秦汉科技史之我国古代天文学体系的形成

我国古代天文学体系的形成
　　（一）历法体系的形成
　　１。秦及汉初历法战国末期齐国人邹衍等倡立五行学说，论著终始五德之运，他认为周朝是火德，替代它的必须是水德。秦统一中国后，认为秦以水德代替周火德，遂采用颛顼历，相应地改变正朔，在历日制度上作了一些改革。汉代秦，对于秦朝制度，很少改革。因此，汉初仍继续沿用颛顼历。颛顼历和黄帝历、夏历、殷历、周历、鲁历等六历，是我国最古的历法，创立于公元前约四世
　　纪，它的回归年采
　　3651日的长度。由于秦始皇焚书，六历原本早已失散；
　　4 其法散见于各史志及纬书子书等，这些一鳞半爪的资料，只是这些历法的印象，学者早已产生怀疑。
　　从秦始皇二十六年（公元前２２１年）到汉武帝元封七年（公元前１０４年）
　　五月，共１１７年用颛顼历，十月为每年的第一个月，仍称十月而不称正月；第四个月，秦朝因避始皇名讳称端月，汉代则改称正月；最后一个月叫做九月，《史记》中《秦始皇本纪》从二十六年起，秦二世和汉高祖、吕太后、文帝、景帝各本纪中，史事发生年月，完全按照冬、春、夏、秋的顺序排列。
　　汉文帝十四年（公元前１６６年）鲁人公孙臣上书说，汉代秦，应该改变正朔、服色制度，丞相张苍坚持汉朝也是 水德 ，不宜改变秦朝制度，所以没有采用公孙臣的建议。秦及汉初规定十月朔日举行一年开始的朝贺大典，月名和四季名称一律照旧。
　　２。太初历——三统历汉初使用从十月朔日开始的历日制度，随着农业生产的发展，显然渐觉这种政治年度和人们习惯通用的春夏秋冬不合。于是大中大夫公孙卿、壶遂、太史令司马迁等建议修改历法。同时汉初以后，人们对于天象观测和天文知识，确有些进步，这为修改历法创造了良好的条件。武帝元封七年（公元前１０４年）十一月初一恰好是甲子日，又恰交冬至节气，是一个难逢的机会。
　　这年五月，汉武帝命公孙卿、壶遂、司马迁等人 议造汉历 ，并征募民间天文学家２０余人参加，其中包括治历邓平、长乐司马可、酒泉郡侯宜君、方士唐都和巴郡落下闳等人。他们或作仪器进行实测，或进行推考计算，对所提出的１８种改历方案，进行了一番辩论、比较和实测检验，最后选定了邓平、落下闳提出的八十一分律历。把元封七年改为太初元年，并规定以十二月底为太初元年终，以后每年都从孟春正月开始，到季冬十二月年终。这种历法叫做太初历，它是我国最早根据一定规制而颁行的历法。从改历的过程我们可以看到，当时朝野两方对天文学有较深研究者，可谓人才济济。特别是来自民间的天文学家数量之多，说明在社会上对天文学的研究受到广泛的重视，有着雄厚的基础。我国古代制历必先测天，历法的优劣需由天文观测来判定的原则，这时就已得到了确认和充分的体现，这对后代历法的制定产生十分深远的影响。它的制定是划时代的。
　　太初历的基本常数是，一朔望月为29 4381日，所以叫做八十一分法，或八十一分律历。这个朔望月的日数比战国时期四分历的朔望月日数更大，当然是不够精确的，但太初历的颁布施行是经过考验的。昭帝元凤三年（公元前７８年），太史令张寿王反对施行太初历，主张用殷历。经考验后，因殷历疏远而仍用太初历。
　　太初历已具备了气朔、闰法、五星、交食周期等内容。它首次提出了以没有中气（雨水、春分、谷雨等十二节气）的月份为闰月的原则，把季节和月份的关系调整得十分合理，这个历法在农历（夏历）中一直沿用到现在。
　　太初历还第一次明确提出了１３５个朔望月中有２３个食季的食周概念，关于五星会合周期的精度也较前有明显提高，并且依据五星在一个会合周期内动态的认识，建立了一套推算五星位置的历法。这些都为后世历法树立了范例。
　　太初历的原著早已失传，西汉末年，刘歆基本上采用了太初历的数据，据太初历改为三统历。它被收在《汉书？律历志》里，一直流传至今。实际太初历以改元而得名，而三统历是以法数而得名。刘歆把邓平的八十一分法作了系统的叙述，又补充了很多原来简略的天文知识和上古以来天文文献的考证，写成了《三统历谱》。《三统历谱》以统和纪为基本，统是推算日月的躔（ｃｈáｎ，音缠，日月运行时经过某一区域）离，纪是推算五星的见伏。
