張衡
张衡
1955年中國人民邮政發行張衡像郵票
平子
族裔 漢族
祖籍 南陽西鄂
出生 漢章帝建初三年戊寅
78年
南陽
逝世 漢順帝永和四年己卯
139年(60-61歲)
雒陽

張衡(78年-139年),字平子南阳郡西鄂县(今河南省南阳市南召县南)人[1]東漢士大夫天文學家地理學家數學家科學家發明家文學家,官至太史令侍中尚書。張衡一生成就不凡,曾製作以水力推動的渾天儀、發明能夠探測震源方向的地動儀指南車、發現蝕及月蝕的原因、繪製記錄2,500顆星體的星圖、計算圓周率準確至小數點後一個位、解釋和確立渾天說宇宙論;在文學方面,他創作了《二京賦》及《歸田賦》等辭賦名篇,拓展了漢賦的文體與題材,被列為「漢賦四大家」之一。他開創了七言古詩的詩歌體裁,對中華文化有巨大貢獻。張衡為備受尊崇的偉大科學家,成就與西方同時期的托勒密媲美,其地位也为现代天文學界所肯定。

生平

張衡出身於南陽大族,祖父張堪蜀郡太守。他少年時曾到雒陽太學讀書,通曉五經[2],好學不倦,不分日夜。張衡為人謙虛,意志堅定[3]:181,淡泊名利。曾受舉薦「孝廉」,被大將軍外戚鄧騭徵召,但張衡都不接受[2]。100年,22歲的張衡出任南陽郡太守鮑德的主簿,8年後辭官讀書。鮑德升職為大司農後,熱心推薦張衡[4];111年,張衡被漢安帝所召,出任尚書台郎中,3年後遷任尚書侍郎;115年,37歲的張衡開始出任太史令,121年調職公車司馬令,126年復任太史令。任職太史令期間,他製作了渾天儀地動儀[5]:176-178。張衡掌領太史令先後達14年之久[3]:180,這個職位相當於現在中國科學院國家天文台的台長[6]:52。張衡長期掌管歷史記載和曆法,沒有升官,被同僚所笑。他寫下《答難》來表明心志,不慕官位[2]。他又曾上痛陳事弊,提出必須禁止大臣奢侈和僭越的主張[7]。133年雒陽大地震,張衡藉此上諫,批評宦官越權,主張大權歸還天子[8]:329。同年張衡遷任侍中。因受當權宦官排斥,136年外調河間相。在河間政績良好,138年他升遷尚書,次年過世,享年61歲[5]:177-178他的傳世著作有文集11卷,《靈憲》、《渾天儀》、《玄圖》各一卷[9]:746、598、600及數學著作《算罔論》[10]:224[註 1]

西晉大臣張輔是其後代。

天文學

清代天球仪(又名浑天仪、浑象),用以表现恒星和星座位置,并能演示天体的周日运动。东汉张衡、三国王蕃、刘宋钱乐之都曾造过这种仪器。

張衡主張渾天說,認為天是球狀的,像個雞蛋,天相當於蛋殼,大地像蛋黃,天把大地包在當中,大地是平面的,周圍是水,大地浮在水上[6]:53-54。他改進西漢耿壽昌的設計,製造了渾天儀[11],並著有《渾天儀》一卷加以解說[6]:52。渾天儀一具安裝在室內,一具安裝在觀測台「靈台」之上[12]:542。渾天儀以銅鑄造,是空心球體,直徑約五尺,上畫二十八宿、中外星官及黃道赤道;天球半露在地平圈上,半隱在地平圈下,天軸則支架在子午圈上,天球可繞天軸自行轉動[3]:179,與實際天球運動相一致,可預報天體運動情況[6]:55;其外安裝了地平環、赤道環和子午環,內部設置四遊環。有學者認為,張衡的渾天儀上面裝置了可以眺望天體位置的望筒,兼具演示和觀測效用[13]:27;也有學者認為,此渾天儀沒有望筒,只有演示作用,性質上是天球儀[14]:29。渾天儀每日均勻地繞中軸旋轉一周,以滴水為原動力[3]:179,與漏刻相連,水不斷定量而緩緩地流入刻漏的水斗中。水斗原是靜止不動的,當注水達到某個份量時,其重量就勝過渾天儀和齒輪的阻力,凸耳使齒輪轉動一齒,然後抵住下一齒而再次靜止下來,通過齒輪傳動而使渾天儀緩慢地旋轉[12]:546、550、582。張衡所造渾天儀是個原型、早期的時鐘,在五胡亂華中毀壞;在西方,類似能自動旋轉的渾象在16世紀出現[12]:95、538-539、546

