愛華網(wǎng)誰發(fā)明了中國的第一臺地動儀？
宋韻文
早在公元132年，中國就發(fā)明了地球的探測器——地動儀。它是中國古代科文并茂的巨星——張衡創(chuàng)制發(fā)明的，也是世界上最早的一臺會測報地震方向的科學儀器，它首開人類科學測報地震的先河。在此之后的1000多年，歐洲人才發(fā)明了類似的地震儀。
張衡(78～139)，字平子，東漢南陽西鄂人（今河南省南陽市石橋鎮(zhèn)），是東漢時期著名的天文學家和文學家。生于河南南陽西鄂(今河南南陽市石橋鎮(zhèn)夏村)一個望族之家，其“天資睿哲，敏而好學”，自幼又受到良好的教育，因此，從小就文才出眾。他精通天文歷算，曾兩次出任主管天文的太史令。他的渾天理論，以及他所發(fā)明的候風地動儀和漏水轉(zhuǎn)渾天儀是他在科學上最為突出的貢獻。
早年，他就出任以辦理文牘為主的主簿之職，成為遐邇聞名的文學家。公元111年，張衡又遷為尚書侍郎，遂顯露了他在機械制造以及天文學方面的卓越才能。四年之后，張衡首次出任太史令。在職六年間，其專心致志于天文歷算之學，第一次解釋了月食的成因，還鑄成了新設計的渾象，并在大量天文觀測與研究的基礎上完成了天文學名著《靈憲》一書。該書是張衡在天文學領域的一篇最重要的代表作，大約著于漢安帝二年（115）至永寧元年（120）之間。張衡的渾天理論就見諸于他的《靈憲》—書。
書中精辟地闡述了他的天文學理論：陰陽辨證的宇宙起源理論。他指出，雖有天球但宇宙無界。他還用距離的大小解釋行星運動的快慢。長期一來，人們無不據(jù)此來討論張衡對天文學的貢獻。除《靈憲》外，張衡還完成了另一天文學名著《渾天儀注》，記敘他對渾天學說和歷算的新成果。在《渾天儀圖注》和《漏水轉(zhuǎn)運渾天儀記》中，張衡講解了漏水轉(zhuǎn)渾天儀的原理和應用，奠定了我國天文儀器的制造學基礎。于132年，他終于制作成功了世界上第一臺地震觀測儀一一候風地動儀，而后又鑄成漏水轉(zhuǎn)渾天儀。對中國天文學的發(fā)展作出了巨大的貢獻。
張衡一生不但在天文學上有所成就，而且對數(shù)學、歷法、地學、機械以及文學、繪畫諸多領域都有新的探索和研究。數(shù)學方面，他能算出圓周率3.1466和3.1622兩個數(shù)值，比印度、阿拉伯數(shù)學家算出同樣結(jié)果還要約早500年。文學方面的主要著作有：《東京賦》、《西京賦》、《歸田賦》、《四愁歌》、《同聲歌》等。其《東京賦》和《西京賦》就足以奠定了他在中國文教史上的崇高地位，被世人譽為百科全書式的人物。因此，1956年，郭沫若為張衡題寫碑文時說：“如此全面發(fā)展之人物，在世界史中亦所罕見?！?/p>
公元94年，16歲的張衡已是才華出眾，地方官想推薦他為‘孝廉’，到京城可以去做‘博士子弟’（相當于現(xiàn)在國立大學的學生），很有前途。但是，他拒絕了。他想游歷全國的山川，要在實踐中來充實自己的知識。于是，他開始了自己的游學生活。他首先來到西漢的都城長安，當?shù)氐拿麆俟袍E，周圍的山川形勢、風土人情皆給他留下了深刻的印象，從而使張衡積累了豐富的實踐經(jīng)驗和文學素材。
公元96年，張衡來到當時的首都洛陽。在此，他得以在當時的最高學府——太學中讀書，還結(jié)識了許多良師益友，如：有學習過天文、數(shù)學等學問的崔瑗，有以謙虛勤樸而聞名當世的賢士竇章；有擅長經(jīng)學、辭賦以及音樂的馬融；有學識淵博、潛研時務的王符等人。張衡在和他們的交往過程中不斷地充實自己，提高自己。也正是在這里，張衡親眼目睹了中國古代歷史上的一場大災難。
公元119年2月的一天，洛陽和附近42個郡發(fā)生了一場大地震，張衡親眼看到無數(shù)的房屋倒塌、土地陷裂、百姓死傷者不計其數(shù)。寥寥幸存者也是更加窮困潦倒，流離失所。當時地震頻發(fā)，據(jù)《后漢書》記載，從公元96年到125年的30年中，就有23年發(fā)生過較大的地震。也就是說，這只是當時眾多地震中的一個。這場地震所帶來的巨大災難與痛苦，大大刺痛了張衡的心。從此，張衡竟下定決心研究地震，他發(fā)誓道：“我一定要制成一種能夠測報地震的儀器，讓天下老百姓少受災害!”