　　统和纪又各有母和术的区别，母是讲立法的原则，术是讲推算的方法。所以有统母、纪母、统术、纪术的名称；还有岁术，是以推算岁星（木星）的位置来纪年；其他有五步，是实测五星来验证立法的正确性如何；此外，还有 世经 ，是考研古代的年，来证明它的方法是否有所依据。这些就是《三统历谱》的七节。这部历法是我国古代流传下来的一部完整的天文著作。它的内容有造历的理论，有节气、朔望、月食及五星等的常数和运算推步方法；还有基本恒星的距度，可以说含有现代天文年历的基本内容，因而《三统历谱》被认为是世界上最早的天文年历的雏形。
　　依据三统历所讲的根数和原则推算气朔的条件，都已齐全。就推算气朔
　　一方面来讲，其出发点在于规定一月的日数为
　　294381 日；其余日数，则反而
　　是从这朔推出或迁就而得的。即三统历先议定：
　　

  

  

　　这个一朔望月的日数，一回归年的月数和日数都嫌太大些。
　　１章＝１９年＝２３５月在这个周期，朔旦冬至复在同一天。
　　１统＝８１章＝１５３９年＝５６２１２０日＝１９０３５月在这个周期，朔旦冬至复在同一天的夜半。
　　１元＝３统＝４６１７年在这个周期，朔旦冬至又复在甲子那天的夜半。因为一统的日数是５６２１２０用６０来除，还剩４０。所以若以甲子日为元，则一统后得甲辰，二统后得甲申，三统后才复得甲子。这就是 三统 名称的由来。这个元法４６１７以６０除不尽，所以元首的年名，不能一样。
　　三统历的元首，设在汉武帝元封七年岁前仲冬甲子，据《汉书？律历志》所载，当时曾实际观测，得到这天朔旦冬至，所以改元封七年为太初元年。
　　古人除了甲子夜半朔旦冬至之外，还要配合日月合璧和五星连珠的周期，所以三统历又立５１２０元即３６３９０４０年的大周期，其起首叫做 太极上元.并定太初元年二距太极上元的积年为１４３１２７岁，即在大周中已过了三十一个元法。
　　三统历是我国首先使用交点年和恒星月的历法。它的置闰方法是先定闰余，闰余是所求年前冬至距前朔得朔实（一月的日数）十九分之几分。例如
　

  

  

  

  

二十四气名称顺序和《淮南子？天文训》所载的相同。并称从冬至起，奇数次的气，如大寒、雨水等为中气；偶数次的气，如小寒、立春等为节气。而在《三统历谱》中，则把雨水和惊蛰二气次序颠倒，清明和谷雨二气次序颠倒，其他各气次序没有改变。（这四个节气次序的改变，是由于刘歆本人的偏见，而不是当时人们遵行的历法）。
　　太初历的制定是以天文观测记录为依据的，是与生产实践相结合的，它的内容比过去的颛顼历丰富得多。《三统历谱》中所叙述历法的天文数据和运算推步方法，都是合乎科学的，成为后世历法的范例。但是，西汉时期逞才邀宠的士大夫，大都利用经术来粉饰各种制度，刘歆为了支持王莽的托古改制，也特意利用《易经？系辞传》来解释太初历的天文数据。这样假借经传来穿凿附会，使天文科学染上神秘的色彩，开２０００年来术数家所走歧途的先例，而和科学背道而驰，至为可惜。
　　王莽篡汉时候，以夏正十二月为正月，以它为岁首；而历法的常数，仍用三统历的数值。东汉初期也用三统历，太初历从太初元年（公元前１０４年）
　　行用到东汉章帝元和元年（公元８４年），共行了１８８年。
　　３。四分历太初历施行１００多年后，到东汉初年，人们发现日月合朔常在历书上朔日之前，月食日期，也比太史预推的早一日，东汉光武帝（公元２５-５７年）
　　时，虽已建议改历，但到章帝元和二年（公元８５年）才废止太初历，重订四分历并颁布施行。
　　东汉四分历的基本常数即岁实和朔策，与战国时期的四分历相同。
　　
　　1 回归年 = 365.25日
　　1 朔望月 = 29又499/940日
　　
　　东汉四分历以文帝后元三年庚辰（公元前１６１年） 冬十有一月甲子夜半朔旦冬至 为历元，这样就校正了太初历施行１００多年后所发生的 后天 现象。它又从庚辰年上推两元即９１２０年（公元前９２８１年），作为日月食和五星循环周期的开始。又如二十八宿距星间黄赤道度数，二十四气的昏正中星，昼夜漏刻和八尺表日中影的长短等等，这历都载有当时实测的记录。东汉四分历叫做庚申元历。