張衡在東方最早正確說明月蝕,指出月蝕是由於地球的影子「闇虛」遮掩了月亮而引起的,並測得日、月的視直徑約為度,約等於0.5度,與現今測值相近[3]:180。張衡繪製了星圖,記錄星官124個,星星有2500顆,其中320顆有名字[15]:217,指出曆法制定必須根據實測結果,曾在123年參與曆法辯論,反對依據圖讖而制定的「甲寅曆」[16]:223,根據月亮運行有遲疾的規律,以「九道法」為基礎提出新曆,但沒有被朝廷採納[17]:51。他提出五星視運動的理論,認為就同一行星而言,其運行軌道與地面時而接近,時而遠離,「近天則遲,遠天則速」,解釋五星運行的或快或慢[3]:180;運動緩慢的外行星火星、木星、土星,張衡歸類為陽,運動較快的內行星水星和金星,歸類為陰[13]:39。張衡沒有認識到北極高度會隨地點而變化,定出北極高度是36度[18]:50,他也沒有認識歲差,因冬至點難以觀測,只從西漢末年所測的舊數值換算,定出冬至點以黃道度量為入斗宿20度,較當時實際情況偏東超過3度;他並根據觀測,定出冬至黃道最遠時去極115度,夏至黃道去極67度,因受儀器所限,數據稍欠精確[19]:145-146、149、147

宇宙論

張衡雖然反對圖讖,但他的宇宙論卻受當時流行的讖緯影響[20]:256。他撰有天文學著作《靈憲》,敘述宇宙生成論,觀點接近西漢《淮南子·天文訓》。他提出宇宙形成的三個階段,首先是「溟滓」,是的原始狀態,什麼都沒有,是「無」的階段,道的根本;第二是「龐鴻」,是元氣開始發動、連結在一起、混沌不分的狀態;第三是「太元」,元氣分化,有剛柔清濁之分,天地各自形成,陰陽四時變化而生萬物[21]:16[22]:296。天圓地平,天是一個中空的球體,地是半球體,上平下圓,處於天體下半部[21]:17。八極約長二億三萬二千三百里,南北少一千里,東西多一千里,天地距離和地的厚度,都等於八極的一半[22]:296。他指出宇宙是無窮無極的[21]:16,肯定時間與空間的無限性,提出以「」為基本的自然觀,人是元氣的聚合,如水之凝結為冰,人死是元氣消散,如冰塊融化為水,復歸於元氣,與自然成為一體[22]:297、293、299

數學

130年前後,張衡完成推算圓周率。根據三國時劉徽九章算術注》,張衡認為立方體及其內接球體積之比,是8:5,由此推論圓周率是10的平方根3.1622[10]:223-224。南北朝祖暅《渾天論》則提到張衡提出的另一個數字:[21]:16;有學者認為今本文獻有衍文,張衡的數字其實是較準確的[23]:66,此說未被廣泛接受。張衡的圓周率數字其實頗為粗疏,受劉徽嚴詞批評,西漢末年劉歆指出圓周率為3.1547,已比張衡更準確;但張衡的計算並非倚靠實測,而是從理論出發,從立圓術公式推求圓周率,仍有開創性的貢獻[24]:359、361。張衡也曾研究球體體積,但沒有重大改進[25]:397

