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第5章 汉代天文学家数学家──张衡

汉代是中国历史上科技与文化非常辉煌的一个时期,张衡就诞生在这个时代。他集文学家、天文学家、数学家、地震学家、制图学家、官员等多种头衔于一身,对中国古代天文学、机械技术、地震学的发展,贡献尤多。

张衡(78~139),字平子,南阳西鄂(今河南南阳市石桥镇)人,汉代著名的天文学家、数学家。他出生在一个破落的官僚家庭,自小刻苦向学,很有文采。

94年,16岁的张衡就离开家乡到外地游学,进过当时的最高学府——太学。当时南阳郡太守鲍德非常钦佩张衡的才华,邀请他出任南阳郡主簿,帮助自己办理郡政。张衡辅佐鲍德治理南阳,政绩斐然。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》。111年,张衡被征召进京,拜为郎中。

118年,张衡被任命为尚书郎。第二年,升为太史令。张衡在太史令这个职位上做了14年,他的许多重大的科学研究工作都是在这一阶段里完成的。133年,张衡升为侍中。但不久就受到宦官的排挤和中伤,三年之后,张衡被调到京外,任河间王刘政的丞相。但刘政是个骄横奢侈、不守中央法典的人。张衡到任后严整法纪,打击豪强,使得上下肃然。三年后,他向顺帝上书请求退休,但朝廷却征拜他为尚书。就在这一年(139年)他与世长辞。

张衡的一生在天文学、地震学、机械技术、数学乃至文学艺术等许多领域都做出了杰出的贡献,是一位不可多得的具有多方面才能的科学家。

发明浑天仪

浑天仪是张衡发明的一种演示天球星象运动的仪器。它的外部轮廓像一个圆球,这与张衡所主张的浑天说相吻合,因此命名为浑天仪。张衡的浑天仪,主体与今天的的天球仪相仿,浑天仪的黄、赤道上都画上了二十四节气,浑天仪上还有日、月、五星。贯穿浑天仪的南、北极,有一根可转动的极轴。浑天仪转动时,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。

多级刻漏的发明

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。但随着水的滴失,容器内水面不断降低,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,张衡发明了多级刻漏。他先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。然后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,从而使下面的滴水器出水速度的稳定性得到提高。这样一来,刻漏计时的准确性就大大提高了。

月食的解说

在张衡之前,人们对月食产生的原因就有所认识,但并没有明晰的解释。张衡在《灵宪》中对月食产生的原因进行了专门的论述,他说:月亮本身是不发光的,太阳光照到月亮上才产生了月光。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。张衡对月食原因的阐述是很科学的。

知识小百科

张衡星与张衡环形山

1977年,联合国天文组织将太阳系中的1802号小行星命名为“张衡星”,以此来纪念中国古代伟大科学家张衡的功绩。另外一颗“南阳星”,是为纪念张衡及其诞生地河南南阳的。人们还将月球背面的一个环形山命名为“张衡环形山”,环形山多以著名科学家的名字命名,目前月球背面的环形山中,共有四座以我国古代天文学家名字命名,分别是:石申环形山、张衡环形山、祖冲之环形山和郭守敬环形山。

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