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張衡

  張衡是一位具有多方面才能的科學(xué)家。他的成就涉及到天文學(xué)、地震學(xué)、機(jī)械技術(shù)、數(shù)學(xué)乃至文學(xué)藝術(shù)等許多領(lǐng)域。
  張衡在天文學(xué)方面有兩項(xiàng)最重要的工作——著《靈憲》,作渾天儀。此外,在歷法方面也有所研究。
  《靈憲》是張衡有關(guān)天文學(xué)的一篇代表作,全面體現(xiàn)了張衡在天文學(xué)上的成就和發(fā)展。原文被《后漢書·天文志》劉昭注所征引而傳世。文中介紹的天文學(xué)要點(diǎn)如下:
  (1)宇宙的起源。《靈憲》認(rèn)為,宇宙最初是一派無形無色的陰的精氣,幽清寂寞。這是一個(gè)很長(zhǎng)的階段,稱為“溟滓”。這一階段乃是道之根。從道根產(chǎn)生道干,氣也有了顏色。但是,“渾沌不分”,看不出任何形狀,也量不出它的運(yùn)動(dòng)速度。這種氣叫做“太素”。這又是個(gè)很長(zhǎng)的階段,稱為“龐鴻”。有了道干以后,開始產(chǎn)生物體。這時(shí),“元?dú)馄逝校瑒側(cè)崾挤郑鍧岙愇唬斐捎谕猓囟ㄓ趦?nèi)”。天地配合,產(chǎn)生萬(wàn)物。這一階段叫做“太玄”,也就是道之實(shí)。《靈憲》把宇宙演化三階段稱之為道根、道干、道實(shí)。在解釋有渾沌不分的太素氣時(shí)引了《道德經(jīng)》里的話:“有物混成,先天地生。”這些都說明了《靈憲》的宇宙起源思想,其淵源是老子的道家哲學(xué)。《靈憲》的宇宙起源學(xué)說和《淮南子·天文訓(xùn)》的思想十分相像,不過《淮南子》認(rèn)為在氣分清濁之后“清陽(yáng)者薄靡而為天,重濁者凝滯而為地”。天上地下,這是蓋天說。而《靈憲》主張清氣所成的天在外,濁氣所成的地在內(nèi),這是渾天說。
  總之,張衡繼承和發(fā)展了中國(guó)古代的思想傳統(tǒng)認(rèn)為宇宙并非生來就是如此,而是有個(gè)產(chǎn)生和演化的過程。張衡所代表的思想傳統(tǒng)與西方古代認(rèn)為宇宙結(jié)構(gòu)亙古不變的思想傳統(tǒng)大異其趣,卻和現(xiàn)代宇宙演化學(xué)說的精神有所相通。
  (2)關(guān)于宇宙的無限性。戰(zhàn)國(guó)時(shí)代的《尸子》定義說,“上下四方曰宇,往古來今曰宙”。宇就是空間,宙就是時(shí)間。中國(guó)的傳統(tǒng)思想是把空間和時(shí)間聯(lián)系在一起的。這一點(diǎn)也和西方古代把二者看成是兩個(gè)互相割裂的概念大不相同。但是,中國(guó)和西方一樣,在二者是有限還是無限的問題上歷來也有爭(zhēng)論。《莊子》一書中就有宇宙在空間和時(shí)間上都是無限的說法。而西漢末年的揚(yáng)雄卻認(rèn)為“闔天為宇,辟宇為宙”,在空間上是有限的,在時(shí)間上是有起點(diǎn)的。張衡雖然長(zhǎng)期研究揚(yáng)雄的《太玄經(jīng)》,并受到揚(yáng)雄較深的影響,但在宇宙的無限性上卻不愿遵循揚(yáng)雄。《靈憲》認(rèn)為人目所見的天地是大小有限的,但是,超出這個(gè)范圍,人們就“未之或知也。未之或知者,宇宙之謂也。宇之表無極,宙之端無窮”。宇宙在空間上沒有邊界,在時(shí)間上沒有起點(diǎn)。揚(yáng)雄的思想和目前天文學(xué)界最負(fù)盛名的大爆炸宇宙學(xué)說在終極本質(zhì)上是相通的。而張衡的結(jié)論卻和當(dāng)代的辯證唯物主義哲學(xué)相合。看來,宇宙有限無限的問題還得長(zhǎng)期爭(zhēng)論下去。
