙口中落下的铜丸。地动仪的机关设计的非常精密巧妙，全部隐藏在樽的内部，樽的四周覆盖的非常严密，连一点缝隙也没有。如果发生了地震，樽就会受到震动，并触发机关，龙就会吐出口中的铜丸，并落入下面蟾蜍的嘴里，发出响亮的声音，看守人员也因此就会发觉。虽然一条龙的机关被触发了，但另外的七条龙却仍然保持不动。只要找到哪条龙吐出了铜丸，就可以知道地震发生于什么方向。根据地震事实对地动仪进行验证，完全符合实际情况，就像神灵一样的灵验。在史书记的记载中，从来没有过这样的仪器。

公元138年，张衡的地动仪向西北方向的龙吐出了铜球，过了几天，陇西发生了地震，时间正与龙吐铜球相应，可见地动仪的灵敏程度。在当时的科技条件下，这是一个十分了不起的成就，令世人惊叹，它遥遥领先于世界上任何一个国家。

张衡发明的地動仪是人类历史上的首创，他开创了人类使用仪器测量地震的历史；他是世界人类从事地震科学研究的先驱和世界公认的地震学的鼻祖。他的这一发明创造，比欧洲早1700多年。

三、测量方位的仪器——指南车

指南车又称司南车，是我国古代伟大的发明之一，是中国古代用来指示方向的一种机械装置，也可以作为帝王的仪仗车辆使用。

张衡制造指南车，较早的记载是梁朝沈约所著《宋书》称：“指南车，其始周公所作，……至于秦汉，其制无闻，后汉张衡始复创造。汉末丧乱，其器不存，魏明帝青龙（公元233-236年）中令博士马均又造之。”北宋时期燕肃、吴德仁分别都造出指南车。

燕肃指南车的传动机构由两只轮（车轮），两只小型滑轮和五个大小转动齿轮（两只附足立轮，两只小平轮和一只中心大平轮）组成。车子中央的指南小木人固定在中心大平轮上，两只滑轮各悬吊一只小平轮，并以绳锁和车辕末端相连。

燕肃指南车巧妙融合了多种机械原理，指南车转向时，车体与中心大平轮旋转相同角度，单方向正好相反。两者运动互相抵消后，相当于木人不动，仍然指向南方。

指南车的发明是前人在机械设计、制造方面智慧的结晶。在现代生活中，这种指南工具早已失去了它的地位，但它所运用的差动齿轮系和相对运动的原理，对于后世的机械制造是不无启发，在今天的生产生活中仍然发挥着巨大的作用。西方学者对这项科技发明给予高度评价，称赞它是一切控制机械的蓝本之一，用李约瑟的话说，中国的指南车“可以说是人类历史上迈向控制论机器的第一步”，是人类“第一架体内稳定机”。

四、测量里程的仪器——记里鼓车

记里鼓车是中国古代用轮轴机械量度地面距离的车辆，由“记道车”发展而来。有关记道车的文字记载最早见于汉代刘歆的《西京杂记》：“汉朝舆驾祠甘泉汾阳……记道车，驾四，中道。”可见至迟在西汉时期，已有了这种可以计算道路里程的装置。到后来，因为加了行一里路打一下鼓的装置，故名“记里鼓车”，它被机器人专家称为是一种中国古代机器人。张衡也曾制作过记里鼓车，但可惜没有相关的图形或文字流传下来。

据《宋史》所载卢道隆记里鼓车的形制，有一辕，双轮，车身记里部分分上下两层，上层设一钟，下层设一鼓，每一层都有一个手持木槌的木头人。左右两个着地车轮，直径各6尺，周长18尺。按宋制，一里等于1800尺，一步等于5尺，一里合360步，轮转100次合一里。车走十里，木人击鼓1次，当击鼓十次，就击钟一次。

记里鼓车的道理并不复杂，就是利用车轮的周长记录车行的里数。简单地说，车轮的周长是恒定不变的，车行一里轮子转动的圈数也是不变的，只要记住车轮的圈数，行驶里程也就会得到了。记里鼓车正是利用这一原理，实现了对行驶里程的测量。

