編者按
張衡是我國古代著(zhù)名科學(xué)家。張衡所發(fā)明的地動(dòng)儀早已失傳，上世紀50年代所嘗試復原的地動(dòng)儀模型并不成功，因此近年來(lái)這受到了一些人的質(zhì)疑乃至否定。受此影響，現在的中學(xué)歷史教科書(shū)正文中已不再提到張衡。我們究竟應該如何看待張衡和他的科學(xué)貢獻？現在的歷史教科書(shū)中對他的忽略是否恰當？
要數在世界科學(xué)史上的巨星，東漢的張衡（字平子，公元78-139年）是極其耀眼的一顆。與古希臘托勒密、阿基米德等科學(xué)家相比，他在科學(xué)上的地位一點(diǎn)也不遜色。他的好友崔瑗評價(jià)他是“道德漫流，文章云浮，數術(shù)窮天地，制作侔造化，奇技偉藝，磊落煥炳?！苯袢斯舴Q(chēng)譽(yù)他是“如此全面發(fā)展之人物，在世界史上亦所罕見(jiàn)?！睆埡庠诳茖W(xué)上貢獻，成就于他的時(shí)代，也超越了他的時(shí)代。
圖1. 張衡（78-139），字平子，南陽(yáng)西鄂人（圖源：著(zhù)名畫(huà)家蔣兆和）
地動(dòng)儀的爭論
說(shuō)到張衡，最引人關(guān)注，也是引起爭論最多的，就是他創(chuàng )制的“候風(fēng)地動(dòng)儀”。近年來(lái)對張衡地動(dòng)儀的無(wú)端懷疑，加上網(wǎng)絡(luò )媒體上各種對地動(dòng)儀復原的不正確報導的推波助瀾，導致在中學(xué)課本正文中刪去了張衡的名字。這是對張衡乃至對中國古代科學(xué)的重大誤讀。
關(guān)于張衡地動(dòng)儀，《后漢書(shū)》中有明確的記載?？煽偸怯幸恍耙晒拧睂W(xué)者，認為歷史記載不可靠，甚至是造假，他們因為自己復原不出來(lái)地動(dòng)儀就認為張衡也沒(méi)有做出來(lái)過(guò)。這不是極度的“現代科學(xué)主義”自負，就是“歷史虛無(wú)主義”的無(wú)知。
張衡地動(dòng)儀的關(guān)鍵構件“都柱”，就是簡(jiǎn)單的立柱。人們往往以為這樣靈敏的柱子根本立不起來(lái)，立起來(lái)了也會(huì )因為各種輕微的干擾而傾倒，而且是“亂倒”，于是就下結論說(shuō)張衡的地動(dòng)儀不可能觀(guān)測地震。這好像很符合常識，所以使人輕信。但常識畢竟還是常識，不是科學(xué)。對地動(dòng)儀立柱的科學(xué)實(shí)驗，不僅證明立柱可以立起來(lái)，而且不會(huì )亂倒，“立柱驗證”完全可行。
前中國科學(xué)院南京天文儀器研制中心天文儀器研究員，著(zhù)名天文儀器專(zhuān)家胡寧生先生，在88歲的高齡，自費制作模型，親自動(dòng)手實(shí)驗，分析力學(xué)上的細節，證明張衡地動(dòng)儀“立柱模型”科學(xué)可靠，復原了張衡地動(dòng)儀的科學(xué)原理。這樣的研究成果，在當今“疑古”的時(shí)尚中，竟然得不到應有的關(guān)注。好在他的研究成果2020年己經(jīng)在《中國科技史雜志》上正式發(fā)表。胡寧生先生以他多年從事天文儀器研究而獲得的機械力學(xué)經(jīng)驗，以嚴肅科學(xué)的態(tài)度，證明張衡地動(dòng)儀不是“神話(huà)”，而是歷史上的科學(xué)的真實(shí)。
圖2. 張衡地動(dòng)儀復原示意圖（圖源：胡寧生）
張衡地動(dòng)儀也不局限于是一種技術(shù)上的發(fā)明，它的背后是科學(xué)的思維、細致的觀(guān)察和務(wù)實(shí)的科學(xué)應用。
首先，張衡認為地震是地下陰氣受逼引起迸發(fā)而造成的，而“氣之動(dòng)”即為“風(fēng)”，這是張衡把它的地動(dòng)儀叫做“候風(fēng)”地動(dòng)儀的原因。
