精儀器揭天地

摘要：張衡在科學(xué)技術(shù)、儀器儀表、發(fā)明創(chuàng)造等方面的成就涉及天文學(xué)、地震學(xué)、機(jī)械學(xué)、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域，好友崔瑗稱贊他：“數(shù)術(shù)窮天地，制作侔造化。奇技偉藝，與神合契”。他發(fā)明的科學(xué)儀器不僅開(kāi)創(chuàng)了古代自然科學(xué)的新局面，而且對(duì)后世的科學(xué)技術(shù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義?？梢哉f(shuō)，張衡在科學(xué)創(chuàng)造領(lǐng)域所取得的一系列成果，代表了當(dāng)時(shí)世界科學(xué)文化的最高水平，為人類的文明發(fā)展做出了卓越貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：張衡；古代；儀器儀表

儀器儀表是用以檢出、測(cè)量、觀察、計(jì)算各種物理量、物質(zhì)成分、物性參數(shù)等的器具或設(shè)備，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要“工具”。著名科學(xué)家王大珩先生指出“儀器是認(rèn)識(shí)世界的工具”。 一切科學(xué)研究都離不開(kāi)科學(xué)儀器?？v觀人類社會(huì)的發(fā)展歷史，任何一次大的飛躍，科學(xué)儀器創(chuàng)新和變革始終在其中起著重要作用。中國(guó)古代科學(xué)家在儀器儀表發(fā)明創(chuàng)造方面做出了重大的成就，他們以卓越的才能，非凡的智慧創(chuàng)造了光輝燦爛的中國(guó)古代文明，為人類的進(jìn)步做出了卓越的貢獻(xiàn)。我國(guó)東漢時(shí)期偉大的科學(xué)家張衡，就是其中最杰出的代表。

張衡（公元78-139年），南陽(yáng)西鄂（今南陽(yáng)市臥龍區(qū)石橋鎮(zhèn)）人，他天資聰明，敏而好學(xué)，博學(xué)多能，才華橫溢，在天文、地震、機(jī)械制造、文學(xué)、繪畫等眾多領(lǐng)域都取得了卓越成就，被譽(yù)為“科圣”。特別是在機(jī)械制造方面，他發(fā)明了地動(dòng)儀、漏水轉(zhuǎn)渾天儀、土圭、指南車、計(jì)里鼓車、瑞輪蓂莢、相風(fēng)銅鳥(niǎo)等大量的科學(xué)儀器儀表，將中國(guó)古代，也將世界古代科學(xué)技術(shù)推向了一個(gè)最高峰，為人類科技文明的發(fā)展做出了舉世矚目的貢獻(xiàn)。

一、古老的天文觀測(cè)儀器——渾天儀

公元117年，張衡設(shè)計(jì)制造的漏水轉(zhuǎn)渾天儀，即是以水為動(dòng)力演示天體運(yùn)動(dòng)的儀器，它形象地展示了宇宙的理論結(jié)構(gòu)，并兼有計(jì)時(shí)的功能。

錢偉長(zhǎng)在《我國(guó)歷史上的科學(xué)發(fā)明》中寫到：張衡創(chuàng)造了渾天學(xué)說(shuō)，說(shuō)明天象的運(yùn)行原則。根據(jù)他所測(cè)繪的星圖——“靈憲圖”（我國(guó)最早的星圖），作了“渾天儀”……用漏水使渾天儀自己運(yùn)轉(zhuǎn)，星象出沒(méi)和實(shí)際天空完全一樣。這便是現(xiàn)代“渾天儀”的鼻祖。遠(yuǎn)在機(jī)械工業(yè)發(fā)展前約兩千年的祖國(guó)，竟能發(fā)明制作出這樣精巧的儀器，真是驚人而值得我們崇拜了。

《晉書(shū)·天文志》載：“至順帝時(shí)，張衡又制作渾象，具內(nèi)外規(guī)、南北極、黃赤道，列二十四氣、二十八宿、中外星官及日月五緯。以漏水轉(zhuǎn)之于殿上，室內(nèi)星中、出、沒(méi)與天相應(yīng)。因其關(guān)戾，又轉(zhuǎn)瑞輪蓂莢于階下，隨月虛盈，依歷開(kāi)落。”