　　东汉天文学家不但重视实际观测和前代天文记录，还要同一般迷信纬书、图谶的人们展开斗争，使中国天文学向前发展了。这个时期天文学的进步，给后来制定历法以划时代的影响，如月行速度的迟疾和漏刻的革新是其主要者。
　　东汉在元和改历以后，屡提改历论，而其议论中心，始终是关于历法的细枝末节，并没有谈到问题的核心。因而仍以支持四分历的人居多，终东汉之世，没有再行改历。
　　东汉四分历是经过长时期的实测酝酿而制定的。除了有关测定恒星的记录外，还有二十四节气的测定太阳的三种记录：ａ。日所在黄道去极度即太阳距离北天极的度数，是用浑仪测定的；ｂ。晷景，即太阳经过子午线时表影的长度，是用圭表测定的（汉代表高为八尺）；ｃ。昼夜漏刻是漏壶测定的，昼漏刻等于从日出到日没的时间，再加上五刻，夜漏刻等于一百刻减去昼漏刻。它是我国科学史上最古的、最完整的有关太阳的实测记录，是珍贵的天文史料。
　　４。乾象历乾象历是后汉灵帝光和年间（公元１７８- １８３年）刘洪所创的划时代的历法，它形成一个完整的历法，至迟是在献帝建安十一年（公元２０６年）。乾象历创法很多，确比四分历精密，为后世历法的师法。灵帝末年，政局动荡不安，乾象历没有被采用，至吴黄武二年（公元２２３年）始颁行使用。
　　刘洪认为四分历的缺点主要是回归年和朔望月都嫌太长，乾象历遂减短为：
　　1 回归年 =365又145/689日 =215130/589日
　　
　　他仍保留十九年七闰的闰周，朔望月减短为：1 朔望月 = 43026/1457日 = 29773/1457日
　　
　　这种改革，确比旧法进步，但回归年仍是太长，而朔望月又略嫌太短。
　　乾象历一回归年的分数中，分母５８９叫做纪法，朔旦冬至以这个年数而复原，它相当于四分历的一纪（１５２０年）；二纪叫做乾法，即１１７８年，朔望节气日期和干支都可复原。它以太初历历元即元封七年丁丑十一月朔旦冬至为历元，再上推十二纪到 上元乙丑 年，作为推算日月五星的起点。
　　乾象历被称为划时代的历法，首先由于它计算了月行的迟疾；它从 过周分 （指月行疾迟一周，过于周天的度数），计算出近点月的日数，和近世实测所得的结果，相差不远。它从实测得出一近点月内，每天月球实际运行的度数，并造表列出了每天实际速度超过或不及平均速度的 损益率 ；从 损益率 累积而得盈缩积等项。为了预推日月食的时刻，乾象历有 求朔望定大小余 和 求朔望加时定度 两个算法。它还创 月行三道术 （三
　　道指中道、内道和外道。中道为黄道；内道为阴历，在黄道北；外道为阳历，在黄道南）；推算五星方法，也比四分历进步，其所测五星会合周期，除火星外，都和今值接近。
　　（二）天文仪器和天象记录
　　１。浑仪浑仪是我国古代天文学家用来测量天体坐标和两天体间角距离的主要仪器。浑仪的关键部位是窥管，这是一根中空的管子，好象现代的望远镜，但是没有镜头。人眼在管的一端，通过空管看见天上一个小的部分，将窥管放置于不同方向就能看到天上不同的区域。用来支撑这个窥管，使它能指向天上任何一个方位的是四游仪。四游仪的结构是这样的：一个双重的圆环，把窥管（又称望筒）夹在中间，窥管可以在这个双环里滑动，这个双环平面内的任何方向都可以看到；这个双环又可以绕两个支点转动，双环所在平面可以扫过全天球；借助双环的旋转和窥管的旋转，两种运动的结合就可以使窥管指向天球上任何一个方向。历史上制造过许多浑仪，这种四游仪都是其中不可缺少的部分。除了四游仪和窥管外，浑仪的其他部分就是代表各种天文意义的环圈和支承结构。一般说来，有地平圈，代表地平面；有子午环，经过天顶过南北方向的环；有卯酉环，东西方向的环；赤道环；黄道环；白道环等。
　　史籍记载浑仪的制造始于汉落下闳。他是蜀郡人，汉武帝时应召到京师长安参与制订《太初历》。落下闳以他制造的浑仪观测天象，测定了二十八宿的距度、五大行星的运动情况等等，为制定《太初历》取得了第一手资料。