地理學

地震學家約翰·米爾恩英语John Milne構想的候風地動儀外形
候風地動儀的其中一款模型

132年,張衡發明和製造了世上第一部驗震器「候風地動儀」,形狀像圓形的酒甕,斷面直徑八尺,其內中央置有一根很重的柱子,稱「都柱」,可以向八個方向傾側或傾擺;酒甕外部的八個方向各有一個龍頭,龍頭下各有一隻蟾蜍,張口對著龍頭,八條龍各口含銅丸一顆,當都柱向某一方傾側時,該方向的龍口張開,銅丸落下,掉入蟾蜍口中。地震發生時,只有震源方向上的龍頭張口,據此可知地震的方向。范曄後漢書》記載,地動儀放在雒陽,134年12月13日[26]:481隴西發生地震,當時雒陽並無震動,但一個龍口掉出銅丸,其後才傳來隴西地震的消息,證實其探測地震方向的功效[6]:55-57[3]:181。而候風地動儀所謂的「候風」,是指測定風的變化,地震相信是因為陰陽兩氣相搏而形成,氣的變化會產生風;哪個地方有地震,哪個方向就有氣的變化,就有風來可以測到[27]:3。候風地動儀流傳到隋代,北朝信都芳、隋代臨孝恭都研究過,到唐代失傳[28]:356-358

地動儀利用物體的慣性來測震,其構造學者有兩種看法,其一認為,都柱是個掛起的懸擺,又重又粗,都柱下有一小銅球,組成觸發機制,在地震波水平運動中,都柱移位,小銅球脫落,撞擊機關[26]:486、484,又或都柱帶動八條向八個方位伸出去的臂,連接扛杆,當懸擺向某一方向擺動時,龍口就會張開[28]:347-348。另一種觀點是,都柱是一種倒立的震擺,附有重錘,安裝在底座上,周圍有八組機械裝置,一旦地震,重錘傾側,都柱失去平衡,觸道機械裝置,使相應的龍口張開[28]:350[3]:180。現代中、日學者都嘗試復原地動儀[6]:57,日本學者曾以直立震擺式的地動儀模型做實驗,証明地震初震很強的話,銅丸會因初到的縱波而落下,確定地震的方向[28]:352-353;但其他地震學者卻指出,直立震擺的傾倒方向有隨機性,對震動反應遲鈍,沒有驗震作用,直立震擺底部所用的彈簧,也不可能是漢代技術水平的產物,而懸擺式的地動儀模型,在2000年代則通過中國地震學者用振動台模擬地震狀態的試驗,得到中國學術界的認可[26]:482-484、478。張衡地動儀比直至19世紀前期西方的水銀地震儀更先進[28]:362,但亦有個別學者質疑《後漢書》中有關地動儀的記載,指出從現代地震學的觀點看,若單獨一個儀器,僅在一個地點進行測量,難以測定震源[21]:251

116年,張衡繪製和呈獻地圖「地形圖」,流傳到唐代;李約瑟推測張衡曾運用計里畫方的網格繪圖,但此說受其他學者質疑[28]:106[29]:79、135

其他發明

指南車模型

渾天儀和候風地動儀以外,張衡發明了指南車、「自飛木雕」和機械日曆,並改良了漏刻的構造。指南車是雙輪馬車,內置齒輪裝置,即使行駛時多次轉向,車上人像亦永遠指向正南;張衡所造指南車在漢末戰亂中被毀。自飛木雕是一隻木鳥,有羽翼,腹內有機械,能飛起,張衡〈應間〉曾提到這隻能飛的木雕:「木雕猶能獨飛」。李約瑟推測自飛木雕以彈簧為動力,推動直升陀螺的螺旋槳[12]:315、638。張衡在漏刻使用虹吸管(稱為「玉虬」),代替壺底的漏咀,並在貯水壺和受水壺之間加入一個補償壺,使計時更準確;受水壺蓋上鑄有個小塑像,左手持著可以上下浮動的垂直指示桿(「漏箭」),右手則指向指示桿上的刻度[15]:342、351-353[12]:541。機械日曆「瑞輪蓂莢」像渾天儀一樣,都是水力推動的,能顯示月相和朔望月的天數[30]:363。有學者認為張衡也製造了風向儀,古書上「候風地動儀」其實是指風向儀和地動儀兩種儀器,這種風向儀是鳥狀的,能隨風轉動[3]:193