公元126年，張衡再次被任命為太史令一職。其主要職責是掌管天文、歷法的觀測和制定。地震發(fā)生后，也由他負責—一上報。這給了張衡進一步開展對地震研究的有利條件。為盡快地研制出地動儀，他常常是不辭辛苦地工作著，一面仔細大量翻閱前人留下的有關(guān)資料，又一面細心地總結(jié)勞動人民的實踐經(jīng)驗。精誠所至，金石為開。經(jīng)過六年的刻苦鉆研，在公元132年，張衡終于研制成功了世界上第一臺觀測地震的儀器。
這是一臺能測報地震方向的儀器。它被稱做“地動儀”。此地動儀是“以精銅鑄成，圓徑八尺”，其形狀像一個大酒樽，頂部還有隆起的圓蓋，可以打開。地動儀的外部都十分精致地刻有篆文以及山、龜、鳥、獸等圖形。更為叫人稱奇是，地動儀的外部還重點突出地鑄有八條龍，頭朝下，尾朝上，按東、南、西、北、東南、東北、西南、西北八個方向布列。每條龍口中都含著—粒渾圓的小銅球。每條龍下面的地上，各蹲著一只銅鑄的張著嘴的蟾蜍，它們都抬頭張嘴，似乎在等待著吞食龍嘴里吐出來的銅球。地動儀的內(nèi)部中央立著一根銅質(zhì)“都柱”，柱旁有八條通道，稱為"八道”，道中安有“牙機”。一旦哪個方向發(fā)生地震，地動儀內(nèi)部的“都柱”就發(fā)生傾斜：觸動牙機，地動儀中間的銅柱就朝哪個方向擺去，牽動橫桿，把那個方向龍頭的上部提起，龍嘴就會張開，吐出銅球，銅球也就自動落到下面銅蟾蜍的嘴里，發(fā)出很大的聲響。于是人們就可以知道地震發(fā)生的方向。
沒想到，張衡的地動儀制作成功后，卻受到某些人的無理指責，說什么是“屠龍之術(shù)”、“雕蟲小技”，更沒有什么實用價值。面對這些流言蜚語，張衡沒有退縮，他—方面起草了《應問賦》一文，對反對者進行了有利的駁斥，另—方面繼續(xù)著自己的研究。
公元138年的一天，張衡正在書房中看書。忽然間，“當”的一聲，清脆的響聲，驚動了張衡。他跑過去一看，是地動儀朝西北方向的龍嘴里吐出了銅球，銅球落進了蟾蜍嘴里。
“西北方向發(fā)生地震了!”張衡非常激動，這畢竟是他的儀器第一次起作用啊!可是，當時在洛陽的人們卻絲毫沒有感覺到地震的跡象，于是人們開始議論，對地動儀的準確性還表示懷疑。反對者更是利用這一機會對張衡橫加責難。他們嘲笑張衡擾亂民心，瞎折騰，連一向信任他的皇帝這回也半信半疑了。沒想到，過了幾天，甘肅隴西官員就派人飛馬趕來向皇帝報告：“隴西4天前發(fā)生地震，災情嚴重!”這足以證實了那里前幾天確實發(fā)生了地震。這一下，張衡的地動儀可轟動了整個京城。要知道，東漢的隴西距洛陽有500多公里的路程。地動儀標示無誤，說明它的測震靈敏度是相當高的。于是，人們又被張衡的高超技術(shù)所折服。
中國天文觀測歷史悠久，其觀測儀器也獨具特色。大約在西周時代，中國天文學家已開始使用漏壺記時。渾儀和渾象是我國傳統(tǒng)的天文觀測儀器，有據(jù)可考的最早的制造者是西漢的落下閎。渾指圓球，渾儀是由一系列同心圓組成的一種儀器，往往還加上窺管，以作實際觀測用。渾象則是一個球，上面刻上各種特征天象，用以演示實際天象。渾象和渾儀又統(tǒng)稱渾天儀。
渾天儀相當于現(xiàn)在的天球儀，也稱渾象，是我國古代演示天體視運動的儀器，我國的第一架渾象是公元前70～前50年間的西漢時期的天文學家耿壽昌發(fā)明的。這架儀器是圓周長7.35尺（一漢尺相當于24厘米）的球體，而且，球面上繪制有表赤道的大圓圈。
張衡是一位非常勤奮的學者，除了發(fā)明候風地動儀之外，還有許多其他的發(fā)明。渾天儀就是其中的一項。渾天儀的制作基于某種宇宙理論。
