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术上获得巨大成功的重要原因之一。
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四、天文学上的光辉成就
永初5年（公元111年），张衡34岁，他被安帝特征再度来到长安。这
一年，安帝下令要全国各地的地方官保举有学问和通达政教的人。汉安帝平
素常听人称道张衡精通天文、历法，于是特征他到京都，任命他为郎中。郎
中是汉朝尚书台的低级官员，任务是“主作文书起草”。担任郎中，使张衡
有机会阅读了许多平时难得见到的书籍。他利用官务余暇，进一步研究诸家
学术，充实自己的知识，不断提高学术水平。
安帝元初元年（公元114年），张衡升任做尚书侍郎。由于学识渊博，
次年（公元115年）又被调任做太史令。太史令是汉朝中央管理“天时、星、
历”的主任官员。它所属官员，有太史丞、明堂丞、灵台丞各一人，太史待
招和灵台待招各数十人，分掌历法、观测日月星辰、候望风雨气象、调理钟
律等事务。太史令管理的项目虽然很多，但主要项目是天文。担任太史令一
职为张衡进一步研究大文历算提供了更加方便的条件。
张衡担任太史令的时间先后达14年之久，在此期间，他精心地钻研天文
学，坚持不懈地观察日月星辰，努力探索它们的运行。他把研究的成果写成
了一本书——《灵宪》。
《灵宪》是我国第一部重要的天文学理论著作。在这部论述非常详尽明
了的著作里，张衡科学地、全面地阐述了天地的生成、结构、日月星辰的本
质和运动。下面主要从《灵宪》的科学内容入手，概括地介绍张衡天文学方
面的几项伟大成就。
张衡认为天地的生成是按照事物本身的客观规律发展形成的。他将天地
的生成分为三个阶段：第一阶段称作“溟■”，即早就存在的几何空间，“厥
中惟灵，厥外惟无”，整个空间一片沉寂，什么物质都没有。但是，存在着
宇宙万物变化发展的规律；有了这个基础，就能无中生有。这时首先产生的
是各种不同的物质性的气，互相混合在一起，不断地运转，浑沌不分，此为
第二阶段，称作“宠鸿”；又经过很长时间，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。此为第三阶
段，称为“天元”。于是，在天上形成了各种天体，地上产生了万物。
张衡的天体演化思想在我国上古时代是具有代表性的，它在我国古代哲
学界有广泛的影响。这种天体演化思想最早在《易·系辞》中就有记载：“易
有太极，是生两仪，元气已分，天地设位，清浮升乎上，沉浊居乎下，阴阳
以之而变化，寒暑用此而相推。“《老子》一书对一体演化也有一段简略的
描述：“有物混成，先天地生，寂兮寥兮，独立不改，周行而不殆，可以为
天下母。”《淮南子·天文训》中也有相似的阐述。张衡吸收了前人的先进
思想，在《灵宪》中更系统地阐述了这种天体演化思想。这种思想在当时有
重要的进步意义的。它从物质运动变化本身来说明宇宙的形成过程，这就否
定了盘古开天辟地的无稽之谈，也是对天不变道亦不变的反动天命论的有力
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批判。
张衡关于行星运动规律的认识也是十分卓越了。《灵宪》中说：“凡文
耀丽乎天，其动者七，日月五星是也。周旋右回，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”。张衡认为，
各行星视运动的快慢不同，但有其共同规律可循。即视运动的快慢决定于该
天体离开地球的远近。这是一个普遍的规律。当时，日月五星的恒星周期已
经掌握得相当精密了，因此，张衡很清楚地知道日月五星与地球的距离各不
相同，按顺序排列应为月、水、金、日、火、木、土。月亮为27天多运行一
周，水星要近90天，太阳要一年，而运动最慢的土星则需要30年。由此可
以推想，众恒星的相对位置并非不变，只是它们距离遥远，难以发现它们在
移动而已。根据这一认识，张衡还将日月五星分为两类，运动快的称为月类，
属于阴性，离地近；运动得慢的称为日类，属于阳性，离地远。由此可见，
