张衡的图学实践及其思想，本文主要内容关键词为：思想论文,图学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：N09 文献标识码：A 文章编号：1000-2359(2004)01-0021-04
一、张衡的图学实践及其成就
两汉科学技术和工程图学在前代的基础上，有了很大的发展，其代表人物是张衡（78-139年）。范晔（398-445年）《后汉书·方术传》“序”中称“中世张衡为阴阳之宗”[1]，这是一个极正确的论断。在中国科学史和文化史上，张衡不仅是科学宗师，而且是文学宗师，哲学宗师。更重要的是，他还是一位图学宗师，是一位能亲手绘图的古代科学家。但以往对张衡的研究，忽视了他的图学实践及其成就。我们知道，在科学技术中，图和图样是人们用来表达几何信息和工程信息的主要工具，其功能表达了文字和数字难以表达和不能表达的信息。因此，图和图样成为科学技术、工程施工中一种通用的“语言”。图和图样的绘制水平，反映了每一时代科学技术发展的整体水平，没有图和图样，任何科学思想方案和工程技术设计都是无法进行的。根据各家著录，就张衡对图学方面所作的工作而论，大体举凡五端。
其一，地形图
唐人张彦远（约815-874年）《历代名画记》卷三“述古之秘画珍图”称：“古之秘画珍图，因多散逸人间，不得见之，今粗举领袖”，“凡九十有七”，其中有张衡《地形图》一卷，可知张衡此图，唐代尚存。
其二，灵宪图
《新唐书·艺文志》“天文”类著作载张衡《灵宪图》一卷。《隋书·经籍志》中载：《灵宪》一卷，张衡撰。《新唐书·艺文志》中有张衡《灵宪》一卷。《宋书》已佚。《隋书·天文志·天文上》载：“后汉张衡为太史令，铸浑天仪：总序经星，谓之灵宪。……而张衡所铸之图，遇乱堙灭，星官名数，今亦不存。”《灵宪图》应为张衡所绘天文图。
其三，浑仪图注
《新唐书·艺文志》载张衡《浑天仪》一卷，《隋书·经籍志》载《浑天图》一卷，未注撰者。按《开元占经》卷一引张衡《浑仪图注》，可知唐人编纂此书时，张衡《浑仪图注》尚存，是以证知《隋书·经籍志》所载《浑天图》一卷，即张衡所作。
据《后汉书》本传载：“安帝雅闻衡善术学，公车特征，拜郎中。再迁为太史令，遂乃研阴阳，妙尽璇玑之正，作浑天仪，著灵宪，算罔，论言甚详明。”[1]
清人侯康补《后汉书·艺文志》子类有“张衡《浑天仪》一卷。”《晋书·天文志上》载：张平子既作浑天仪于密室中，以漏水转之；令伺之者闭户而唱之，其伺之者以告灵台之观天者曰：“璇玑所加，某星始见，某星已中，某星今没，皆如合符也。”
《隋书·天文志》亦载：“延熹七年，太史令张衡更以铜制浑天仪。以四分为一度，周天一丈四尺六寸一分，亦于密室中以漏水转之。”
其四，地动图
南朝时虞荔《鼎录》中载：“张衡制地动，图记于鼎，沉于西鄂水中。”此图当为张衡制造候风地动仪之图。制作候风地动铜仪之事见《后汉书》本传，“阳嘉元年，复造候风地动仪。以精铜铸成。圆径八尺，合盖隆起，形似酒尊，饰以篆文山龟鸟兽之形。中有都柱，傍行八道，施关发机。外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蜍，张口承之。其牙机巧制，皆隐在尊中，覆盖周密无际。如有地动，尊则振龙，机发吐丸，而蟾蜍衔之。振声激扬，伺者因此觉知。虽一龙发机，而七首不动，寻其方面，乃知震之所在。验之以事，合契若神。自书典所记，未之有也。尝一龙发机，而动不觉动，京师学者，咸怪其无征，后数日，驿至，果地震陇西，于是皆服其妙。自此以后，乃令史官记地动所从方起。”
《后汉书·顺帝本纪》载：“阳嘉之年秋七月，史官始作候风地动铜仪。”李贤（654-684年）注曰：“时张衡为太史令作之。”《隋书》有《地动图》一卷，不著撰人，似即此图，盖仪器制作必以图为据，故以《地动图》名书。