從這段話和有關(guān)史料可以知道，張衡所制渾天儀與我們現(xiàn)代的假天球儀類似。它用精銅鑄成，主體為一圓球形，代表天球。在天球攔腰處有一道銅圈，代表地平圈，使天球一半在地上，一半在地下。球體內(nèi)有根鐵軸斜穿球心，代表天軸，天軸與地平呈三十六度夾角。天軸與球面的兩個(gè)交點(diǎn)，上為北極點(diǎn)，下為南極點(diǎn)。渾天儀上標(biāo)有黃道圈和赤道圈，黃道圈象征太陽(yáng)運(yùn)行的軌道，赤道圈與黃道圈相交呈二十四度夾角。在黃道上刻有二十四節(jié)氣的位置，還在圓球上標(biāo)許多恒星的位置。并且用一些可移動(dòng)的標(biāo)志來(lái)表示太陽(yáng)、月亮和金、木、水、火、土五大行星。

為了使渾天儀能自行運(yùn)轉(zhuǎn)，張衡采用齒輪系統(tǒng)把渾象和記時(shí)用的漏壺聯(lián)系起來(lái)，用漏壺滴出來(lái)的水的力量帶動(dòng)齒輪，齒輪帶動(dòng)渾象繞軸旋轉(zhuǎn)，一天一周，與天球同步轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，就可以準(zhǔn)確地把天象的變化表示出來(lái)，人在屋子里看著儀器，就可以知道某星正從東方升起，某星已到中天，某星就要從西方落下。張衡還利用連桿原理，安裝了一個(gè)叫“瑞輪蓂莢”的附屬儀器。這個(gè)儀器從每月初一起，一天轉(zhuǎn)出一片木葉，到十五月圓時(shí)，共轉(zhuǎn)現(xiàn)出十五片木葉；從十六日開(kāi)始，每天轉(zhuǎn)入一片木葉，到月底又全部轉(zhuǎn)入儀器之中，這樣既可知道日期，又可知道月亮的圓缺。

張衡制造的水運(yùn)渾象儀，是我國(guó)第一臺(tái)用水力作為動(dòng)力的天文儀器，也是創(chuàng)新性運(yùn)用科學(xué)儀器的卓越典范，它幾乎囊括了當(dāng)時(shí)所有先進(jìn)的天文學(xué)知識(shí)，提供了極其優(yōu)異的觀察和實(shí)測(cè)天象的方法，對(duì)后世天文學(xué)的研究和天文儀器的制作產(chǎn)生了很大的啟發(fā)和借鑒作用。水運(yùn)渾天儀和瑞輪蓂莢都使用了復(fù)雜的齒輪系統(tǒng)和自控裝置。水運(yùn)渾天儀不僅是最精密的天文儀器，也是世界上鐘表的祖先。這是張衡在機(jī)械學(xué)方面的創(chuàng)舉。