张衡当时对行星运动已有相当的科学认识，这在世界天文学发展史上应该是
一项值得称道的重要发现。
张衡在《灵宪》中清楚地说明了月亮本身并不发光，而是反射太阳光。
他说：“夫日譬犹火，月譬如水，火则外光，水则含景。故月光生于日之所
照，魄生于日之所蔽，当日则光盈，就日则光尽也。”他形象地把太阳的和
月亮比做火和水，火能发光，水能反光，并指出月光的产生是由于日光照射
的缘故，有时看不见月光，是因为太阳光被遮住了。他这种见解在当时是十
分新鲜和正确的。同时，张衡还进一步解释了日、月食发生的原因。他说：
“当日之冲，光常不合者，蔽于地也，是谓暗虚。在星则星微，遇月则食。”
这段话的意思是：“望月”的时候，应该能看到满月，但是有时看不到，这
是因为日光被地球遮住的缘故。他把地影遮住的暗处叫做“暗虚”，月亮经
过“暗虚”便发生月食，精辟地阐述了月食的原理。至于“在星则星微”一
句，说是星星碰上“暗虚”就隐而不见了。现在看来这种说法是不正确的，
此为张衡的不足之处；对于日食的成因，张衡解释为当日月相合时，月在内，
日在外，月挡住了太阳射向地球的光亮，所以就发生日食。我国古代对于日、
月食发生规律的认识是很早的，《诗经·小雅》就有“彼月而食，则准其常”
的记载。战国时的石申已经意识到日食与月亮有关；对于月食发生的周期在
《史记·天宫书》中首次提出，“凡百一十三月而复始。故月食，常也。”
《三统历》也算出了一百三十五月有二十三交的交食周期，从此，我国开始
了预报日、月食的历史。但是，从理论上详细对日、月食发生的原理作出科
学的解释，则始于张衡。
此外，张衡在《灵宪》中还算出了日、月的角直径，记录了在中原洛阳
观察到的恒星2500颗。《灵宪》中说：“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。”据现今天文学家统计，
以肉眼能看到的六等星为止，总数约6000颗，而在同时间同一地方所能看到
的星，也不过2500颗左右，可见张衡的观察是比较精确的。
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张衡在天文学上这种创见和发现，在今天看来，虽然并不稀奇，而且还
有不科学之处，但在1800多年前科学水平还很低的情况下，张衡能有这样的
见解，这就使我们不能不惊异他大胆的创见和卓越的智慧了。以张衡和世界
各国同时代天文学家相比，他也是最杰出的一个。这是值得我们骄傲的。
五、浑天仪的创制
我国是世界上天文学发达最早的国之一，我们的祖先经过对天象的长期
观测和研究，到汉朝时，关于天体运动和宇宙结构，已经先后出现了几种不
同的学说，其中有代表性的是盖天说、宣夜说和浑天说三个学派，它们的思
想渊源有的可以追溯到春秋战国时代。
盖天说创立最早，成书于公元前一世纪的《周髀算经》便是这一学派的
代表作。其中论述道：天与地是平行的。天象盖笠，地象棋盘。天在上，地
在下，日月星辰都附在天盖上。盖不停地运动，因而日月星辰也在转动，从
而把地球的自转说成是天盖的转动。用盖天说来解释天的视运动，已被越来
越多的天文观测事实所否定。只是由于古人活动范围狭小，科学水平低，所
以一般人较易接受这种直观的盖天说，以至于在西汉仍然流行。
浑天说是西汉中期新兴的一种学说。浑天说认为天是浑圆的，日月星辰
会转入地下。这种学说把天比作蛋壳，地比作蛋黄，地包含在天内，日月星
辰都在蛋壳上不停地转动。这种说法虽不是很恰当，但用浑天说的理论就能
较客观地解释夜晚看不到太阳的现象，这种学说也逐渐为人们所接受。
宣夜说由东汉前期的郄萌作了系统的总结和明确的表述。他指出“日月
众星，自然浮生虚空之中，其行止皆须气焉”，这就是说日月众星不是附着
于天体的，而是悬浮在宇宙空间，并依靠气的作用而运动；此外他还说天没
有一定的形状，进一步论证了不存在一个“固体”的天球。宣夜说没有对天
体运动的规律作更具体的论证。到东汉末年，宣夜说便已失传。
张衡根据自己对天体运行规律的认识和实际观察，认真研究了这三种学
说，认为浑天说比较切合实际。于是，他在《灵宪》中也用了相当大的篇幅
阐述了他的浑天思想。在《灵宪》中，张衡保留了旧的地平概念，提出了天