候风地动仪早已亡佚，虽北齐时信都芳所撰《器准》，隋初临孝恭的《地动铜仪经》都有图样和制法，但这两部书也都在唐以后不知所闻。1962年王振铎先生有张衡候风地动仪设计复原图，其赖范晔所载，幸使此项创造得以流传。[2]
就工程技术而言，张衡设计浑天仪时是具有形制和尺度的，南朝梁陈之际，虞荔与张衡相去不远，其在《鼎录》所载“张衡制地动，图记于鼎”应为可信的史料。这种“图记于鼎”的做法是中国古代“铸鼎象物”传统的再现，也就是要使图形资料和技术资料永久地保存下来。“张衡制地动，图记于鼎”也为我们研究中国古代科技史和科技档案的管理及其制度提供了实物依据。
其五，玄图
《后汉书》卷五十九载，张衡“著《周官训诂》，崔瑷以为不能有异于诸儒也。又欲继孔子《易》说《彖》、《象》残缺者，竟不能就，所著诗、赋、铭、七言、灵宪、应间、七辩、巡诰，悬图凡三十二篇。”关于悬图，李贤注曰：“《衡集》作玄图，盖玄与悬通。”《衡集》为李贤注中常引之文字，可见至唐，张衡的文集尚在，而《隋书》有《玄图》一卷无撰之人，是否为张衡所撰，尚待考证。《后汉书》载：“衡善机巧，尤致思于天文，阴阳，历算，常耽好《玄经》。”《太玄》十一篇中有《玄图》一篇。《隋书》以为玄象，编入天文之类，后之学者对此多有疑意，在此不论。
张衡的图学之著，大体如此。综观其图绘之作，有星官之天文图、解释浑仪之浑仪图、解释地理之地形图，有说明地动仪之候风地动仪图、解释太玄之玄图。这些都是图学形象性和直观性的具体体现。若按专业分类，即包括星象图、地理图、机械图、模型图。张衡的图学成果可谓集古代图学之大成，其贡献之大，堪称汉代工程图学的奇迹。
二、张衡的图学思想
图或图样，是最重要、最基本的信息沟通工具，作为研究图和图样的基本理论、绘制技术和认识方法的图学是一门应用相当广泛的基础学科，是科技思维的主要表达形式之一，也是研究中国古代科技史的重要线索；它所达到的技术水平映射出每一时代科学技术发展的真实状况。中国图学，由来尚矣。汉代的张衡不仅为我们留下许多奇技之巧、玄妙之绝的科技发明，而且还总结了许多深刻的图学思想。
首先，张衡提出了“图者，心之谋，书之谋也”的论述。这一段文字出自隋秘书郎虞世南（558-638年）撰《北堂书钞》第九十六卷，[3]其引自张衡《图序》，但《图序》一文已佚。《后汉书》本传言张衡著有悬图。李贤注：“《衡集》作玄图，谓玄与悬通。”所谓“悬图”，当指张衡所悬之图。凡灵宪、地形、浑天、地动诸仪象，诸在其中，玄图亦其中之，后人以其图不止一端，故综而名之曰悬图，其原文已佚，而曾朴《补后汉书艺文志》称“张衡《玄图序》”。《尔雅》，图，谋也。谋有图谋、谋取之意。《说文》，谋，虑难曰谋。段注，“咨难为谋”，“图画，计难也。图与谋同义。”
张衡所说的“图者，心之谋”意指图是人们审察、计议、认识客观事物的产物，也是人们认识世界的工具。人类在长期的生活活动中，为了制造工具，建筑房屋，生产机械，需要准确地表达物体的形状大小，因此创造出用一定的投影方法来表达物体的各种图样。“心之谋”的“谋”有审察、计议、谋画之意。《文选》张衡《思玄赋》有“神逵昧其难覆兮，畴克谋而能诸。”旧注：“谋，察也。”图的出现是人们认识世界的结果，视觉形象是记录和交流思想的重要手段。
而“图者，书之谋”是说在文字信息中，图能起到“咨难”的作用，即“咨难为谋”。任何事物用文字和概念来定义，未免挂一漏万，有图样形象，就会使人一目了然。图样源于生产实践，同时也在实践中为生产服务，成为工程技术与科学实验中表达和交流设计思想的重要技术语言，在生产实践中，仅仅用文字说明往往不能正确地表达设计思想和各种技术要求，而要以图样作为依据。因此，即令是在使用简单的机械工具，也要通过图样来帮助了解机械工具的结构和性能。所以，图样与工程技术的关系非常密切，由图样信息和文字信息相结合的技术文件信息，即书面文字与图象信息的结合，才能大大加快人们认识世界的进程。“图者，心之谋，书之谋”是认识张衡取得图学成就和科学成就的思想基础。