  (3)關(guān)于天地的結(jié)構(gòu)。《靈憲》把天描述成是恒星所在的地方,它是一個(gè)偏心率極小的橢球:“八極之維,徑二億三萬(wàn)二千三百里。南北則短減千里,東西則增廣千里。通而度之,則是渾已。”天上有一個(gè)北極,樞星正好在這個(gè)位置上。日、月、五星都繞它旋轉(zhuǎn)。天還有個(gè)南極,是在地底下,人不可見。人目所見的地表面是平的,正在天的中央,“自地至天,半于八極;則地之深亦如之”。可見,張衡心目中的地是個(gè)半球。在地面上來說,如以8尺高的表在同一天正午測(cè)量日影長(zhǎng)度,則南北相距千里的兩個(gè)地點(diǎn)所量得的表影長(zhǎng)度相差1寸。
  為什么把天地要設(shè)想成是個(gè)橢球結(jié)構(gòu)?我們已無法了解,或許,一種可能是囿于傳統(tǒng)。早在《呂氏春秋·有始覽》中就提到:“凡四海之內(nèi),東西二萬(wàn)八千里,南北二萬(wàn)六千里”,東西比南北長(zhǎng)了二千里。《淮南子·墜形訓(xùn)》中也引了這兩個(gè)數(shù)值。可見古人大概相當(dāng)相信天、地的東西要比南北來得長(zhǎng)。
  地平說和“表影千里差1寸”的理論,過去人們?cè)詾槭巧w天說的內(nèi)容。但若據(jù)此即認(rèn)為《靈憲》的天地結(jié)構(gòu)模形是蓋天說,那就不當(dāng)了。渾天模型和蓋天模型最主要的不同在于:渾天的天是球狀的,天可以轉(zhuǎn)到地下去。天不僅有出于地上的北極,還有隱于地下的南極。蓋天的天則或像一個(gè)蓋子籠罩著平地(近人稱之為第一次蓋天說),或者和地構(gòu)成二片平行的曲面(近人稱之為第二次蓋天說)。總之,天永遠(yuǎn)在地之上。天只有北極而不可能有南極。因此,從對(duì)天的結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)來看,《靈憲》只能劃入渾天說而不能視之為蓋天說。關(guān)于地的問題,必須指出,歷史上的渾蓋之爭(zhēng),主要在于天而不在于地。直到唐代一行徹底否定了日影千里差1寸的舊說之前,水平大地的觀念還一直存在于渾天說中。就是在一行之后,直到西方天文學(xué)傳入之前,我國(guó)仍然未能建立起明確的球形大地的數(shù)理模型。反倒是《靈憲》中的那種“天圓地平”說仍然占有重要地位。
  (4)關(guān)于日、月的角直徑。《靈憲》記載,日、月角直徑為整個(gè)天周的“七百三十六分之一”。化成現(xiàn)代通用角度單位即為29′21″,[根據(jù)錢寶琮的研究,認(rèn)為《靈憲》的“(日、月)其徑當(dāng)天周七百三十六分之一,地廣二百四十二分之一”當(dāng)校改為“(日、月)其徑當(dāng)天周七百三十分之一,地廣二百三十二分之一”。如此則日、月的角直徑當(dāng)為 29′35.3″]。這和近代天文測(cè)量所得的日和月的平均角直徑值31′59″和31′5″相比,誤差都只有2′左右。以二千年前的觀測(cè)條件而論,張衡測(cè)值可謂精確。
  在張衡之前的《周髀算經(jīng)》中也介紹過一個(gè)觀測(cè):用一根8尺高的竿子垂直立于地面,每當(dāng)太陽(yáng)過子午線時(shí)量竿影長(zhǎng)度。當(dāng)影長(zhǎng)正為6尺時(shí),用一根8尺長(zhǎng)、孔徑1寸的竹管觀看太陽(yáng)。《周髀算經(jīng)》認(rèn)為此時(shí)太陽(yáng)視圓面正好充滿竹管。由此,《周髀算經(jīng)》按照“千里差1寸”的比例關(guān)系,求得此時(shí)太陽(yáng)距人目為10萬(wàn)里,進(jìn)而求得太陽(yáng)的線直徑為1250里。由于“千里差1寸”等基本出發(fā)點(diǎn)都是錯(cuò)誤的,因而《周髀算經(jīng)》所得極為荒謬(太陽(yáng)的線直徑實(shí)際為139.1萬(wàn)公里)。就觀測(cè)本身而論,《周髀算經(jīng)》的結(jié)果也是相當(dāng)粗疏的。按竹管長(zhǎng)8尺,孔徑1寸計(jì)算,太陽(yáng)角直徑為42′58″。誤差比《靈憲》所載大多了。
