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张衡像他的祖父一样，自小刻苦向学，很有文采。16岁以后曾离开家乡到外
地游学。他先到了当时的学术文化中心三辅（今陕西西安一带）。这一地区壮丽的
山河和宏伟的秦汉古都遗址给他提供了丰富的文学创作素材。以后又到了东汉首
都洛阳。在那儿，他进过当时的最高学府——太学，结识了一位青年学者崔瑗，
与他结为挚友。崔瑗是当时的经学家、天文学家贾逵的学生，也精通天文、历法、
数学等学问。和帝永元十二年（公元100年）张衡应南阳太守鲍德之请，作了他的
主簿，掌管文书工作。8年后鲍德调任京师，张衡即辞官居家。在南阳期间他致
力于探讨天文、阴阳、历算等学问，并反复研究西汉扬雄著的《太玄经》。他在
这些方面的名声引起了汉安帝的注意。永初五年（公元111年）张衡被征召进京，
拜为郎中。
元初元年（公元114年）迁尚书郎。次年，迁太史令。以后曾调任他职，但5年
后复为太史令。总计前后任此职达14年之久，张衡许多重大的科学研究工作都是
在这一阶段里完成的。顺帝阳嘉二年（公元133年）升为侍中。但不久受到宦官排
挤中伤，于永和元年（公元136年）调到京外，任河间王刘政的相。刘政是个骄横
奢侈、不守中央法典的人，地方许多豪强与他共为不法。张衡到任后严整法纪，
打击豪强，使得上下肃然。3年后，他向顺帝上表请求退休，但朝廷却征拜他为
尚书。此事颇有蹊跷，因尚书的官秩远低于侍中或相，他是否应征，史载不彰。
就在这一年（永和四年，即公元139年）他即告逝世。
张衡是一位具有多方面才能的科学家。他的成就涉及到天文学、地震学、机
械技术、数学乃至文学艺术等许多领域。
1．天文学
张衡在天文学方面有两项最重要的工作——著《灵宪》，作浑天仪。此外，
在历法方面也有所研究。
关于《灵宪》
《灵宪》是张衡有关天文学的一篇代表作，全面体现了张衡在天文学上的成
就和发展。原文被《后汉书？天文志》刘昭注所征引而传世。文中介绍的天文学
要点如下：
（1）宇宙的起源。《灵宪》认为，宇宙最初是一派无形无色的阴的精气，幽
清寂寞。这是一个很长的阶段，称为“溟滓”。这一阶段乃是道之根。从道根产
生道干，气也有了颜色。但是，“浑沌不分”，看不出任何形状，也量不出它的
运动速度。这种气叫做“太素”。这又是个很长的阶段，称为“庞鸿”。有了道
干以后，开始产生物体。这时，“元气剖判，刚柔始分，清浊异位，天成于外，
地定于内”。天地配合，产生万物。这一阶段叫做“太玄”，也就是道之实。
《灵宪》把宇宙演化三阶段称之为道根、道干、道实。在解释有浑沌不分的太素
气时引了《道德经》里的话：“有物混成，先天地生。”这些都说明了《灵宪》
的宇宙起源思想，其渊源是老子的道家哲学。《灵宪》的宇宙起源学说和《淮南
子？天文训》的思想十分相像，不过《淮南子》认为在气分清浊之后“清阳者薄
靡而为天，重浊者凝滞而为地”。天上地下，这是盖天说。而《灵宪》主张清气
所成的天在外，浊气所成的地在内，这是浑天说。
总之，张衡继承和发展了中国古代的思想传统认为宇宙并非生来就是如此，
而是有个产生和演化的过程。张衡所代表的思想传统与西方古代认为宇宙结构亘
古不变的思想传统大异其趣，却和现代宇宙演化学说的精神有所相通。
（2）关于宇宙的无限性。战国时代的《尸子》定义说，“上下四方曰宇，往
古来今曰宙”。宇就是空间，宙就是时间。中国的传统思想是把空间和时间联系
在一起的。这一点也和西方古代把二者看成是两个互相割裂的概念大不相同。但
是，中国和西方一样，在二者是有限还是无限的问题上历来也有争论。《庄子》
一书中就有宇宙在空间和时间上都是无限的说法。而西汉末年的扬雄却认为“阖
天为宇，辟宇为宙”，在空间上是有限的，在时间上是有起点的。张衡虽然长期
研究扬雄的《太玄经》，并受到扬雄较深的影响，但在宇宙的无限性上却不愿遵
循扬雄。《灵宪》认为人目所见的天地是大小有限的，但是，超出这个范围，人
们就“未之或知也。未之或知者，宇宙之谓也。宇之表无极，宙之端无穷”。宇
宙在空间上没有边界，在时间上没有起点。扬雄的思想和目前天文学界最负盛名
的大爆炸宇宙学说在终极本质上是相通的。而张衡的结论却和当代的辩证唯物主
义哲学相合。看来，宇宙有限无限的问题还得长期争论下去。
（3）关于天地的结构。《灵宪》把天描述成是恒星所在的地方，它是一个偏
心率极小的椭球：“八极之维，径二亿三万二千三百里。南北则短减千里，东西
则增广千里。通而度之，则是浑已。”天上有一个北极，枢星正好在这个位置上。
日、月、五星都绕它旋转。天还有个南极，是在地底下，人不可见。人目所见的
地表面是平的，正在天的中央，“自地至天，半于八极；则地之深亦如之”。可
见，张衡心目中的地是个半球。在地面上来说，如以8尺高的表在同一天正午测
量日影长度，则南北相距千里的两个地点所量得的表影长度相差1寸。
为什么把天地要设想成是个椭球结构？我们已无法了解，或许，一种可能是