其次，张衡提出了“效象”、“度形”的科学研究方法。他在《灵宪》中认为，尽管自然界的一切事物，“性情万殊，旁通感溥”，但“在天成象，在地成形”，都“有象可效，有形可度”。“有象可效”的“效”，《说文》释：“效，象也。”段玉裁注：象，当作像。
这里所说的“效象”是指对自然现象及其事物的观察、模拟。有形可度的“度”，《说文》释为法制也。图以形为基础，“度形”是用科学的法则和数学方法去度量自然界的一切事物。张衡科学思想的特点，在于“效象”和“度形”两者的结合和统一。
张衡作浑天仪是他作为太史令最大的功绩，是为其“效象”“度形”的科学成果。张衡在未为太史令时，即研究天文、阴阳、历算；既为太史令后，更加专力研究，故能“妙尽璇玑之正。”据《后汉书》载，自明帝以来，浑仪失修已久，张衡为太史令后，始研穷其理，更定而正之。浑天仪是太史测天之仪器，也是对自然现象进行人工模仿和仿效的工具，其器以铜为主，本浑天之原理而制，因此，张衡作浑天仪是他分内的事。史载：“汉张衡为太史官，研穷阴阳；妙尽璇玑之正；作浑天仪，以漏水转之于室内，与天相应，若合符。”
中国古代最重要的三家宇宙理论，即盖天，宣天，浑天，都在汉代有重大的发展。宣天之学，绝无师法；盖天之学，在《周髀算经》中完成其数学模型；术数俱存，考验天体，多所违失，故史官不用。惟浑天之说，近得其情。东汉史官所用候台、铜仪即按其说。其法经西汉落下宏（约前156—前87年）营之，鲜于妄人度之，耿中丞象之；东汉张衡正之，后世史官所用候台、铜仪，即按浑天之说所制。
张衡为作浑天仪及著《灵宪》，在作浑天仪之前，先作小浑以为模型，即以针及薄竹篾，制作模型，是为小浑之制。这种先为小浑的制作方法就是“效象”的实践，这与我们的现代制造业中先试制样机的做法是相似的。此外，张衡推陈出新，更制滴漏与之相辅，可使浑仪自动。器成各为图注，以说明之，名曰《浑仪图注》及《漏水转浑天仪注》，这些都说明张衡对观测、实践、记录等工作具有严肃认真的科学态度。
《后汉书》本传有“衡作挥天仪”，不云作《浑仪图注》，据《北堂书钞》、《初学记》、《开元占经》、《艺文类聚》、《太平御览》则有作《浑天仪》，有作《浑仪图注》，以理推之，浑仪为天文仪器，图注为著说，似以作《浑仪图注》为是。
据《宋书·天文志》载：“衡所制浑仪，传至魏晋，中华覆败，沈没戎虏。晋安帝义熙十四年，高祖平长安，得衡仪器。”可见张衡的制作对后世的影响。
张衡的机巧制作，不止一端，除浑天仪外，所制候风地动仪“验之以事，合契如神。”其尝作木鸟，“假以羽翮，腹中施机，能飞数里”，并作指南车，制土圭以测日，等等，表现了他卓越的成就。“效象”、“度形”无疑是他科学发明与创作的总结。
“度形”是对研究的对象和制作的器物进行严格的科学分析和数学计算，“通而度之”。张衡的各种机巧制造表明他不但有哲学思想作为理论依据，而且对数学和自然科学也有一定的素养，“形”是从客观事物的空间形式中抽象出来的概念，“度形”就是应用数学方法研究客观事物空间形式。张衡之所以在天文学研究取得成就，其数学方法的应用是不可或缺的重要环节，他的浑天说理论在中国天文学史上占有重要地位，他所制造的浑天仪、候风地动仪，在中国科学史上留下了深深印迹，这都归功于他精确的测量和准确的计算，也归功于他“有形可度”的科学态度。张衡不仅运用这些科学方法取得了卓越的科学成就，他把他的科学实践概括为“有象可效，有形可度”，表明其“效象”、“度形”的方法已从自发走向自觉。[4]
第三，科学与艺术相结合的典范
张衡在图学上的成就，取决于他具有良好的科学素质和人文素质，按张衡自己的话说是“约己博艺，无坚不钻”。制图源于绘画，善画是张衡取得图学成就的重要原因之一。