二、古老的地震監(jiān)測(cè)儀器——地動(dòng)儀

公元132年張衡發(fā)明了世界上第一臺(tái)測(cè)定地震方位的科學(xué)儀器——地動(dòng)儀。

據(jù)《后漢書(shū)·張衡傳》記載，地動(dòng)儀是用精銅鑄造而成，其形狀像一個(gè)圓柱形的酒樽，直徑為八尺（漢代的一尺約等于現(xiàn)在的23厘米），上面有一個(gè)隆起的頂蓋，酒樽的四周的表面上裝飾有篆書(shū)文字以山、龜、鳥(niǎo)、獸形狀的圖案。內(nèi)部的中間有一根“都柱”，“都柱”的周圍有八條關(guān)道，每條關(guān)道內(nèi)都設(shè)計(jì)有一個(gè)可以操縱觸發(fā)的機(jī)關(guān)。它的外部有八條龍，分別朝向不同的方位，每條龍的嘴里銜著一顆銅丸，每條龍頭的下面均有一只蟾蜍，張著嘴巴，以便隨時(shí)能銜接住龍口中落下的銅丸。地動(dòng)儀的機(jī)關(guān)設(shè)計(jì)的非常精密巧妙，全部隱藏在樽的內(nèi)部，樽的四周覆蓋的非常嚴(yán)密，連一點(diǎn)縫隙也沒(méi)有。如果發(fā)生了地震，樽就會(huì)受到震動(dòng)，并觸發(fā)機(jī)關(guān)，龍就會(huì)吐出口中的銅丸，并落入下面蟾蜍的嘴里，發(fā)出響亮的聲音，看守人員也因此就會(huì)發(fā)覺(jué)。雖然一條龍的機(jī)關(guān)被觸發(fā)了，但另外的七條龍卻仍然保持不動(dòng)。只要找到哪條龍吐出了銅丸，就可以知道地震發(fā)生于什么方向。根據(jù)地震事實(shí)對(duì)地動(dòng)儀進(jìn)行驗(yàn)證，完全符合實(shí)際情況，就像神靈一樣的靈驗(yàn)。在史書(shū)記的記載中，從來(lái)沒(méi)有過(guò)這樣的儀器。

公元138年，張衡的地動(dòng)儀向西北方向的龍吐出了銅球，過(guò)了幾天，隴西發(fā)生了地震，時(shí)間正與龍吐銅球相應(yīng)，可見(jiàn)地動(dòng)儀的靈敏程度。在當(dāng)時(shí)的科技條件下，這是一個(gè)十分了不起的成就，令世人驚嘆，它遙遙領(lǐng)先于世界上任何一個(gè)國(guó)家。

張衡發(fā)明的地動(dòng)儀是人類歷史上的首創(chuàng)，他開(kāi)創(chuàng)了人類使用儀器測(cè)量地震的歷史；他是世界人類從事地震科學(xué)研究的先驅(qū)和世界公認(rèn)的地震學(xué)的鼻祖。他的這一發(fā)明創(chuàng)造，比歐洲早1700多年。

三、測(cè)量方位的儀器——指南車

指南車又稱司南車，是我國(guó)古代偉大的發(fā)明之一，是中國(guó)古代用來(lái)指示方向的一種機(jī)械裝置，也可以作為帝王的儀仗車輛使用。

張衡制造指南車，較早的記載是梁朝沈約所著《宋書(shū)》稱：“指南車，其始周公所作，……至于秦漢，其制無(wú)聞，后漢張衡始復(fù)創(chuàng)造。漢末喪亂，其器不存，魏明帝青龍（公元233-236年）中令博士馬均又造之。”北宋時(shí)期燕肅、吳德仁分別都造出指南車。

燕肅指南車的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩只輪（車輪），兩只小型滑輪和五個(gè)大小轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪（兩只附足立輪，兩只小平輪和一只中心大平輪）組成。車子中央的指南小木人固定在中心大平輪上，兩只滑輪各懸吊一只小平輪，并以繩鎖和車轅末端相連。

燕肅指南車巧妙融合了多種機(jī)械原理，指南車轉(zhuǎn)向時(shí)，車體與中心大平輪旋轉(zhuǎn)相同角度，單方向正好相反。兩者運(yùn)動(dòng)互相抵消后，相當(dāng)于木人不動(dòng)，仍然指向南方。

指南車的發(fā)明是前人在機(jī)械設(shè)計(jì)、制造方面智慧的結(jié)晶。在現(xiàn)代生活中，這種指南工具早已失去了它的地位，但它所運(yùn)用的差動(dòng)齒輪系和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理，對(duì)于后世的機(jī)械制造是不無(wú)啟發(fā)，在今天的生產(chǎn)生活中仍然發(fā)揮著巨大的作用。西方學(xué)者對(duì)這項(xiàng)科技發(fā)明給予高度評(píng)價(jià)，稱贊它是一切控制機(jī)械的藍(lán)本之一，用李約瑟的話說(shuō)，中國(guó)的指南車“可以說(shuō)是人類歷史上邁向控制論機(jī)器的第一步”，是人類“第一架體內(nèi)穩(wěn)定機(jī)”。