　　浑仪并不是落下闳最先发明的，他说：年轻的时候就能做这种仪器，那时只根据尺寸制作而已，不知道其中的道理，以后越做越明白，做得也好了，至今已七十岁，才知道了一点其中奥妙，可我又快要老死了。这说明在落下闳年轻的时候，社会上就已出现了浑仪，他并不是首创者。也许，他的家族是世代做浑仪的工匠或发明家。
　　汉初的浑仪结构不会复杂，大概只有一个赤道环，一个赤经双环夹着窥管，能测得天体的赤经和去极度。赤经以２８宿距星为各个标准点，以入宿度的形式表达出来。用这架只有赤道坐标的仪器来度量太阳月亮的运动，发现两者的运动都不均匀，这同西汉天文学家们的想法不同，于是大家都在找原因，后来发现，日月的运动都是沿黄道的（当时月亮依白道而行的认识还未达到），它们即使在黄道上均匀运动，以赤道来度量当然就是不均匀的了。
　　公元１０４年，东汉和帝下令贾逵另制一架仪器，用来测量日月的运动，他在浑仪上增设了黄道环，以黄道来测量日月运动，这就是我国历史上第一架黄道铜仪。
　　贾逵用他的黄道铜仪来测量日月的运动，发现太阳的运动显得均匀了（其实也应该是不均匀的，因他的仪器精度不够，当时也没有这样的认识），而月亮的运动仍是不均匀的。贾逵根据自己的实际观测，大胆地得出结论：月亮的运动是不均匀的。这一发现是改进仪器得到的第一个结果，它导致了历法的进步，也丰富了人们对天体运动的知识，为以后太阳运动不均匀的发现打下了思想基础。
　　２。浑象
　　浑象是另一种古代天文仪器，主要用于象征天球的运动，表演天象的变化，有时也称浑天象或浑天仪，甚至称为浑仪，同用于观测的浑仪互相混淆。
　　浑象的基本形状是一个大圆球，象征天球，大圆球上布满星辰，画有南北极、黄赤道、恒显圈、恒隐圈、二十八宿、银河等等，另有转动轴以供旋转，还有象征地平的圈（在圆球之外）或框，亦或有象征地体的块（在圆球之内）。
　　由于大圆球的转动带动星辰也转，在地平以上的部分就是可见到的天象了。
　　历史上最早记载制造浑象的是耿中丞，即耿寿昌，他是西汉宣帝时的大司农中丞，大概是因为农业生产同天象变化关系密切，他对天文学也有研究。
　　他把从浑天说认识到的天球形象化地表现出来，可见浑象的大体形状应该是个大圆球，在球上布列了许多星辰，大圆球的旋转就表演出天象的变化。可惜，耿寿昌的浑象和著作都未能保留下来，我们无从知道它的具体结构。
　　现在我们能见到的有关浑象的记载要数东汉张衡的《浑天仪图注》为最早了。张衡在前人制造浑象的基础上也制作了一架 水运浑天仪 ，实际上就是一个浑象。那是一个大圆球，周长为１丈４尺６寸１分，相当于４分为1 度，周天共365.25度，上面标有二十八宿中外星官、南北二极、黄赤二道，北极周围有恒显圈，南极附近有恒隐圈，还有二十四节气，日、月、五大行星等。整个浑象以水力推动，与天球转动合拍，这是在我国古代历史上一个很著名的创造。
　　张衡的仪器当然由于年湮代远而不能见到了，但是张衡浑象的式样已被历代继承下来。
　　３。天象记录秦汉时期，对于天象的观测和记录有两个明显的特点：第一，各种天象的记录趋于齐备现今世界公认的最早的黑子记录，是西汉河平元年（公元前２８年）三月所见的太阳黑子记录。载于《汉书？五行志》： 河平元年……三月己未，日出黄，有黑气，大如钱，居日中央。 这一记录把黑子的位置和时间都叙述得很详尽。事实上，在这以前，我国还有更早的黑子记载。在约成书于公元前１４０年的《淮南子》中，就有 日中有踆乌 的叙述。踆乌，也就是黑子的形象；而比这稍后的，还有汉元帝永光元年（公元前４３年）， 日黑居仄，大如弹丸 （《汉书？五行志》），这表明太阳边侧有黑子成倾斜形状，大小和弹丸差不多。黑子，在太阳表面表现为发黑的区域，由于物质的激烈运动，经常处于变化之中，有的存在不到一天，有的可到一月以上，个别长达半年。这种现象在《后汉书？五行志》中也有记载： 中平五年（公元１８８年）正月，日色赤黄，中有黑气如飞鹊，数月乃销。 我们祖先观测天象，全靠目力，对于太阳只有利用日赤无光，烟幕蔽日之际，或太阳近于地平，烟气朦胧之中，始可观望记录。此后，从汉到明，黑子的记载超过１００次。