的直径问题。他还进一步明确提出在“天球”之外还是有空间的，浑圆的天
体并不是宇宙的边界。他说：“过此而往者，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。”就是说，我们能够观测到的空间是
有限的，观测不到的地方是无穷无尽、无始无终的宇宙。这段话明确地提出
了无限宇宙的思想，是十分可贵的；但张衡表述的浑天学说是一种以地球为
中心的宇宙理论，在当时历史条件下，它只能比较近似地说明了天体的运行。
在张衡的另一部著名的天文学著作《浑天仪注》中，他进一步阐发了他
的浑天学说。张衡指出：“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡中黄、孤居
于内，天大而地小，天表里有水。天之包地，犹壳之裹黄。天地各乘气而立，
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载水而浮。”他还指出天体每天绕地球旋转一周，总是半见于地平之上，半
隐于地平之下，等等。这里，张衡明确地指出大地是个圆球，形象地说明了
天与地的关系，但“天表里有水”等说法，却是一个重大的缺陷。
在张衡的浑天学说中，他还指出了赤道、黄道和北极的地位，讲出了为
什么夏季日长夜短，冬季夜长日短的原因。这是我国天文史上的辉煌成就。
张衡以他的浑天学说为基础，在天文学上作出了一系列创造性的贡献，
他根据浑天学说创制的浑天仪就是其中最为突出的杰作。
我国古代所创制的天文仪器中，用于测量天体位置的叫浑仪，用来演示
天体结构和周日周年视运动方位的叫做浑象，后者类似于现在的天球仪。这
两件仪器在汉代通称为浑天仪。而张衡所造的浑天仪，就是后一种浑象仪器。
早在浑天说创立之始，人们就计划着制造浑天仪来观测星辰。西汉武帝时的
落下闳，大约是第一个着手制造浑天仪的人。宣帝时耿寿昌铸铜为象，永元
15年（公元103年）贾逵创制了黄道铜仪，也都是浑天仪。张衡的浑天仪又
称水运浑象，是世界上第一台用水力推动的大型天文仪器。
张衡创制浑天仪的成功，是在公元117年 （汉安帝元初4年），那时他
四十岁。为了制造这架仪器，张衡耗费了很多心血，先后用了一年多的时间。
在铸造正式的浑天仪之前，他经过了仔细的研究和观察，设计出了一个图案，
然后用竹条劈成薄薄的竹蔑，把这些竹蔑刻上度数，再把它们编成圆环，穿
联起来，制成一个仪器的模型以作为试验。经过多次修改试验准确了，然后
再用铜铸成正式仪器。因为这个仪器是根据浑天说的理论来制造的，所以张
衡就把那个用竹蔑编成的模型叫做“小浑”，铜铸的就定名为“浑天仪”。
据史书记载，这座铜铸浑天仪主体是一个球体模型，代表天球，每弧度
长为4分，圆周长为一丈4尺6寸1分，直径4尺6寸5分。球体里面有个
铁轴贯穿球心，轴的方向就是天球运转的方向，也是地球自转轴的方向。轴
和球面有两个交点——天球上的北极与南极。北极高出地平线36度，表示当
时京师洛阳的地理纬度。球的表面上刻有28宿和中外星官。球的外面有地平
圈和子午圈，天球半露在地平圈之下，天轴即支架在子午圈之上。另外还有
黄道圈和赤道圈，互成24度的交角。在赤道和黄道上，各列有24个节气，
并且从冬至点起，刻分成365．25度，每度又分4格，太阳每天在黄道上移
一度。
为了使浑天仪能够按照时刻自己转动，张衡把浑天仪和计时用的漏壶联
系起来。滴漏壶是我们祖先用来测知时刻的仪器，它用一个特制的器皿装水，
这器皿下面有小孔，水通过小孔，一滴一滴流到刻有时刻记号的壶里，因而
可以由壶里水的深浅知道是什么时刻。张衡就是利用漏壶滴水的力量来推动
齿轮，齿轮再带动浑天仪，通过恰当地选择齿轮的个数和齿数，巧妙地使浑
象一昼夜转动一周。这样，他就使浑天仪上所刻的天文现象，按时刻自动地
呈现出来。人们要想知道某天某时刻的某颗星所在的位置，只需在屋子里看
浑天仪便知。某颗星出现了，某颗星正在中天，某颗星不见了，这些现象，
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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。