其次，張衡地動(dòng)儀所用的動(dòng)物形象具有象征意義，即龍象征風(fēng)，蟾蜍象征地下的陰氣，但同時(shí)也當是基于對地震現象的觀(guān)察。我們知道，地震發(fā)生之前，蟾蜍這樣的生活在地下的動(dòng)物往往先有警覺(jué)而做出異常的行為。張衡對這些現象肯定是有所觀(guān)察的，這就是地動(dòng)儀用蟾蜍承接銅丸的原因。今人評價(jià)張衡，有時(shí)受“后見(jiàn)之明”的影響，認為張衡研究“候氣”、“風(fēng)角”是搞“迷信”，殊不知這在張衡的時(shí)代，正是科學(xué)思維的邏輯。而張衡在研究“風(fēng)角”的同時(shí)，又明確有反對“圖讖”之類(lèi)的迷信，可見(jiàn)在張衡的思想里，理性的探索與非理性的迷信的界限還是明確的。
最后，地震在古代被認為是重大的災異，在漢代董仲舒構建的“天人合一”災異論說(shuō)中，像地震這樣的災異自然要受到重視，因為這是國家治理的一部分。據《后漢書(shū)》記載，從公元96年到125年的30年中，就有23年發(fā)生過(guò)較大的地震。張衡地動(dòng)儀的發(fā)明，正是滿(mǎn)足了當時(shí)社會(huì )政治的需求，從中可以看到張衡這樣的科學(xué)家的的社會(huì )責任感。
張衡在科學(xué)方面的成就
秦漢時(shí)代是中國古代科學(xué)典范的形成時(shí)期，之前具體性的科學(xué)經(jīng)驗，經(jīng)以陰陽(yáng)五行理論為基礎的宇宙觀(guān)的整合，擺脫了神話(huà)巫術(shù)的束縛，成為理論與觀(guān)察相結合的理性探索。張衡在天文學(xué)方面的成就，是漢代天文學(xué)發(fā)展的寫(xiě)照。
漢以前的天文學(xué)的歷史可謂久矣，但是只是到了漢武帝時(shí)期，通過(guò)“太初改歷”，使古代天文學(xué)具備了“范式”，使天文歷法成為一種數字化的宇宙模型，不僅包括了對日月五星的運動(dòng)的推算，而且包括了對人類(lèi)社會(huì )歷史變遷的研究，用司馬遷的話(huà)說(shuō)是“究天人之際，通古今之變”的大學(xué)問(wèn)。太初改歷過(guò)程中的天文觀(guān)測、宇宙論之爭和理論構建，正是張衡在天文學(xué)上創(chuàng )新發(fā)明的時(shí)代背景。
關(guān)于恒星，司馬遷說(shuō)“唐都分天部”，他在《史記·天官書(shū)》中，綜述了漢代的星空，把星空描述為“天人對應”的體系，與古希臘的星座體系形成鮮明的對比。
東漢的張衡無(wú)疑是秉承了這個(gè)傳統。他在《靈憲》中寫(xiě)道：“星也者，體生于地，精成于天，列居錯跱，各有逌屬。在野象物，在朝象官，在人象事，于是備矣?！碧焐系男切?，就是地上事物的宣氣，天地在本質(zhì)上是對應的。張衡所定的星官體系，是超越了《天官書(shū)》的?！短旃贂?shū)》描寫(xiě)80多個(gè)星官，800多顆恒星。而《靈憲》說(shuō)：“中外之官，常明者百有二十四，可名者三百二十，為星二千五百大大，而海人之占未存焉?！彼^“海人之占”，很可能是指中原地區不可見(jiàn)而在南海地區可見(jiàn)的南天恒星。
圖3. 漢代星圖（圖源：西漢交通大學(xué)漢墓）
關(guān)于行星運動(dòng)，《太初歷》（即《三統歷》）以對行星周期性運行的觀(guān)測為基礎，建立了行星運動(dòng)的計算模型?！度y歷》已經(jīng)把金星和水星與火星、火星和土星區分開(kāi)來(lái)，采取不同的數字模型，張衡則在《靈憲》中對這兩類(lèi)行星做了進(jìn)一步區分，認為前者“附于月”，后者“附于日”，相當于現代天文學(xué)中對“內陸行星”與“外地行星”的區分。張衡還進(jìn)一步認識到，行星運運的快慢與其在天上的高度（也就是離開(kāi)地的距離）有關(guān)，即所謂“近天則遲，遠天則速”，這也是符合行星運動(dòng)實(shí)際情況的科學(xué)論斷。