  (5)關(guān)于月食原因。在張衡之前,人們已對(duì)日食的原因有所認(rèn)識(shí)。西漢的劉向就說過:“日蝕者,月往蔽之”(見《開元占經(jīng)》卷九所引)。東漢王充在《論衡·說日篇》中引述過別人的一種更明確的說法:“或說,日食者月掩之也。日在上,月在下,障于日之形也。”而對(duì)于月食原因,則在張衡之前尚無明晰的解釋。大概正是針對(duì)這種狀況,張衡在《靈憲》中就未及日食原因,而是專門論述了月食的原因:“月,光生于日之所照;魄生于日之所蔽。當(dāng)日則光盈,就日則光盡也。眾星被耀,因水轉(zhuǎn)光。當(dāng)日之沖,光常不合者,蔽于地也,是謂虛。在星星微,月過則食。” 這段話中說到,月亮本身是不發(fā)光的,太陽(yáng)光照到月亮上才產(chǎn)生光月。月亮之所以出現(xiàn)有虧缺的部分,就是因?yàn)檫@一部分照不到日光。所以,當(dāng)月和日正相對(duì)時(shí),就出現(xiàn)滿月。當(dāng)月向日靠近時(shí),月亮虧缺就越來越大,終至完全不見。這樣一種月相理論,在《周髀算經(jīng)》中已有大概:“日兆(按:通照)月,月光乃生,故成明月。”西漢京房說得更為明確:“先師以為日似彈丸,月似鏡體;或以為月亦似彈丸,日照處則明,不照處則暗”(《開元占經(jīng)》卷一引)。張衡的月相理論和他們沒有本質(zhì)的差別,所突出的是張衡強(qiáng)調(diào)了月相與日、月相對(duì)位置的關(guān)系。但這樣一來人們自然要問,既然“當(dāng)日則光盈”,那么何以有時(shí)候當(dāng)日時(shí)會(huì)有月食呢?對(duì)此,張衡回答說:“蔽于地也”,即大地?fù)踝×巳展猓谷展庹詹坏皆铝辽先チ恕埡獍堰@塊大地所產(chǎn)生的影子起個(gè)名字叫“虛”。月亮進(jìn)入虛時(shí)就發(fā)生月食。《靈憲》對(duì)月食原因的闡述是很科學(xué)的。
  不過,再仔細(xì)思考一下虛,人們又會(huì)提出問題。按照《靈憲》所說的天地結(jié)構(gòu),地是其下部與天球相密合的半橢球。那么:(i)要使日、月能沒入地平且能在地下運(yùn)動(dòng),日、月就只能是兩個(gè)無厚的圓面,這就和上面說的月相理論相矛盾。(ii)太陽(yáng)沒入地平后光線就會(huì)被地半球完全擋住,無論什么時(shí)候也不會(huì)投射上月亮。這樣,晚上的月亮應(yīng)該總是看不見的,這也就根本談不上月食的問題了。要解釋這兩個(gè)矛盾,只能認(rèn)為《靈憲》中的地有二層不同的含義。第一層含義是相對(duì)天來說的地,那是個(gè)半橢球。第二層含義是相對(duì)日、月來說的,那是孤懸在天球中央的一個(gè)較小的固體物。或者,可以把這二層含義統(tǒng)一起來說:孤懸在天內(nèi)的是一片陸地,此外的地則全是水,故能與天球下半相密合。這樣理解之下,則日、月仍可是個(gè)圓球;而日到水下之后日光仍能穿透水而照射到月亮上,只有那塊相對(duì)較小的陸地才能產(chǎn)生一塊虛。當(dāng)然,在這樣推測(cè)的時(shí)候還得再補(bǔ)充一點(diǎn),即應(yīng)該認(rèn)為在張衡看來,水是一種透明度較高的物質(zhì),所以深入地下之后的日光仍能穿透厚厚的水層而射到月亮,產(chǎn)生皓然明月。
