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張衡的三大發(fā)明指的是什么(張衡的三大發(fā)明是什么)

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來源:科技日報

張衡是我國東漢時期著名的文學家和科學家,他發(fā)明地動儀的事跡,不僅在史書中有記載,還被收錄到教材中,在我國幾乎人人耳熟能詳。而除了發(fā)明地動儀,張衡還有很多巧妙的構思與制作,為我國天文學、氣象學、數(shù)學、機械制作等的發(fā)展做出了重要貢獻。

張衡,字平子,是東漢時期南陽西鄂人,也就是今天的河南南陽人。他出生在一個官宦家庭,祖父張堪曾經擔任過蜀郡太守和漁陽太守,在當?shù)睾苡忻S著祖父病故,家境敗落,所以他從小過著清貧的生活。雖然生活貧困,但張衡天資聰穎,勤奮好學,很小的時候就很擅長寫文章。俗話說,讀萬卷書,不如行萬里路,在 17 歲那年,張衡決心出外游歷,他先是來到了三輔地區(qū),也就是西漢時期以都城長安為中心的京兆、左馮翊、右扶風,相當于今天陜西中部地區(qū),然后再從三輔來到京師洛陽,在那里熟讀五經,貫通六藝,并且與馬融、崔瑗等青年學者結為摯友。

雖然學問出色,但張衡并不熱衷于功名,直到 23 歲那年,才答應了南陽郡太守鮑德的邀請,擔任南陽郡主簿。回到南陽后,他精心鉆研天文、陰陽、歷算等方面的學問,引起了漢安帝的注意,特例征召他為郎中,并很快升其為太史令,專門掌管天時、星歷。在任太史令期間,張衡寫出了《靈憲》《算罔論》等著作,還制作了渾天儀。

《靈憲》是我國第一部重要的天文學理論著作,在書中,張衡全面闡述了天的生成和結構、宇宙的起源和演化、日月星辰的本質等問題,并且第一次正確地解釋了月食的成因,極大地提高了我國古代天文學水平,使其處于世界領先地位。《算罔論》是張衡在數(shù)學方面的重要著作,雖然已經失佚,但劉徽在《九章算術注》中引用了張衡的一些觀點,從中我們可以知道張衡提出了 π =√10,對祖沖之推算出圓周率起到了促進作用。

渾天儀是古代觀測天象的儀器。東漢時期,關于宇宙的學說主要有蓋天說和渾天說兩種,蓋天說認為地是平的,天像一只碗扣在地上;渾天說認為天像蛋殼,地像蛋黃。相較而言,渾天說有較多的支持者,他們制作了不少觀測天象的儀器,被稱為渾天儀,比如漢武帝時期的落下閎就曾經制作過渾天儀。而張衡在繼承和發(fā)展了前人成果的基礎上,對渾天儀進行了改造。他先是用竹篾做了一個小模型,稱作小渾,用了整整一年的時間,進行了多次試驗、改進之后,才用銅鑄而成。

《晉書·天文志》對張衡所改造過的渾天儀有詳細的記載,從記載中可以知道,張衡所造的渾天儀主體是一個大銅球,和現(xiàn)在的天球儀類似。上面有南北極、黃道、赤道、二十四節(jié)氣、二十八星宿和日月等恒星。在銅球相當于南、北極的地方,有一根可以旋轉的軸。球體外面還有兩個圓環(huán),其中通過南北極的圓環(huán)叫子午圈,另一個是表示地平線的地平圈。銅球由西向東旋轉之后,就可以看到刻在上面的星星升到地平圈之上,隨著旋轉向地平圈之下落去,正如天空中恒星東升西落的樣子。張衡渾天儀的偉大之處在于,他通過設計,用水力來轉動銅球,并且使得銅球轉動一周的速度和地球自轉一周的速度一樣。所以,當銅球轉動起來后,人們在室內看著渾天儀,就能知道室外的夜空中哪顆星剛升起,哪顆星已經到了半空中,哪顆星就要落下去了。

更巧妙的是,張衡還設計了一個叫做瑞輪蓂莢的機械裝置。所謂瑞輪是指月亮,蓂莢則是傳說中的一種神草。根據(jù)《竹書紀年》的記載,這種神草生長在古代圣王堯的時代,月朔之日,也就是每個月的農歷初一開始,每日長出一片葉子,半個月就長十五莢,十六日之后,又一天掉一莢,到月晦之日,也就是每個月農歷的最后一天,葉子就掉完了。如果碰上這個月是少一天的小月,那么最后那片葉子就會凋零但是不掉落。因為這種草可以指示出日期和月相,所以又叫歷莢。張衡根據(jù)這個傳說制造了一種機械裝置,能夠隨月盈虛,依歷開落,說是當時的活動日歷也不為過。

在漢順帝初年,經過兩次轉任之后,張衡又當上了太史令,并發(fā)明了地動儀。有時候,人們也將地動儀稱為侯風地動儀,但實際上,侯風儀是張衡在氣象學方面的一項發(fā)明,可以用來測風的方向,和西方屋頂上的侯風雞類似,但卻比西方要早一千多年。

在機械制作方面,根據(jù)《太平御覽》記載,張衡曾經制作過木鳥。這個木鳥不僅有翅膀,而且在鳥腹中有機關,借助機關和翅膀,木鳥可以飛數(shù)里地。此外,張衡還制作過一種有三個輪子,可以自轉的機械,有人認為這是一種記里鼓車,但也有人認為這就是指南車。這些靈巧的機械都已經失傳了,但書籍中留下的相關記載足以證明張衡在機械制作中的高超技藝。晉代的葛洪將張衡和一位三國時期的機械大家馬鈞稱為木圣。

張衡的這些創(chuàng)造發(fā)明,令人嘆服,和他同時代的學者,也是他的好友崔瑗曾說他奇技偉藝,磊落炳煥。術數(shù)窮天地,制作侔造化;曾任中國科學院院長的郭沫若曾說他是世界史中罕見的全面發(fā)展的人物。如今,張衡的名字不僅被各種科技史典籍記載,也被永遠地刻在了天體上。1970 年,國際天文學聯(lián)合會將月球上一座環(huán)形山命名為張衡山,并在 7 年之后,把太陽系中編號為 1802 的小行星命名為張衡星。

作者系濟南中華文化學院(濟南市社會主義學院)講師

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