思想

政治上,張衡堅持批判現實,對宫廷政治的污濁奸詐深感憂憤[31],反對王侯貴族的奢侈生活[32]。他受道家思想影響,傾向老、莊,主張無為,有人生無常、遁隱厭世的思想,企圖超越世俗生活,其宇宙論也體現道家觀念,晩期作品〈思玄賦〉道家傾向更強。他繼承了西漢儒家董仲舒的災異、天人感應之說,認為星象變異和地震等災異,是上天對世人和朝廷的譴告,促使他製造更精密的儀器去認識宇宙和偵測地震,以察知天意;但他反對讖緯預言,曾上〈請禁絕圖讖疏〉[21]:18-22、127-128[26]:485,指出圖讖弄虛作假,為迎合當權者而偽造。他推崇西漢揚雄的《太玄[22]:293、298,認為「玄」是宇宙的根本原理,《太玄》一書深奧而難以理解。他相信天上有許多神、星神、四方神、天皇等等,不但天上有神,山林原野都有神靈,天體的組織,則與地上朝廷政府的組織相對應[21]:20、107、110-111,月亮上有蟾蜍,由嫦娥所變[13]:38,星星會影響人的命運[15]:217。張衡熟悉「風角」之術,認為可透過觀風而知禍福[8]:722-723,相信占卜,宇宙間有某種神秘力量,絕非所有事物都可用理性解釋[33]:113-114、123、14

文學

明刊本《文選》〈東京賦〉書影

張衡是辭賦名家,將漢賦推向高峰,由歌功頌德的辭賦發展為抒情小賦[21]:12,現存大致完整的作品有〈温泉賦〉、〈南都賦〉、〈二京賦〉、〈思玄賦〉、〈歸田賦〉、〈髑髏賦〉、〈天象賦〉、〈應間〉、〈七辯〉九篇。〈溫泉賦〉描寫長安附近驪山著名的温泉,屬早期作品;〈二京賦〉長達7700字[34]:150、31、117,是模倣班固兩都賦〉的大賦,辭藻典雅瑰麗,誇張鋪陳,堪稱不朽佳作[35]。〈西京賦〉假借憑虛公子之口,描寫長安地理形勢、漢高祖的定都、西都的豪華、宮殿的宏偉、城廓的寬大、市場的繁榮、商賈的欺詐、遊俠的作風、園林中的遊獵,〈東京賦〉則假借安處先生之口追溯歷史,從周、秦、兩漢各代帝王,贊頌漢高祖漢文帝漢武帝等,描寫雒陽形勝和漢室儀軌;二賦也描述宗教活動和民間風俗[21]:13、22,如持守色戒的西域僧人[36]:128、雜技歌舞等「百戲」表演、驅邪的大儀式,有其史料價值,可補正史的不足;〈西京賦〉即為南北朝《三輔黃圖》和北宋宋敏求長安志》多次引用,以說明長安面貌[35]。〈二京賦〉引用不少五經句子,文句為何晏〈景福殿賦〉、左思〈蜀都賦〉等後世辭賦襲用[37]:881、856、865,並有東吳薛綜等人的注釋[9]:893。〈南都賦〉則盛讚當時被朝廷忽略的南陽[7],但形式較呆板笨拙,語言則較艱深晦澀[34]:177

