張衡

張衡是一位效力於東漢的士大夫官員，東漢是西元25年至220年間，以洛陽為都城統治中國的朝代。今天，人們記得他，主要是因為他是一位科學家與發明家。但在他生活的年代，以及此後好幾個世紀，他同樣以詩人的身分聞名於世。

人們常稱他為博學多才之士，也就是在許多不同領域都擁有專門知識的人。他研究天文學、數學、曆法、機械工程、地理與地圖繪製，同時也寫下了收錄於中國早期最重要文學總集中的長篇賦作與短小的抒情詩。

他最為人知的發明，是於西元132年獻給朝廷的候風地動儀：一種能對地震做出反應、並顯示其方位的儀器。歷史學家普遍認為，這是世界上已知同類儀器中最早的一件。

張衡生活的時代，幾乎與羅馬治下埃及的偉大希臘天文學家托勒密同時。這兩人彼此並不相識，但現代歷史學家有時會把他們相提並論，視為歐亞大陸兩端兩大帝國各自最頂尖的天文學家。

張衡於西元78年出生在南陽郡的西鄂縣，也就是今日河南省境內。他的家族頗受敬重，卻並不富裕；他的祖父曾任郡守，並支持光武帝復興漢室。他大約十歲時父親便過世，此後由母親與祖母撫養長大。

西元95年，大約十七歲時，他離家前往長安與洛陽這兩座大城求學，並在太學就讀。他與當時的知名學者結為好友，例如數學家兼書法家崔瑗、經學家馬融，以及思想家王符。朝廷曾邀他出任官職，但他起初都婉拒了。

約在西元100年，他回到南陽擔任功曹，替地方太守起草公文。在那段時間，他花了數年時間創作有關兩京的賦作，大約三十歲時，他開始認真鑽研天文學與數學。

西元112年，漢安帝因聽聞他在數學上的名聲，將他召至洛陽的朝廷。他先後兩度擔任太史令（115年至120年、126年至132年），此後又升任侍中，成為漢順帝身邊的親信顧問。在與勢力強大的宮中宦官發生衝突後，他於約136年離開京城，前往北方擔任河間國的相。西元138年，他被召回洛陽，翌年即在洛陽去世。

地震是漢代國家十分關切的問題。地震不僅會摧毀城鎮，也被視為上天警示政府施政有誤的徵兆。若能盡快得知地震發生的方位，朝廷便能及時派出救濟，並對這個徵兆做出回應。

西元132年，張衡向朝廷獻上一件名為「候風地動儀」的裝置，這個名稱常被譯為「用以測知季節風向與大地震動的儀器」。根據《後漢書》記載，這是一個形似酒罈的大型青銅器，直徑約兩公尺，頂端有拱形蓋子。器身外圍有八個朝外的龍頭，分別對應八個主要方位，每個龍頭口中都含著一顆銅球。每條龍的下方，則蹲伏著一隻張口的銅蟾蜍。

儀器內部有一根中央的柱子——「都柱」，與八條臂桿或軌道相連。當地面震動時，這套機構會使其中一條龍張口，把球掉進下方的蟾蜍口中，發出清脆的聲響。從掉球的那條龍的方向，便能判斷地震來自何方。

同一部史書還記載了一則著名的故事：有一天，一顆球掉落，但洛陽城內卻沒有任何人感覺到震動。官員們因此懷疑這台機器並不靈驗，直到幾天後，一名信使抵達，通報在今日甘肅境內的隴西發生了地震，那個方向距離京城數百公里之遙，恰與掉球的方向相符。此後，據說朝廷便開始利用這台儀器來記錄地震發生的方位。

身為太史令，張衡負責觀測天象、記錄徵兆、編訂曆法，並就哪些日子吉利、哪些不吉利提出建議。在漢代中國，天文學既是一門科學，也是政府施政的一部分：人們相信，天象的變化反映並回應著人間發生的事。

在他大約於西元120年寫成的論著《靈憲》中，他依照「渾天說」來描述宇宙：天如同雞蛋，圓得像彈丸一樣，地球則像蛋黃一樣位於其中。這與較早的「蓋天說」相互競爭，後者認為天是覆蓋在平坦大地之上的一個穹頂。

張衡寫道，月亮如同水一般，本身並不發光，只是反射太陽的光，因此朝向太陽的一面明亮，另一面則是黑暗的。他把月食解釋為月亮進入了太陽光被遮蔽的區域。他還編纂了一份星表，記錄了124個星官、約2,500顆恆星，並指出還有數以千計更暗淡的星星未被列入。

他也參與了朝廷關於曆法的辯論。西元123年，他反對依據讖緯之學來改革曆法的提議，主張這類文獻並不可靠，甚至提議應予以禁絕。曆法最終並未更改，但他提議禁絕讖緯文獻的主張也遭到否決，他這種直言不諱的態度，也為他樹立了不少政敵。