今天的汽车里程表，每行驶一公里，里程表上便转动一个数码，其原理与古代记里鼓车相似。

五、古老的计时仪器——土圭

张衡在担任太史令期间，为了天文观测的需要，曾经制做过一种计时仪器——土圭。《太平御览》引《义熙起居注》云：“（东晋义熙）十四年（418年）相国表曰：‘平陈，获张衡所制浑天仪、土圭。”张衡本人也在《东京赋》中提到“土圭测景，不缩不盈”。《周礼》中有关于使用土圭的记载，它是我国最古老的一种计时器。

土圭又称圭表，由“圭”和“表”两个部件组成。直立于平地上测日影的标杆和石柱，叫作表；正南正北方向平放的测定表影长度的刻板，叫作圭。当太阳照着表的时候，圭上出现了表的影子。古人们通过太阳光照射表在圭上留下影子的长短和方向，来确定一个太阳回归年的天数以及24节气日。张衡在《浑天仪注》中诸如“冬至……日最短，夜最长，景极长”、“夏至……日最长，夜最短，景极短”、“秋分……景居二至长短之中”等关于二十四节气日时日影长短的描述，与其制作并使用土圭进行长期观测密不可分。用圭表侧影也叫立竿见影，用立竿见影研究历法是天文学发展的一次飞跃。

由此可知张衡的土圭也叫做日影器，也是一种机械和光结合的仪器。所以仪器仪表在启蒙时期就体现了仪器仪表是机、光、电技术结合的一门实现测量控制功能的科学技术。

六、测定风向风速的仪器——相风铜鸟

1958年8月25日，中国人民邮政发行了特24《气象》邮票一套三枚，其第一枚名为“古气象仪”。票面正中，一鸟立于杆头，鸟口衔花望远，这就是我国古代最有名的风向测试仪——张衡发明的相风铜鸟。

据历史记载，东汉时风灾较多，而安帝时期尤为严重。如 “安帝元初六年（119年）夏四月，沛国、勃海大风，拔树三万余枚”而作为两任太史令的张衡，“候风”的工作亦是其职守所在。张衡根据实际生活中的观测，并在借鉴前人“铜凤凰”、“相风乌车”的基础上，于顺帝阳嘉元年（132年）制造了用于风向观测的气象仪器——相风铜鸟，并安装于长安灵台之上。

《古今图书集成·历象汇编》有“东汉张衡制相风铜乌，置之于长安宫南灵台之上，遇风乃动。”

《三辅黄图》卷之五<台榭>记载的更为详细：“汉灵台在长安西北八里，漢始曰清台，本为候风者观阳阴之变，更名曰灵台。郭缘生《述征记》曰：长安宫南有灵台，高十五仞（120尺），上有浑仪，张衡所制，又有相风铜乌，遇风乃动，察其所自，云鸟动百里，风鸣千里……”。由“遇风乃动，鸟动百里，风鸣千里”可知他能指示风速快慢，所以可能是雏形风速表。而西方装在屋顶上的候风鸡，是在12世纪开始有的，比张衡的相风铜鸟晚了约1000年。

精仪揭天地，科圣著千秋。张衡在科学技术、仪器仪表、发明创造等方面的成就涉及天文学、地震学、机械学、数学等领域，好友崔瑗称赞他：“数术穷天地，制作牟造化。奇技伟艺，与神合契”。他发明的科学仪器不仅开创了古代自然科学的新局面，而且对后世的科学技术发展具有深远意义。可以说，张衡在科学创造领域所取得的一系列成果，代表了当时世界科学文化的最高水平，为人类的文明发展做出了卓越贡献。

参考文献：

[1]百度百科

[2]《中国科学技术史》，【英】李约瑟著，科学出版社，1975年版

[3]《张衡·仪器仪表》杜如彬编著， 2009.9

[4]《后汉书》，【南朝宋】范晔著，兰州大学出版社，1994年版

作者简介：文永杰，女，1974年生，河南省社旗县人，单位：南阳市张衡博物馆，职称：馆员，学历：本科，主要从事汉代历史文化及张衡的研究。