  (6)關(guān)于五星的運(yùn)動(dòng)。《靈憲》中提出了4點(diǎn)極有價(jià)值的見解。第一,日、月、五星并非是在天球球殼上,它們是在天地之間運(yùn)行,距地的遠(yuǎn)近各有不同。第二,這7個(gè)天體的運(yùn)動(dòng)速度也不同,離地近的速度快,離地遠(yuǎn)的速度就慢。第三,《靈憲》用天的力量來說明行星之所以有留、逆、遲、速等運(yùn)動(dòng)變化現(xiàn)象(“天道者貴順也。近天則遲,遠(yuǎn)天則速。行則屈,屈則留回,留回則逆,逆則遲,迫于天也”)。第四,按照五星離地遠(yuǎn)近及其運(yùn)行的快慢,可以將它們分成兩類。一類附于月,屬陰,包括水星和金星。另一類附于日,屬陽(yáng),包括火星、木星和土星。
  《靈憲》上述這4點(diǎn)都很有意思。其中第一點(diǎn)可以說基本上是正確的,雖然實(shí)際情況要比這種概括復(fù)雜得多。第二點(diǎn)則與古希臘人的思想完全相合。而在中國(guó),則在張衡之前還沒有人提起過,并且在他之后也未對(duì)此點(diǎn)給予重視,這就使中國(guó)古代數(shù)理天文學(xué)的發(fā)展受到很大的局限。第三點(diǎn)雖然說得非常含混難解,而且完全不正確,但它卻顯然是在尋求說明行星運(yùn)動(dòng)之所以有順逆遲速的力學(xué)原因。這種努力的本身值得在整個(gè)天文學(xué)史上大書一筆。1500多年之后,王錫闡在《五星行度解》里提到了類似的思想,并進(jìn)一步提出了天對(duì)日、月、五星有一種類似磁石吸針的力量。王錫闡的思想的力學(xué)性就更明確了。雖然張衡、王錫闡的思想都并不正確,但是行星和它們的衛(wèi)星(月亮是地球的衛(wèi)星,地球是一顆行星)的運(yùn)動(dòng),的確都是受到萬(wàn)有引力定律所支配的。因此,追究這些天體運(yùn)動(dòng)中的力學(xué)原因無疑是一個(gè)正確的方向。在西方,對(duì)于這種力學(xué)原因的探討在張衡之后的1000多年里仍然是沒有的。許多偉大的希臘天文學(xué)家都只有對(duì)日、月、五星的運(yùn)動(dòng)作精細(xì)的運(yùn)動(dòng)學(xué)描述,而從未想到過解釋其力學(xué)原因。力學(xué)原因的探討要直到16世紀(jì)科學(xué)革命開始之后才被提出來。第四點(diǎn)也很有意思。《靈憲》的行星分類正好是太陽(yáng)系中內(nèi)行星與外行星的分類。當(dāng)然,現(xiàn)在我們知道,所有的行星,包括地球,都是繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)的,而月亮則是繞地球轉(zhuǎn)的。所以,“附于月”的說法當(dāng)然是錯(cuò)誤的。之所以會(huì)有這樣的錯(cuò)誤,是因?yàn)閺埡夂推渌湃艘粯樱言铝磷鳛殛幍拇怼2贿^,從金、水兩內(nèi)行星的運(yùn)動(dòng)來說,人目所見的鮮有和外行星有截然不同的地方。那就是,外行星只能從晨出于東方開始一個(gè)會(huì)合周期。而內(nèi)行星則在一個(gè)會(huì)合周期不但可以晨出于東方,而且還可以像月亮一樣,昏出于西方。正是由于這種昏出于西方的相似性,《靈憲》才提出“附于月”的說法。
  (7)關(guān)于星官。滿天繁星,古人將它們組合成一個(gè)個(gè)星組,以便于對(duì)它們進(jìn)行辨認(rèn)和觀測(cè)。這些星組少則一星,多則數(shù)十星。這樣的星組古人稱之為星官。由于各個(gè)天文學(xué)家的取舍、組合方法并不都相同,因此形成了許多家不同的星官體系。直到張衡時(shí)代,流傳于世的星官體系有以《史記·天官書》為代表的體系,有石氏、甘氏、黃帝以及“海人之占”等等的體系。對(duì)這些各有特色的體系,張衡作了一番比較、整理和匯總的工作,發(fā)展出了一整套收羅恒星最多的新體系。《靈憲》記載,其中“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,而海人之占未存焉”。張衡的這一星官體系整理工作比(三國(guó)吳)天文學(xué)家陳卓總結(jié)甘、石、巫咸三家星官的時(shí)代要早100多年,而且所包括的星官、星數(shù)比陳卓要多得多(陳卓所總結(jié)的有283官1464星),成就當(dāng)然要比陳卓大。可惜張衡星官體系已經(jīng)失傳,這是我國(guó)恒星觀測(cè)史上的重大損失。