四、測(cè)量里程的儀器——記里鼓車

記里鼓車是中國(guó)古代用輪軸機(jī)械量度地面距離的車輛，由“記道車”發(fā)展而來(lái)。有關(guān)記道車的文字記載最早見(jiàn)于漢代劉歆的《西京雜記》：“漢朝輿駕祠甘泉汾陽(yáng)……記道車，駕四，中道?！笨梢?jiàn)至遲在西漢時(shí)期，已有了這種可以計(jì)算道路里程的裝置。到后來(lái)，因?yàn)榧恿诵幸焕锫反蛞幌鹿牡难b置，故名“記里鼓車”，它被機(jī)器人專家稱為是一種中國(guó)古代機(jī)器人。張衡也曾制作過(guò)記里鼓車，但可惜沒(méi)有相關(guān)的圖形或文字流傳下來(lái)。

據(jù)《宋史》所載盧道隆記里鼓車的形制，有一轅，雙輪，車身記里部分分上下兩層，上層設(shè)一鐘，下層設(shè)一鼓，每一層都有一個(gè)手持木槌的木頭人。左右兩個(gè)著地車輪，直徑各6尺，周長(zhǎng)18尺。按宋制，一里等于1800尺，一步等于5尺，一里合360步，輪轉(zhuǎn)100次合一里。車走十里，木人擊鼓1次，當(dāng)擊鼓十次，就擊鐘一次。

記里鼓車的道理并不復(fù)雜，就是利用車輪的周長(zhǎng)記錄車行的里數(shù)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，車輪的周長(zhǎng)是恒定不變的，車行一里輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)也是不變的，只要記住車輪的圈數(shù)，行駛里程也就會(huì)得到了。記里鼓車正是利用這一原理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)行駛里程的測(cè)量。

今天的汽車?yán)锍瘫恚啃旭傄还?，里程表上便轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)數(shù)碼，其原理與古代記里鼓車相似。

五、古老的計(jì)時(shí)儀器——土圭

張衡在擔(dān)任太史令期間，為了天文觀測(cè)的需要，曾經(jīng)制做過(guò)一種計(jì)時(shí)儀器——土圭?！短接[》引《義熙起居注》云：“（東晉義熙）十四年（418年）相國(guó)表曰：‘平陳，獲張衡所制渾天儀、土圭?！睆埡獗救艘苍凇稏|京賦》中提到“土圭測(cè)景，不縮不盈”。《周禮》中有關(guān)于使用土圭的記載，它是我國(guó)最古老的一種計(jì)時(shí)器。

土圭又稱圭表，由“圭”和“表”兩個(gè)部件組成。直立于平地上測(cè)日影的標(biāo)桿和石柱，叫作表；正南正北方向平放的測(cè)定表影長(zhǎng)度的刻板，叫作圭。當(dāng)太陽(yáng)照著表的時(shí)候，圭上出現(xiàn)了表的影子。古人們通過(guò)太陽(yáng)光照射表在圭上留下影子的長(zhǎng)短和方向，來(lái)確定一個(gè)太陽(yáng)回歸年的天數(shù)以及24節(jié)氣日。張衡在《渾天儀注》中諸如“冬至……日最短，夜最長(zhǎng)，景極長(zhǎng)”、“夏至……日最長(zhǎng)，夜最短，景極短”、“秋分……景居二至長(zhǎng)短之中”等關(guān)于二十四節(jié)氣日時(shí)日影長(zhǎng)短的描述，與其制作并使用土圭進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)密不可分。用圭表側(cè)影也叫立竿見(jiàn)影，用立竿見(jiàn)影研究歷法是天文學(xué)發(fā)展的一次飛躍。

由此可知張衡的土圭也叫做日影器，也是一種機(jī)械和光結(jié)合的儀器。所以儀器儀表在啟蒙時(shí)期就體現(xiàn)了儀器儀表是機(jī)、光、電技術(shù)結(jié)合的一門實(shí)現(xiàn)測(cè)量控制功能的科學(xué)技術(shù)。