張衡《靈憲》中還提出了關(guān)于月食成因的理論。他的月食理論，打破了之前的“月照天下，食于蟾蜍”的神話(huà)說(shuō)話(huà)，采用自然主義的陰陽(yáng)理論來(lái)進(jìn)行解釋?zhuān)岢隽恕鞍堤摗钡睦碚摚骸霸鹿馍谌罩?，魄生于日之所蔽，當日則光盈，就日則光盡也。眾星被耀，因水轉光。當日之沖，光常不合者，蔽于地也。是謂暗虛。在星星微，月過(guò)則食?！奔丛率呈怯扇展庖虻卣诒味纬傻摹鞍堤摗痹斐傻?。這是對月食成因的科學(xué)解釋。
在天文宇宙論方面，張衡更是當時(shí)先進(jìn)的“渾天說(shuō)”的代表。關(guān)于宇宙論的“渾蓋之爭”，在西漢時(shí)期就已開(kāi)始。西漢思想家揚雄就經(jīng)歷了從支持“蓋天說(shuō)”到支持“渾天說(shuō)”的思想轉變，寫(xiě)出了著(zhù)名的“難蓋天八事”，從天文觀(guān)測和哲學(xué)思辨的角度，指出的“蓋天說(shuō)”的不可信和“渾天說(shuō)”的優(yōu)越性。而關(guān)于渾天說(shuō)，他說(shuō)，“或問(wèn)渾天。曰：落下閎營(yíng)之，鮮于妄人度之，耿壽昌象之?！边@說(shuō)明在太初改歷的時(shí)候，從民間招募上來(lái)的天文學(xué)家落下閎就已經(jīng)使用基于渾天說(shuō)的天文儀器—渾儀來(lái)進(jìn)行天文測量了。張衡則對渾天說(shuō)進(jìn)行了高度的概括，他在《渾天儀注》中說(shuō)，“渾天如雞子，地如雞子中黃”，形象地描述了渾天說(shuō)的模型，與現代天文學(xué)的天球相當。
神話(huà)、巫術(shù)也是古代人們認識世界的方式，其中也不乏類(lèi)似于科學(xué)幻想的成份。秦漢時(shí)代，古代的思維可以說(shuō)是經(jīng)歷了從神話(huà)到自然主義科學(xué)的轉變。神話(huà)傳說(shuō)堯帝時(shí)生長(cháng)一種叫做“蓂莢”的植物，初一生長(cháng)一葉，初二生長(cháng)一葉，直到十五共生長(cháng)十五葉，之后就一天落一葉，直到三十落完。
圖4. 神話(huà)中的“蓂莢”（圖源：漢畫(huà)像石）
張衡正是從這樣的神話(huà)中獲得了靈感，創(chuàng )制了他稱(chēng)之為“瑞輪蓂莢”的“自動(dòng)化日歷”。照著(zhù)同樣的思路，他還創(chuàng )制了水運渾天儀象，開(kāi)創(chuàng )了中國古代制造水運自動(dòng)化天文儀象的傳統。這一傳統在唐宋時(shí)期得到進(jìn)一步的發(fā)展，直到北宋的蘇頌制造出集天文觀(guān)測、演示和報時(shí)系統為一體的自動(dòng)化天文臺而達到頂峰，李約瑟稱(chēng)之為“世界上最早的天文鐘”。張衡把神話(huà)的想象變成了科學(xué)的現實(shí)。
圖5. 張衡水運渾象及自日歷復原（圖源：中國歷史博物館）
張衡在科學(xué)上的成就還有很多，比如在數學(xué)上對圓周率和球的體積都有研究，這里限于篇幅，不再細述。最后要說(shuō)的是，張衡不僅是偉大的科學(xué)家，也是偉大的文學(xué)家和思想家。他的《四愁詩(shī)》，開(kāi)創(chuàng )了中國古代“七言詩(shī)”的新風(fēng)；他的《二京賦》《南都賦》，以一種包舉宇內的氣度，描寫(xiě)了帝鄉的山川河流、物產(chǎn)礦藏、手工農業(yè)、民俗風(fēng)情等，具有極強的文化感染力；他的《思玄賦》，更是一部星空的暢想曲，把天上星星的秩序與人間社會(huì )的秩序融為一體。沒(méi)有博大的人文情懷，張衡不可能寫(xiě)出這樣的詩(shī)賦。而他的這種人文思想，恰恰構成了他的科學(xué)思想的基礎?！暗赖侣?，文章云浮”，正是張衡博大人文精神的恰當評價(jià)。
張衡是中國古代科學(xué)的座標。世人只有充分認識張衡，才能充分認識中國古代的科學(xué)，才能從中那里獲得科學(xué)原創(chuàng )力的啟發(fā)。世人從事科學(xué)研究，當以張衡為典范。
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