唐人张彦远《历代名画记》卷四“叙历代能画人名”，自轩辕至唐会昌凡三百七十人。后汉仅五人，张衡为其中之一。据载张衡善画，其巧非止于手，运思时亦应乎心。他注重绘画的写实主义作风，对于他从艺术的绘画走向科学的工程制图有着重要的影响。《全后汉文》卷五十四载张衡“请禁绝图谶疏”，其主张“图纬虚妥，非圣人之法”，“宜收藏图谶，一禁绝之”，并以绘画为喻，言图谶之作，“譬犹画工，恶图犬马，而好作鬼魅。诚以实事难形，而虚伪不穷也。”这段文字也是张衡论画的重要见解，“画工恶犬马，而好作鬼魅”，表达了和韩非子同样的意见。《韩非子·外储说左上》中有：“客有齐王画者，齐王问曰：画孰最难者，曰：犬马最难，孰易者，鬼魅最易，夫犬马，人所知也，旦暮罄于前，不可类之，故难。鬼魅，无形者，不罄于前，故易之也。”韩非、张衡强调写的重要性，是因为绘画的对象是实物，作图者对所绘对象应如实写出，描摹逼肖，不尚空想，才能体现绘画的作用，这种写实的作风对工程制图是很有实际意义的。
张衡论天象时有浑仪图注，言地理时有地形图。天文仪器的设计需要数学的推导和演算，工程图样的绘制需要简洁精确的形式化的语言。张衡“运情机物”，非凭“才高于世”，而是依靠他卓越的数学基础，促成他完成“奇技伟艺”的发明创造。《后汉书》本传载张衡“作浑天仪，著《灵宪》，《算罔论》，言甚详明。”唐李贤注此云：“《衡集》无《算罔论》，盖纲络天地而算之，因名焉。”《算罔论》是张衡的数学著作，为其著三十二篇之一，今已不传。因其重玄，尝与崔瑷书，推崇太玄，并为作玄图，为思玄赋。玄极为罔，罔者无也，即易之无极。《算罔论》一书，“纲络天地而算之”，是否为推算天体运动发展的数学理论和推演无极之数学哲学，尚待进一步研究。
清人洪颐煊（1765-？年）认为：“《九章算术》刘徽注引《张衡算》谓：‘立方为质，立圆为浑。’又言：‘质六十四之面，浑二十五之面。’又云：‘方八之面，圆六之面。’皆疑《算罔论》之文。”刘徽注所引《张衡算》，或许为其《玄图》之文，亦待进一步研究。张衡作《玄图》，必有文字说明，说明文字中，亦有算法，宋人张行成，尝作《翼玄》，援引《玄图》之文，并有计算之法。
在古代机械工程与制造中，使用比例的方法，在汉代已多有记载，特别是张衡在天文仪器的设计与制造上已明确地按规定的比例尺寸进行制作的事实。据《晋书·天文上》“仪象”载：汉顺帝时（126-144年）“张衡又制浑象，具内外规，南北极，黄赤道，列二十四气，二十八宿中外星官及日月五纬，以漏水转之于殿上室内，星中出没与天相应，因其关戾，又转瑞轮 荚于阶下，随月虚盈，依历开落。”张衡之后，三国时期的陆绩（187-219年）亦造浑象。吴国的中常侍卢江王蕃善数术，传刘洪《乾象历》，王蕃依其法而制浑仪，立论考度。他经测量，得出“古旧浑象以二分为一度，凡周七尺三寸半分，张衡更制，以四分为一度，凡周一丈四尺六寸一分。”故而王蕃“以古制局小，星辰稠概，衡器伤大，难可转移，更制浑象，以三分为一度，凡周天一丈九寸五分四分分之三也”。由文中所载古浑象以二分为一度与张衡更制以四分为一度所得之周长，恰成比例关系。
《全后汉文》载张衡“扇赋”，有“乃画像而造仪，惟规上而矩下”，表现了在科学实验和发明创造中严格遵循的技术路线，即先把技术思想和设计思想用图样绘制出来，然后按照图样施工，“规上”，“矩下”。崔瑷称张衡“奇技伟艺，磊落焕炳”，“术数穷天地，制作侔造化”，这是毫不夸张的。应当承认，张衡所具有的人文素质是今人所不能企及的。
图学是一门古老而富有生命力的科学学科之一；无论过去、现在和将来，它都是一门应用极为广泛的基础学科。站在这个横断面上，有助于我们探讨科学技术发展的规律、艺术对科学技术的影响等重大问题。张衡在图学方面所取得的科学成就，特别是他所具有的文化素质和思想方法，以及他在图学中所表现的科学技术与艺术的完美结合，写下了中国科技上最为光辉的篇章。张衡的图学实践和成就，及其图学思想，为中国科学工作者的成长和发展作出了榜样。这也是今天我们还要研究中国张衡图学思想和图学成就的原因。
收稿日期：2003-09-15