六、測(cè)定風(fēng)向風(fēng)速的儀器——相風(fēng)銅鳥(niǎo)

1958年8月25日，中國(guó)人民郵政發(fā)行了特24《氣象》郵票一套三枚，其第一枚名為“古氣象儀”。票面正中，一鳥(niǎo)立于桿頭，鳥(niǎo)口銜花望遠(yuǎn)，這就是我國(guó)古代最有名的風(fēng)向測(cè)試儀——張衡發(fā)明的相風(fēng)銅鳥(niǎo)。

據(jù)歷史記載，東漢時(shí)風(fēng)災(zāi)較多，而安帝時(shí)期尤為嚴(yán)重。如 “安帝元初六年（119年）夏四月，沛國(guó)、勃海大風(fēng)，拔樹(shù)三萬(wàn)余枚”而作為兩任太史令的張衡，“候風(fēng)”的工作亦是其職守所在。張衡根據(jù)實(shí)際生活中的觀測(cè)，并在借鑒前人“銅鳳凰”、“相風(fēng)烏車”的基礎(chǔ)上，于順帝陽(yáng)嘉元年（132年）制造了用于風(fēng)向觀測(cè)的氣象儀器——相風(fēng)銅鳥(niǎo)，并安裝于長(zhǎng)安靈臺(tái)之上。

《古今圖書(shū)集成·歷象匯編》有“東漢張衡制相風(fēng)銅烏，置之于長(zhǎng)安宮南靈臺(tái)之上，遇風(fēng)乃動(dòng)。”

《三輔黃圖》卷之五<臺(tái)榭>記載的更為詳細(xì)：“漢靈臺(tái)在長(zhǎng)安西北八里，漢始曰清臺(tái)，本為候風(fēng)者觀陽(yáng)陰之變，更名曰靈臺(tái)。郭緣生《述征記》曰：長(zhǎng)安宮南有靈臺(tái)，高十五仞（120尺），上有渾儀，張衡所制，又有相風(fēng)銅烏，遇風(fēng)乃動(dòng)，察其所自，云鳥(niǎo)動(dòng)百里，風(fēng)鳴千里……”。由“遇風(fēng)乃動(dòng)，鳥(niǎo)動(dòng)百里，風(fēng)鳴千里”可知他能指示風(fēng)速快慢，所以可能是雛形風(fēng)速表。而西方裝在屋頂上的候風(fēng)雞，是在12世紀(jì)開(kāi)始有的，比張衡的相風(fēng)銅鳥(niǎo)晚了約1000年。

精儀揭天地，科圣著千秋。張衡在科學(xué)技術(shù)、儀器儀表、發(fā)明創(chuàng)造等方面的成就涉及天文學(xué)、地震學(xué)、機(jī)械學(xué)、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域，好友崔瑗稱贊他：“數(shù)術(shù)窮天地，制作牟造化。奇技偉藝，與神合契”。他發(fā)明的科學(xué)儀器不僅開(kāi)創(chuàng)了古代自然科學(xué)的新局面，而且對(duì)后世的科學(xué)技術(shù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義?？梢哉f(shuō)，張衡在科學(xué)創(chuàng)造領(lǐng)域所取得的一系列成果，代表了當(dāng)時(shí)世界科學(xué)文化的最高水平，為人類的文明發(fā)展做出了卓越貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]百度百科

[2]《中國(guó)科學(xué)技術(shù)史》，【英】李約瑟著，科學(xué)出版社，1975年版

[3]《張衡·儀器儀表》杜如彬編著， 2009.9

[4]《后漢書(shū)》，【南朝宋】范曄著，蘭州大學(xué)出版社，1994年版

作者簡(jiǎn)介：文永杰，女，1974年生，河南省社旗縣人，單位：南陽(yáng)市張衡博物館，職稱：館員，學(xué)歷：本科，主要從事漢代歷史文化及張衡的研究。