　　有些星原来很暗弱，多数是人目所看不见的。但是在某个时候它的亮度突然增强几千到几百万倍，叫做新星，有的增强到一亿至几亿倍，叫做超新星，以后慢慢减弱，在几年或十几年后才恢复原来亮度，好象是在星空作客似的，因此我国古代凡称 客星 的，绝大多数是指新星和超新星。新星和超新星的明确系统的记载也首见于汉代，《汉书？天文志》中有： 元光元年（公元前１３４年）六月，客星见于房.房就是二十八宿里的房宿，相当于现在天蝎星座的头部，这是人们发现，并在中外历史上都有记载的第一颗新星，但西洋记录未注明月日，也没有注明方位，不如《汉书？天文志》记录简明、准确。又如 中平二年（公元１８５年）十月癸亥，客星出南门中，大如半筵，五色喜怒，稍小，至后年六月消 （《后汉书？天文志》），这是世界上最早的有关超新星的记录。自此以后到１７００年，我国有９０个关于新星的记录，这９０颗新星中，可能有１１颗是超新星。
　　第二，天象记录日趋详尽、精细对日食的观测，不但有发生日期的记载，而且开始注意到了食分、方位、亏起方向及初亏和复圆时刻等等。日月食是怎样发生的呢？成书于西汉中期（相当于公元前１００年）的《周髀算经》中就曾认识到 日兆（照）月，月光乃出 ，说的是月亮上的光亮是太阳光照上后发射出来的，而不是月面所固有。月亮本身不发光是发生月食的先决条件之一，因此，《周髀算经》上的认识很重要。东汉张衡有了更进一步的认识，他已经知道了月食是由于地球遮住了太阳光而造成的这个非常重要的道理，即地球的影子投到月面上就要发生月食。张衡把这种影子叫做 暗虚.关于彗星，绕太阳运行平均周期是７６年，出现的时候形态庞然，明亮易见。据统计，从春秋战国到清末的２０００多年中，关于彗星的记录共有３１次。其中，以《汉书？五行志》元延元年（公元前１２年）记载的最详细： 元延元年七月辛未，有星孛于东井，践五诸侯，出河戍北，率行轩辕、太微，后日六度有余，晨出东方。十三日，夕见西方，……锋炎再贯紫宫中。……南逝度犯大角、摄提。至天市而按节徐行，炎入市中，旬而后西去；五十六日与苍龙俱伏。 我国古代科学家已能用这样生动而简洁的语言，把气势雄壮的彗星的出现时间、运行速度及路线，描绘得栩栩如生。对于极光的记录，无论数量还是质量，此时也较以前有增加和提高。如《汉书？天文志》： 汉惠帝二年（公元前１９３年），天开东北，广十余丈，长二十余丈。汉永始二年二月癸未夜（公元前１５年３月２７日）东方有赤色，大三四围，长二三丈，索索如树，南方有大四五围，下行十余丈，皆不至地灭。 我国古代对天象的观测和记录的传统，在汉代奠定了坚实的基础，以后历代延续不断且有所发展。在望远镜发明以前的漫长年代里，积累了大量有关日食、黑子、彗星、流星雨、新星、超新星和极光等十分准确、丰富的记录，为近现代科学研究提供了宝贵的历史资料。
　　（三）天文学派
　　人生天地之间，从远古时代起就在思考这盖我载我之天地到底具有什么形状，它们之间的关系如何？《诗经？小雅？正月》： 谓天盖高，不敢不局（弯曲）；谓地盖厚，不敢不蹐（ｊí，音及，谓后脚尖紧跟着前脚跟）。 这里表达了古人天高地厚的原始认识，古人仰观这摸不着的天，俯察这挖不透的地，产生了很多有关天地结构的理论。在汉代，有关宇宙结构理论的有盖天、浑天、宣夜三个学派，人称谈天三家。
　　１。盖天说盖天说，无疑是我国最古老的宇宙说之一。 天似穹庐，笼盖四野，天苍苍，野茫茫，风吹草低见牛羊。 当你来到茫茫原野，举目四望，只见天空从四面八方将你包围，有如巨大的半球形天盖笼罩在大地之上，而无垠的大地在远处似与天相接，挡住了你的视线，使一切景色都消失在天地相接的地方。这一景象无疑会使人们产生天在上，地在下，天盖地的宇宙结构观念。
　　盖天说正是以此作为其基本观点的。
　　盖天说的出现大约可以追溯到商周之际，当时有 天圆如地盖，地方如棋局 的说法。到了汉代盖天说形成了较为成熟的理论，西汉中期成书的《周髀算经》是盖天说的代表作。认为 天象盖笠，地法覆盘 ，即：天地都是圆拱形状，互相平行，相距８万里，天总在地上。