  與恒星星官有關(guān)的一個(gè)問題是,《靈憲》中提出了星空里還存在一種“微星”即很暗弱的星,其數(shù)有11520顆。這個(gè)數(shù)字并非嚴(yán)格得自實(shí)測(cè),而是來自《易經(jīng)》中神秘的“萬(wàn)物之?dāng)?shù)”。數(shù)字當(dāng)然是不正確的。但張衡認(rèn)為有微星存在,且星數(shù)比亮星多得多,這卻是符合客觀實(shí)際的。
  (8)流星和隕星。天空中除了日、月、星(古稱三光。星包括行星和恒星)這些常見成員外,還不時(shí)見到流星之類的天體。《靈憲》認(rèn)為“及其(按:指三光)衰也,神歇精■,于是有隕星。然則奔星之所墜,至地則石矣”。這里,張衡繼承了前人“星墜至地則石也”(《史記·天官書》)的思想,對(duì)隕石的來源予以較正確的解釋。同時(shí),張衡還探討了隕星產(chǎn)生的原因,認(rèn)為是與日、月、星的衰敗有關(guān)。雖然這個(gè)想法不正確(太陽(yáng)系內(nèi)有一些大大小小的流星體,當(dāng)它們?cè)谶\(yùn)行中與地球相遇,進(jìn)入大氣層后因摩擦而燃燒,便成為流星;較大的流星體在大氣層中未及燒盡而墜落地面,便成為隕星,或稱隕石),但是,每個(gè)天體都有發(fā)展到“衰”敗死亡的階段,這卻是非常科學(xué)的結(jié)論。張衡的這個(gè)思想非常合乎辯證法,而且也正是西方古代天文學(xué)中所缺乏的。
  與隕石相聯(lián)系,《靈憲》中對(duì)恒星的產(chǎn)生也有一種解釋:“地有山岳,以宣其氣,精種為星。星也者,體生于地,精成于天。”這種星生于地的見解當(dāng)然是完全錯(cuò)誤的。它是當(dāng)時(shí)已流行了幾百年的天地相應(yīng)的思想的反映。《靈憲》說道:“在天成象,在地成形。天有九位,地有九域。天有三辰,地有三形。有象可效,有形可度。情性萬(wàn)殊,旁通感薄,自然相生,莫之能紀(jì)。”這些所謂天地之間的對(duì)應(yīng),純粹出于人的主觀附會(huì),毫無內(nèi)涵上的科學(xué)聯(lián)系。例如,所謂天的九位(即古人所謂九天)和地的九域(即所謂九州)全都是中國(guó)古人的人為劃分。所以,這種相應(yīng)純屬數(shù)字偶合。不過,張衡之所以會(huì)有山岳之精氣上升為星的想法,原因即在于他見到的隕星至地都是石頭,而山岳則正是最多石頭的地方。石頭又怎能上天?所以必然會(huì)想到這是山岳的精氣,這就可以上升到天上成為星。這些反映了隕石來自天外的思想。而在西方,直到17世紀(jì),還有天文學(xué)家認(rèn)為隕石并非來自地外的說法。
  《靈憲》作為一篇杰出的古代天文學(xué)著作,當(dāng)然仍會(huì)有許多不足的地方。除了前面已經(jīng)提到的各點(diǎn)外,比如文中還把嫦娥奔月的神話當(dāng)作事實(shí)記載在內(nèi),甚至說嫦娥入月后化成了蟾蜍。至于文中流露的種種星占術(shù)思想,那是當(dāng)時(shí)整個(gè)時(shí)代的風(fēng)氣,倒也不必去苛求張衡。總之,盡管《靈憲》有一些缺點(diǎn),但是它在天文學(xué)史上的意義并不因此而遜色。梁代劉昭贊頌張衡是“天文之妙,冠絕一代”,其評(píng)價(jià)的主要根據(jù)之一就是《靈憲》這篇杰出的著作。
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