張衡〈思玄賦〉是抒情表志的作品,發表自己的理想,模倣楚辭〈遠遊〉和班固的〈幽通賦〉,重覆屈原在〈遠遊〉中的尋求,先去東、南、北三方,登上蓬萊,在瀛州採芝,又去拜會西王母,上了仙宮「瓊宮」,盡享聲色之娛,然後回到故鄉[21]:13、95[33]:42。張衡深受楚辭影響,常引用楚地傳統的神話,〈思玄賦〉引用最多的就是楚辭[21]:20-21。〈歸田賦〉開拓辭賦中田園歸隱的主題,表達其退隱之心,反對宦官當權,政治腐敗而自己無力拯救,有不願同流合污之意[21]:11、14,文中讚美民間的田園生活,山水景色使人心曠神怡,是漢賦中罕見的短篇,啟導陶淵明〈歸去來辭〉等後世抒發歸隱之情的作品[38]:22,所寫自然風景歡樂和諧,也啟導王羲之蘭亭集序〉等後世文章[39]:62,文中道家思想鮮明,則可說是後世玄言詩的先驅[40]:47。〈髑髏賦〉以對話體擴充鋪陳《莊子.至樂》篇中的寓言,賦中的髑髏就是莊子[41]:43-45。有後人批評,張衡的辭賦缺乏獨創性,主要模倣前人著作,如〈二京賦〉模倣班固〈兩都賦〉,〈南都賦〉模倣揚雄〈蜀都賦〉,〈應間〉模倣東方朔〈答客難〉,〈七辯〉則模倣枚乘〈七發〉[21]:14

詩歌方面,張衡初次撰寫七言古詩〈四愁詩〉,脫離了楚歌的句式,接近純粹的七言詩[42]:68-69[43]:246,並為後世詩人模倣,如晉代傅玄撰有〈擬張衡四愁詩〉[44]。張衡〈同聲歌〉則是新娘向新郎的傾訴,描寫新婚的優美,詩中提到房中術著作《素女經》的內容[45]:103-105

經學、史學、美術

張衡通曉經學,曾撰寫《周官訓詁》,但稍欠特色,失傳於世。他對漢朝歷史亦相當了解,有志於史學,擔任侍中時,曾請求到東觀專心撰寫東漢史書,但不獲批准;又曾上書指摘司馬遷史記》和班固漢書》兩書的錯失,提出漢朝史書應有的體例[2]。張衡亦是個畫家,列為東漢六大畫家之一[3]:181,唐代《历代名画记》曾记载他曾用腳趾畫怪獸这一傳説[29]:160

地位與紀念

月球背面「張衡環形山

張衡名列「漢賦四大家」之一[5]:176,受尊崇為中國歷史上的大科學家。在東漢,崔瑗稱讚他能知天文地理,製作巧奪天工,「數術窮天地,制作侔造化,與神合契」,南陽人為他修建廟宇[21]:179、45;三國時傅玄則惋惜他不在其位,工藝才華未能盡情發揮[12]:35;他的地動儀和天文學成就都沒有傳人,天文學著作殘缺不全,科學貢獻漸被後人遺忘[21]:163。有學者猜測,地動儀的原理在古代可能已輾轉傳到波斯和日本。19世紀末,西方地震學約翰·米爾恩英语John Milne開始留意到張衡地動儀的開創性成就[28]:361-362、342,有學者認為,米爾恩所造的首座現代地震儀,就是受地動儀啟發的[26]:487。1920年代,中國史家也注意到張衡的科學成就,1924年,張蔭麟首先稱讚張衡為中國「第一位大科學家」,李約瑟特別推崇張衡,大部份現代中國學者亦稱張衡為偉大的科學家[21]:163-164、11、175。學者認為張衡可與西方幾乎同時代的托勒密相媲美,但在數學、幾何學、科學方法和研究成果,張衡都不如托勒密[21]:160、173

南陽張衡墓地久已荒廢,偶有士人加以修葺,當地人亦不知墓主是誰;1956年,南陽縣政府重建張衡墓園,建立張衡博物館,附有倣漢建築與石雕[46],1988年定為國家級重點文物保護單位,館內展示張衡發明的地動儀、渾天儀、指南車等模型[27]:4。為了紀念張衡,1970年,國際天文學界用張衡名字為月球背面一座環形山命名;1971年,以他來命名小行星1802中國天文學會設立「張衡特殊貢獻獎」,2002年首次頒發[11];2003年,小行星9092以張衡故鄉南陽命名[47];一種銅鋅合金的天然礦物亦以張衡命名,即張衡礦[48]

深圳市龍崗區坂田街道有一條以張衡命名的街道。

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