　　盖天说为了解释天体的东升西落和日月行星在恒星间的位置变化，设想出一种蚁在磨上的模型。认为天体都附着在天盖上，天盖周日旋转不息，带着诸天体东升西落。但日月行星又在天盖上缓慢地东移，由于天盖转得快，日月行星运动慢，都仍被带着做周日旋转，这就如同磨盘上带着几个缓慢爬行的蚂蚁，虽然它们向东爬，但仍被磨盘带着向西转。
　　太阳在天空的位置时高时低，冬天在南方低空中，一天之内绕一个大圈子；夏天在天顶附近，绕一个小圈子；春秋分则介于其中，盖天说认为，太阳冬至日在天盖上的轨道很大，直径有４７。６万华里，夏至日则只有２３。８万华里。盖天说又认为人目所及范围为１６。７万华里，再远就看不见了，所以白天的到来是因为太阳走近了，晚上是太阳走远了。这样就可以解释昼夜长短和日出入方向的周年变化。
　　盖天说的主要观测器是表（即髀），利用勾股定理做出定量计算，赋予盖天说以数学化的形式，使盖天说成为当时有影响的一个学派。
　　２。浑天说盖天说解释自然现象的出发点是把天当做盖在地上的一个半球，日月星辰都在这个半球形的天盖上运动，不会没到地下面去，有时看不见只是因为它们离我们太远了。浑天说正是在这些基本出发点上提出了不同的看法：浑天说认为天是一个整球，一半在地上，一半在地下，日月星辰随天球而运动；有时看不见是因为它们转到地下面去了。这一看法的起源也很早，在《尚书？顾命》中讲皇室里放置的摆设，其中就有天球在西璧。
　　浑天说是我国古代科学家为了更好地解释自然现象，避开盖天说所遇到的困难而逐渐发展起来的，它同盖天说在科学上的争论延续了好几百年，从汉代以后的１０００多年一直占主要地位。经汉代落下闳、鲜于妄人、耿寿昌、杨雄等人的努力，浑天说渐为人们所接受，尤其是西汉末的杨雄提出了难盖天八事，给盖天说以较大打击，东汉张衡则是浑天说的集大成者。
　　汉代，浑天说制造的浑象和浑仪广泛应用于天文学研究，浑象是浑天体系的形象化仪器，张衡在前人的基础上加以改进，制成了 水运浑天仪 ，他以漏水做动力，使浑象自动运转，其速度同人们所视天空物体运动速度相一致。浑象绕着极轴转动，北极出地的高度为３６度。以北极为中心，在半径为３６度的范围之内的星永远不会转到地下去，这就成功地解释了为什么北极附近的一部分恒星常年可见，不断绕北极转动的现象。同样的道理，在南极附近３６度的范围内永远不会转到地上，所以看不见那里的星星。
　　在浑象上标出二十八宿和其他恒星，随天球而转动。很显然，二十八宿和其他恒星大体上总是一半在地上可见，一半在地下不可见。由于浑象的旋转，有的星渐渐从东方升起，有的星从西方落下。这就成功地说明了星辰的东升西没，运转不息的现象。
　　至于四季循环，昼夜长短的交替，盖天说虽然有自己的一套解释办法，但也确实存在若干不能解释的问题。而浑天说却较能精确地予以说明，在浑象南北两极的正中间画一个大圆，将浑象分成南北两个半球，这个大圆就是赤道；跟赤道斜分又划一个大圆，两者交角成２４度，这个大圆是黄道，太阳就循黄道而运动。浑象绕极轴转一圈就是一昼夜，当太阳处在黄道上最北点（离赤道最远）时就是夏至日，在浑象转一圈的时间内太阳有一大半时间在地上，一小半时间在地下，这就说明日出在东北方，日没在西北方，说明夏至日白天长黑夜短的现象；当春秋分时，太阳正处于黄道与赤道的交点上，浑象转一圈太阳一半时间在地上，一半在地下，这就说明了日出东、日没西、昼夜相等的现象；当冬至的太阳处于黄道最南点，浑象转一圈太阳在地上的时间少而在地下的时间多，这正好说明冬至日出东南方，日没西南方，昼短夜长的现象。
　　主张浑天说的许多天文学家对地体的形状作过不少叙述，他们认为地体不是球形，而是上平下圆的半球形，正好填满天球的下半部，圆形地面的直径正好同天球的直径相等，而地面的中心就在阳城（今河南商水西南），不管什么季节，什么时刻，太阳跟阳城的距离都是相等的，由此还可以计算出冬至夏至等不同节气中午时的太阳距地高度，方法仍是勾股定理。这一套看法和知识可算是沿袭了盖天说的成果，没有什么新发展。