囿于传统。早在《吕氏春秋？有始览》中就提到：“凡四海之内，东西二万八千
里，南北二万六千里”，东西比南北长了二千里。《淮南子？坠形训》中也引了
这两个数值。可见古人大概相当相信天、地的东西要比南北来得长。
地平说和“表影千里差1寸”的理论，过去人们曾以为是盖天说的内容。但
若据此即认为《灵宪》的天地结构模形是盖天说，那就不当了。浑天模型和盖天
模型最主要的不同在于：浑天的天是球状的，天可以转到地下去。天不仅有出于
地上的北极，还有隐于地下的南极。盖天的天则或像一个盖子笼罩着平地（近人
称之为第一次盖天说），或者和地构成二片平行的曲面（近人称之为第二次盖天
说）。总之，天永远在地之上。天只有北极而不可能有南极。因此，从对天的结
构认识来看，《灵宪》只能划入浑天说而不能视之为盖天说。关于地的问题，必
须指出，历史上的浑盖之争，主要在于天而不在于地。直到唐代一行彻底否定了
日影千里差1寸的旧说之前，水平大地的观念还一直存在于浑天说中。就是在一
行之后，直到西方天文学传入之前，我国仍然未能建立起明确的球形大地的数理
模型。反倒是《灵宪》中的那种“天圆地平”说仍然占有重要地位。
（4）关于日、月的角直径。《灵宪》记载，日、月角直径为整个天周的“七
百三十六分之一”。化成现代通用角度单位即为29′21〃，＇根据钱宝琮的研究，
认为《灵宪》的“（日、月）其径当天周七百三十六分之一，地广二百四十二分之
一”当校改为“（日、月）其径当天周七百三十分之一，地广二百三十二分之一”。
如此则日、月的角直径当为29′35。3〃＇。这和近代天文测量所得的日和月的平
均角直径值31′59〃和31′5〃相比，误差都只有2′左右。以二千年前的观测条
件而论，张衡测值可谓精确。
在张衡之前的《周髀算经》中也介绍过一个观测：用一根8尺高的竿子垂直
立于地面，每当太阳过子午线时量竿影长度。当影长正为6尺时，用一根8尺长、
孔径1寸的竹管观看太阳。《周髀算经》认为此时太阳视圆面正好充满竹管。由
此，《周髀算经》按照“千里差1寸”的比例关系，求得此时太阳距人目为10万
里，进而求得太阳的线直径为1250里。由于“千里差1寸”等基本出发点都是错
误的，因而《周髀算经》所得极为荒谬（太阳的线直径实际为139。1万公里）。就
观测本身而论，《周髀算经》的结果也是相当粗疏的。按竹管长8尺，孔径1寸计
算，太阳角直径为42′58〃。误差比《灵宪》所载大多了。
（5）关于月食原因。在张衡之前，人们已对日食的原因有所认识。西汉的刘
向就说过：“日蚀者，月往蔽之”（见《开元占经》卷九所引）。东汉王充在《论
衡？说日篇》中引述过别人的一种更明确的说法：“或说，日食者月掩之也。日
在上，月在下，障于日之形也。”而对于月食原因，则在张衡之前尚无明晰的解
释。大概正是针对这种状况，张衡在《灵宪》中就未及日食原因，而是专门论述
了月食的原因：“月，光生于日之所照；魄生于日之所蔽。当日则光盈，就日则
光尽也。众星被耀，因水转光。当日之冲，光常不合者，蔽于地也，是谓■虚。
在星星微，月过则食。”
这段话中说到，月亮本身是不发光的，太阳光照到月亮上才产生光月。月亮
之所以出现有亏缺的部分，就是因为这一部分照不到日光。所以，当月和日正相
对时，就出现满月。当月向日靠近时，月亮亏缺就越来越大，终至完全不见。这
样一种月相理论，在《周髀算经》中已有大概：“日兆（按：通照）月，月光乃生，
故成明月。”西汉京房说得更为明确：“先师以为日似弹丸，月似镜体；或以为
月亦似弹丸，日照处则明，不照处则暗”（《开元占经》卷一引）。张衡的月相理
论和他们没有本质的差别，所突出的是张衡强调了月相与日、月相对位置的关系。
但这样一来人们自然要问，既然“当日则光盈”，那么何以有时候当日时会有月
食呢？对此，张衡回答说：“蔽于地也”，即大地挡住了日光，使日光照不到月
亮上去了。张衡把这块大地所产生的影子起个名字叫“■虚”。月亮进入■虚时
就发生月食。《灵宪》对月食原因的阐述是很科学的。
不过，再仔细思考一下■虚，人们又会提出问题。按照《灵宪》所说的天地
结构，地是其下部与天球相密合的半椭球。那么：（i）要使日、月能没入地平且
能在地下运动，日、月就只能是两个无厚的圆面，这就和上面说的月相理论相矛
盾。（ii）太阳没入地平后光线就会被地半球完全挡住，无论什么时候也不会投射
上月亮。这样，晚上的月亮应该总是看不见的，这也就根本谈不上月食的问题了。
要解释这两个矛盾，只能认为《灵宪》中的地有二层不同的含义。第一层含义是
相对天来说的地，那是个半椭球。第二层含义是相对日、月来说的，那是孤悬在
天球中央的一个较小的固体物。或者，可以把这二层含义统一起来说：孤悬在天
内的是一片陆地，此外的地则全是水，故能与天球下半相密合。这样理解之下，
则日、月仍可是个圆球；而日到水下之后日光仍能穿透水而照射到月亮上，只有
那块相对较小的陆地才能产生一块■虚。当然，在这样推