渾天儀是一種以圓環組成、代表天空的模型，每個圓環各自代表一個大圓，例如天球赤道，或太陽運行的軌道（黃道）。中國天文學家早在西元前52年就已加入赤道環，西元84年又加入了黃道環。張衡則進一步加上地平環與子午環，使這件儀器更加完整。

他最了不起的一步，是讓渾天儀能夠自行轉動。他利用漏壺流出的水，帶動一個裝有齒輪的水輪，使渾天儀緩緩轉動，速度恰好與真實天空的運行同步。室內的觀測者可以說出哪些星星正在升起或落下，而結果會與室外實際觀測的人一致。張衡是已知第一位利用水力驅動天文儀器的人。

他也改良了漏水計時的漏壺。在簡單的漏壺中，水從一個水槽滴入接受容器，容器中有一根隨水位浮動的標尺用以指示時間。隨著上方水槽的水逐漸流盡，水壓下降，計時速度也隨之變慢。在約西元117年的著作中，張衡描述了在水源與接受容器之間，加裝一個額外的補償壺，藉此讓水流保持穩定。

這些構想影響深遠。後世的中國天文學家打造出愈來愈精巧的水力儀器，這條脈絡一路延伸到八世紀一行的擒縱機構，以及十一世紀蘇頌宏偉的天文鐘樓，蘇頌更明確指出，他的設計是以張衡的渾天儀為範本。

張衡也曾研究圓周率——也就是圓周長與直徑的比值。長久以來，中國數學家一直簡單地把它當作3來使用。張衡透過比較立方體與其內接球體的體積，得出10的平方根，約為3.162這個數值；他在天文計算中，也曾使用約3.17這個數值。後來的數學家，例如三世紀的劉徽與五世紀的祖沖之，得出了精確得多的數值。

他同時也是一位地圖繪製者。史料記載，他曾於西元116年向朝廷獻上一份地形圖。包括拉斐·德·克雷斯皮尼在內的部分歷史學家，認為是他把方格坐標網引入中國地圖，這個構想後來由三世紀的地圖學家裴秀做出了完整的闡述。不過相關證據十分有限，也有學者對此持較為謹慎的態度。

後世的文獻，也把指南車——一種利用齒輪機構讓車上人偶始終指向南方的雙輪車——以及每行走一里便會擊鼓的記里鼓車，歸功於張衡。不過這些歸屬並不確定。指南車確實是由三世紀的馬鈞所打造，而記里鼓車似乎是由宮廷工匠逐步發展出來的。

另外也很有可能，張衡只是設計了這些儀器，而非親自鑄造。歷史學家安東尼·巴比耶里-羅主張，以他的官職地位，理當是與皇家作坊裡技藝精湛的工匠及鑄造師合作完成，這些工匠也應得到部分功勞。

在同時代人眼中，張衡首先是一位文人。他仿照班固早先的「兩都」賦作，寫下了成對的〈西京賦〉與〈東京賦〉，以豐富的細節描繪長安與洛陽：宮殿、市集、獵苑、節慶與各種娛樂活動。與班固不同的是，張衡把舊都的繁華景象當作一種警示：奢侈與腐化曾經毀掉西漢，同樣也可能毀掉東漢。

他的〈南都賦〉歌詠自己的家鄉南陽。在遭受朝中攻訐時所寫的〈思玄賦〉裡，他想像了一趟遍歷宇宙的心靈旅程，呼應著古代的〈離騷〉，並自問一個賢人究竟應當遠離腐敗的世道，還是留下堅守正道。

有兩篇較短的作品格外具有影響力。〈歸田賦〉是一篇簡短的賦作，表達了辭官歸隱、過簡樸田園生活的心願，這個主題後來成為中國詩歌的重要傳統。〈四愁詩〉則是現存最早的七言詩之一；表面上是情詩，卻被解讀為感嘆自己遭小人阻隔、無法親近君主的哀怨之作。

他的多篇作品，收錄於六世紀由梁朝太子蕭統所編纂的《文選》之中，這也確保了後世能夠讀到這些作品。詩人陶潛（陶淵明）曾稱讚張衡的文字節制而樸實。

張衡的仕途，正反映出東漢朝廷內部的種種緊張關係。皇帝往往年幼即位，權力則在外戚、宦官與士大夫官員之間來回轉移。張衡堅定地站在士大夫這一邊，而他堅持原則的立場，也為此付出了升遷受阻的代價。

由於他對讖緯文獻的看法，以及他認為短命的更始帝在漢室復興史上應得到更多肯定的意見，他被排除在編修官方國史的委員會之外，始終未能獲得他似乎頗為渴望的、備受尊崇的史官職位。