　　浑天说对地体形状的上述看法显然有很大毛病，所以必然惹来麻烦。例如，既然地面同天球的腰正好一样大，那么太阳、月亮等天体怎么能自由地转到地下去呢？浑天说同盖天说都曾认为太阳和月亮的直径都有１０００里，那么地面边缘同天球之间必须有１０００里的空隙才能容许太阳、月亮自由出入，于是张衡对圆形的天球作了微小的改变，认为东西方向要长１０００里，南北方向要短１０００里，这大概就是为了太阳、月亮出入的方便，但是在进行计算时仍把天球当做一个圆球来看待。可是后人也许没有十分了解张衡的用意，说天球像一个鸡蛋那样的扁球形，居然还把浑象也做成一个鸡蛋状，转动起来很不方便，后来又改成了球形。还有就是 地中 之说，认为不管人们走到地面上什么地方，抬头望天总感到自己处于天球正中的下面，都有 地中 之感。这些都是对地体形状的看法不正确所带来的麻烦，没有得到满意的解决。
　　浑天、盖天，哪个正确？这个问题很难回答，可以说都不对，又都有点儿对。浑天和盖天代表了历史上人们认识天地结构的不同水平，虽然它们距事实都甚远，但是反映了人们对天体认识的一个发展阶段。
　　３。宣夜说按照盖天、浑天的体系，日月星辰都有一个依靠，或附在天盖上，随天盖一起运动；或附缀在鸡蛋壳式的天球上，跟着天球东升西落。在这些系统里不会产生日月星辰是否会掉下来的问题。但是人们的思想是很活跃的，盖天说和浑天说都有不少漏洞，特别是日月星辰的运动都各有不同，有快有慢，全不像附在同一个东西上运动，所以在汉代以前就产生了另一种有关天地结构的新思考，它既不同于浑天说，也不同于盖天说。古书上记载为 宣夜之学 ，通称为 宣夜说. 宣夜 这个名字很怪，初看不知为何义，历来也无解释，直到清末邹伯奇（１８１７- １８６７年）才说： 宣劳午夜，斯为谈天家之宣夜乎？ 这是一种望文生义的解释，但在没有任何说法的情况下可聊备一说，即 宣 表示喧嚣达旦，夜就是整个夜里，表示天文学家整夜忙于天文观测，又互相讨论，可见宣夜之学即为有关天文学的知识。
　　同浑天说和盖天说相类似，宣夜说也是古人提出的一种宇宙学说。《晋书？天文志》说： 宣夜之书亡，惟汉秘书郎郄萌记先师相传云，天了无质，仰而瞻之，高远无极，眼瞀（ｍàｏ，音冒）精绝，故苍苍然也。譬之旁望远道之黄山而皆青，俯察千仞之深谷而幽黑。夫青非真色，而黑非有体也。日月众星，自然浮生虚空之中，其行其止皆须气焉。是以七曜（ｙàｏ，音耀，七曜指日、月及金、木、水、火、土五星）或逝或住，或顺或逆，伏见无常，进退不同，由乎无所根系，故各异也。故辰极常居其所，而北斗不与众星同没也；摄提、填星皆东行，日行一度；月行十三度。迟疾任情，其无所系著可知矣，若缀附天体，不得尔也。 这是关于宣夜说的一段最完整的史料，它包含了有关宣夜说的许多内容。首先，宣夜说起源很早，汉代郄萌（公元１世纪）只是记下了先帅传投的东西。第二，宣夜说认为天是没有形体的无限空间，因无限高远才显出苍色。第三，以远方的黄色山脉看上去呈青色，千仞之深谷看上去呈黑色，实际上山并非青色，深谷并非有实体，以此证明苍天既无形体，也非苍色。第四，日月众星自然浮生虚空之中，依赖气的作用而运动或静止。第五，各天体运动状态不同，速度各异，是因为它们不是附缀在有形质的天上，而是漂浮在空中。
　　无可否认，这些看法是相当先进的，它同盖天浑天说本质的不同在于：它承认天是没有形质的，天体各有自己的运动规律，宇宙是无限的空间。这三点即使在今天也是有意义的。或许正因为它的先进思想离开当时人们的认识水平太远，它不可能为多数人所接受。试想，一个无限的宇宙空间已是难以想象，更何况众多的天体都毫无依赖地飘浮在空中各自运动呢？在近代科学诞生以后，依据万有引力定律和天体力学规律说明了天体的运动，证明了宣夜说的基本观点是正确的，然而在古代缺乏理论的证明，只能使它保留在思想领域，成为一种思辩的假说。随着时间的流逝，人们对宣夜说的观点也渐渐淡漠了。唐代天文学家李淳风，在他所著的《晋书？天文志》中保留了宣夜说的唯一资料，才使这一思想得以保存下来。
　　（四）张　　衡
　　张衡（公元７８- １３９年），字平子，东汉南阳西鄂（今河南南召县南）
　　人，东汉时最杰出的科学家，也是世界上最早的伟大天文学家之一。