東漢時期，關(guān)于宇宙結(jié)構(gòu)理論的學說主要有：蓋天說、渾天說和宣夜說三種學說。張衡相信的卻是渾天說，他是這樣認為的，天好像一個雞蛋殼，地好比雞蛋黃，天大地?。惶斓馗鞅鼩舛?，載水而浮。
張衡為了更好地解釋“渾天說”，同時也是為了掌管天文歷法工作的需要，他決定制造一個新型的天體模型渾天儀，以此來顯示天象向?qū)嶋H面貌。張衡在前人所造渾象的基礎上，根據(jù)自己的渾天學說，創(chuàng)制了世界上最早利用水力轉(zhuǎn)動的、且比以前精確全面得多的“渾象”(也叫“渾天儀”)，即漏水轉(zhuǎn)渾天儀，又叫水運渾象。
張衡創(chuàng)制的渾象，是測定天體位置的一種儀器，其構(gòu)造精細，所示星圖和天空實際情況基本一樣。它是由漏壺和渾天儀共同組成。此渾天儀是一個可以轉(zhuǎn)動的直徑約1.18米的空心銅球，它代表天球。球體內(nèi)有一根鐵軸貫穿球心，軸的兩端象征北極和南極。
銅球外表刻有互成24度交角的黃道和赤道、二十八宿和中外星宮、南北極、二十四節(jié)氣等的銅球，被固定在一個軸上轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動動力由漏壺的流水提供，可以模擬星空的日視運動。球體的外面還裝有幾個銅圓圈，代表地平圈、子午圈、黃道圈、赤道圈。張衡把當時知道的重要天文現(xiàn)象，都刻在了渾天儀上。
為了使渾天儀能自動轉(zhuǎn)動，張衡又利用水力推動齒輪的原理，用滴壺滴出來的水力推動齒輪，帶動空心銅球繞軸旋轉(zhuǎn)。銅球轉(zhuǎn)動一周的速度和地球自轉(zhuǎn)的速度相等。如此，人們就可以“坐井觀天”了，即坐在屋子里，就能從渾天儀上看到天體運行的情況。此外，水運渾象還帶有一個日歷，即能隨著月亮的盈虧演示一個月中日期的推移，相當于一個機械日歷。張衡還創(chuàng)制了世界上第一架觀測氣象的儀器，叫“相風銅鳥”，比歐洲出現(xiàn)類似的儀器早1000多年。
他的天文學理論主要體現(xiàn)在《靈憲》和《渾天儀注》中。張衡總結(jié)了當時的天文知識和自己的研究成果，寫成《靈憲》一書，書中記錄了2500顆星，并畫出中國第一張完備的星圖，在該書中，明確提出“宇之表無極，宙之端無窮”，不但認識到宇宙無限性，而且認識到行星運動快慢和距離地球遠近有關(guān)，是張衡天文學理論的主要代表作。后又著成了天文學理論的又一代表作——《渾天儀注》一書。
它以對天文學理論和天文學觀測或推算問題進行探索的有機結(jié)合為其表征，又以豐富的天文學問題研究為其內(nèi)涵，是我國古代具有里程碑意義的優(yōu)秀的天文論著。相對于《靈憲》來說，《渾天儀注》的天地結(jié)構(gòu)學說有兩點進步：一是以為地體要比天體小得多，二是可能已經(jīng)認為地球是渾圓的，不再是上平下周、與半個天球等大的半球體了。但《渾天儀注》的天地結(jié)構(gòu)學說仍具有重大缺陷，盡管如此，該學說仍不失為當時中國的先進理論，是渾天說發(fā)展史上一個重要的里程碑。
繼張衡之后，渾天儀朝更加精致和準確方面發(fā)展。三國時代吳國的葛衡、宋代的太史令錢樂之和梁代的陶宏景等人，都制造過“水運渾天儀”。
為了更加準確地觀測天象，唐代的張遂和機械制造師梁令瓚合作，設計制造了兩具新的天文儀器：黃道游儀及渾天銅儀。