西元133年一場地震之後，他上奏批評新的選官制度。不久之後，他被任命為侍中，並利用自己與漢順帝親近的機會，提醒皇帝提防宦官。宦官因此對他造謠中傷，他則透過文章回應，其中包括〈應間〉一文，文中虛構了一位訪客勸他追求權位，他則回答，一位君子看重的是德行，而非官位。

張衡去世後不久，便獲得了榮譽的肯定。他的好友崔瑗為他撰寫墓碑碑文，讚揚他的推算「窮盡天地」，發明則足以與神明的造化匹敵。三世紀時，官員夏侯湛又為他的墓撰寫了另一篇碑文，而文人傅玄則感嘆，像張衡與工程師馬鈞這樣的人才，從未獲得工部的職位，否則他們的才能，原本能夠造福更多人。

他所打造的儀器，後來也有著漫長的流傳歷史。西晉滅亡後，未來劉宋王朝的開國者劉裕於西元410年代攻下長安時，他早年的渾天儀被人尋回；西元436年，天文學家錢樂之奉命依照張衡的設計，打造了一座新的水力天球儀。北齊與隋朝的工匠，也曾受他的啟發，打造出新的地動儀。

在中國以外，1870與1880年代日本現代地震學的奠基者之一約翰·米爾恩，曾撰文介紹張衡的這件儀器，使它成為科學史著作中的一個標準案例。今天，月球上的一座隕石坑、小行星1802號「張衡星」、礦物「張衡礦」，以及2018年發射的中國首顆地震電磁監測衛星「張衡一號」，都以他的名字命名。

關於地動儀，唯一詳細的描述，出自范曄在張衡去世三百多年後編纂的《後漢書》本傳中一段簡短的文字。這件儀器本身早已失傳；到了元代，學者周密便已指出，就連後世模仿者所打造的地動儀，也沒有一件流傳下來。

核心的問題在於「都柱」究竟是什麼。多數的復原方案，都把它視為一種擺錘，但究竟是哪一種？地震學家約翰·米爾恩，以及1936年的中國學者王振鐸，都提出這是一種懸掛式擺錘，會朝八條軌道之一擺動。1939年，日本地震學家今村明恆與萩原則提出了不同的看法，主張這是一種倒立式擺錘——一根直立的柱子，會朝第一波震動的方向倒下——他們的理由是，懸掛式擺錘會使不只一顆球掉落。王振鐸後來的模型，也改用了直立柱的設計。2005年，一支中國地震學家團隊宣布，他們已打造出一件能夠運作的複製品。

顏鴻森等工程學者指出，至今沒有任何一件現代複製品，能夠達到史料所描述的靈敏度——按照記載，這件儀器能偵測到連附近的人都感覺不到的遠方地震。隴西地震的故事本身也受到質疑：有些學者將它與130年代或140年代甘肅一帶記錄到的一場大地震聯繫起來，但其確切日期與細節，卻無法透過獨立史料加以查證。

因此，多數歷史學家接受張衡確實打造了一件真實存在、能對地面震動做出反應並顯示方位的儀器，但對於其靈敏度與準確度的相關說法，則抱持謹慎態度。用「候（測）震儀」來形容它最為恰當——它只能顯示震動確實發生過，而不像現代的地震儀或地震記錄儀那樣，能夠測量並記錄震動的過程。

在通俗作品中，張衡有時被描繪成「中國的達文西」，或是一位古代的現代科學家。歷史學家對此提出警告。他的天文學，與徵兆的解讀密不可分：他把彗星、日月食與行星運行，解讀為施政的指引，並接受天災可能是上天對苛政回應的傳統觀念。他對地震的理論，其實是建立在「氣」與「候風」等觀念之上，而非建立在地質學的基礎上。

與托勒密的比較，正好說明了這一點。歷史學家金觀濤、樊洪業與劉青峰主張，張衡的渾天儀在實物構造上，已非常接近一個地心說模型，但他並未像托勒密那樣，建立起一套幾何式、公理化的理論；中國天文學關注的重點，是算術性的週期循環與曆法預測，而非幾何模型。另有學者回應，這只是反映了一種截然不同、卻同樣行之有效的傳統，而非某種失敗。

李約瑟的《中國科學技術史》，把張衡置於中國機械鐘錶悠久傳統的起點，這條脈絡一路經由一行延伸到蘇頌。李約瑟提出「為什麼現代科學誕生於歐洲而非中國」這個框架本身，也一直廣受爭議，但他的著作至今仍是研究張衡儀器的基本參考文獻。

最後，張衡的聲望本身也有著自己的歷史。二十世紀，他成為中國科學成就的民族象徵，形象被印在郵票上，寫進教科書裡，也被用來命名2018年發射的地震監測衛星。在肯定他真正才華的同時，把歷史上真實的張衡，與這些現代形象區分開來，正是歷史學家的工作之一。