張遂(683～727年)，法名一行，也稱僧一行。中國天文學家，唐代巨鹿人。他博覽群書，青年時就讀過十分深奧的《太玄經(jīng)》，并寫了讀書筆記。武則天稱帝時，張遂為免遭當權(quán)者迫害在河南嵩山出家為僧后，專心致力于數(shù)學和天文學研究。712年唐玄宗即位后，張遂被召回長安，主持修訂歷法。在張遂主持下，全國設立了12個觀測站，重新測定了150多顆恒星位置，證明恒星在宇宙中位置并不是永恒不變的，這是天文史上最早的重要發(fā)現(xiàn)。張遂的另一重大貢獻是第一次測量了子午線，他利用自制儀器“復矩”，計算子午線長度，是世界天文學史上的創(chuàng)舉。
通過細致的觀測和計算，張遂糾正過去歷法把全年均分為二十四個節(jié)氣的錯誤。在總結(jié)前人歷法的基礎上，經(jīng)過近10年努力，張遂終于完成一部新歷書，叫《大衍歷》。這部歷書比過去的歷書要精確得多，是當時世界上較先進的歷法。
宋代元佑七年（1092）年，蘇頌(1020～1101)和韓公廉等人制造了第一臺假天儀。它類似現(xiàn)代天文館中的天象廳，人們可以進入里面仰面觀看模擬的天象。
可以說，它是中國古代最雄偉、最復雜的“水運儀象臺”。新儀包括有渾儀、渾象、報時三部分。報時項目除過去的時、刻之外，又增加了昏、旦時刻和夜晚的更、點等。此后，他們又合作制成一架渾天象，在球面響應于天空星象的位置探出小孔，人在里面可以看到點點光亮，猶如天上的星星一樣，感覺十分逼真。
元代的科學家郭守敬也制造了一架渾象，稱作“玲瓏儀”，設計十分精巧。
郭守敬(1231～1316年)，字若思，元代順德(今河北邢臺)人，中國天文學家、水利學家，十分注重天文學的研究。其祖父郭榮精于天文、數(shù)學，擅長水利技術(shù)。郭守敬自幼受祖父培養(yǎng)，后又從劉秉忠、張文謙等學者學習天文、歷法、數(shù)學、地理等，為后來的科學成就打下基礎。
郭守敬參加了元朝政府修訂歷法的工作，為觀測天象，制成簡儀等13種天文儀器。他所制的簡儀，功用與渾儀相同，但結(jié)構(gòu)簡單、刻度精密，且裝有滾珠軸承。清代西方傳教士湯若望來華，見到這一儀器贊不絕口，認為比西方進步300年，并稱贊郭守敬是“中國的第谷”。然而，十分可惜的是，這些凝聚著中國古代科學家智慧與心血的儀器都沒能保存下來。
在郭守敬組織下，當時全國設立了22個天文觀測站。郭守敬利用各地測得的數(shù)據(jù)，經(jīng)過精密計算，計算出一年為365.2425日，和地球公轉(zhuǎn)周期只差26秒，與目前世界上通用的格里歷(即公歷)的一年周期相同。《授時歷》于1280年頒行，比格里歷早300多年。
在他豐碩的天文學知識的熏陶下，郭守敬在水利工程方面，貢獻也很大，主要是修造了“通惠河”，即通州到大都(北京)的一段運河。該運河全長160多里，通航后與濟州河、會通河連接，使南來船舶可直駛北京，不但解決了運糧問題，而且促進了南北交通，繁榮了當時的經(jīng)濟。
現(xiàn)代天球儀就是科學家們在先人的基礎上的再發(fā)明、再創(chuàng)造。
……
綜觀古今的天文事業(yè)，張衡的地動儀可謂歷史久遠，影響巨大，在世界的天文史上占據(jù)著極其重要的地位。
張衡發(fā)明的候風地動儀是科學史上的一大創(chuàng)造，它比歐洲創(chuàng)造類似的地動儀要早1700多年。它是世界上第一架測定地震方向的“地動儀”，便能準確地測出公元138年在洛陽西方的隴西發(fā)生的，連洛陽人也未感到的一次地震，可見它的靈敏度相當高。令人遺憾的是，張衡所制造的地動儀以及制造技術(shù)都失傳了。無奈，到20世紀50年代，中國科學家根據(jù)古書的相關(guān)記載，才復制出一個模型，現(xiàn)陳列于北京的中國歷史博物館里，供人們參觀。