　　张衡是浑天说的集大成者，他的《浑天仪图注》是浑天说的代表作，他认为： 浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡中黄，孤居于内，天大而地小，天表里有水，天之包地，犹壳之裹黄。天地各乘气而立，载水而俘。 他还指出天体每天绕地旋转一周，总是半见于地平之上，半隐于地平之下，等等。
　　这里张衡明确地指出大地是个圆球，形象地说明了天与地的关系，但 天表里有水 等说法，却是一个重大的缺欠。
　　张衡不但倡导浑天说，而且在前人工作的基础上，着手制造了用于演示浑天思想的仪器——水运浑象，这对浑天说能得到社会的广泛承认，起了重要的作用。该仪器以一直径约５尺的空心铜球表示天球，上面画有二十八宿，中外星官以及互成２４度交角的黄道和赤道，黄道上还标明二十四节气的名称。紧附在天球外的有地平环和子午环等。天体半露于地平环之上，半隐于地平环之下。天轴则支架在子午环上，其北极高出地平环３６度，天球可绕天轴转动，这就是浑象的外表结构，它们均十分形象地表达了浑天思想。张衡又利用当时已得到发展的机械工程技术，巧妙地把计量时间用的漏壶与浑象联系起来，即利用漏壶的等时性，以漏壶流出的水为原动力，再通过浑象内部装置的齿轮系等传动和控制设备，使浑象每日均匀地绕天轴旋转一周，从而达到自动地、近似正确地演示天象的目的。此外，水运浑象还带动一个称作 瑞轮蓂荚（ｍíｎｇ　ｊｉá，音名夹） 的巧妙仪器。传说蓂荚是一种奇妙的植物，它每天长一片叶子，到月半共长十五片，以后每天掉一片叶子，到月底正好掉光。 瑞轮蓂荚 就是按这种现象构思的，用机械的方法使得在一个杆子上每天转出一片叶子来月半之后每天又落下一片叶子，上半月看长出几片就知道是初几，下半月看落了几片就知道月半后又过了几天，同时也可知道月相，这个巧妙的仪器就是机械日历。据史书记载，水运浑象制成后，置于一暗室中运转， 其伺之者以告灵台之观天者曰：某星始见，某星已中，某星今没，皆如合符也。 张衡在宇宙理论领域的探索，还涉及到宇宙起源、演化以及无限性等论题，这方面的研究成果均载于他的另一天文学名著《灵宪》中。张衡认为宇宙是在演化着的，其过程可以分为三个阶段：在 溟涬（ｘìｎｇ，音幸） 阶段，只存在一切虚无的空间。到 庞鸿 阶段，则已经萌生出物质性的元气，但还混沌不分。而到 太元 阶段时，元气已分成了阴、阳两气，又由于刚柔、清浊、动静等物理因素的作用，逐渐形成了天地万物。在张衡看来，每一阶段都是其前一阶段长期渐变的结果，而且前后两个阶段又是由突变的方式相衔接的。对于 太元 阶段，张衡还特别强调了 自然相生 的理论。
　　他认为由于自然界自身 旁通感薄 ，即存在着互相助成，互相影响，互相矛盾的作用或运动，便自然而然地造成了物质世界 情性万殊 的状况。张衡的这些理论是在前人有关论述的基础上所作的新概括和新发展。虽然他在宇宙本原的问题上，引进了虚无的观念，但关于宇宙是在发展变化着的，变化分阶段有层次的，其形式有渐变也有突变，其原因则存在于事物的内部等认识，都是十分宝贵的。另外，张衡还认为 宇之表无极，宙之端无穷 ，这则是关于宇宙无限性的精辟论述。
　　对于日月五星的运动规律，张衡亦试图从理论上加以探讨。他认为日月五星在恒星间运动速度的快或慢，则由它们离天的远或近决定的，二者间的关系是近天则迟，远天则速.虽然这种描述还是定性的，而且以此解释五星的运动并不可取，可是，这些理论不但反映了张衡关于日月五星与地球的距离有远有近的观点，并且对日月运动的研究具有指导的意义。
　　张衡对于月食的成因也提供了理论的说明： 当日之冲，光常不合者，蔽于地也，是谓闇（àｎ，音案，昏暗）虚 ， 月过则食.这里 当日 是指月望之时， 之 是 至 或 抵达 之意。 冲 则有黄白交点或其附近时，才可能发生月食。张衡以为，在阳光的照射下，地总是拖着一条长长的影子——闇虚，在 当日之冲 时，只要月体与闇虚相遇，本身不发光的月亮就要发生亏虚现象。这一理论的基本点与我们现今的认识是一致的。
　　对于陨星和彗星，张衡也有很精彩的论述。他以为陨星原是同日月五星一样绕地运行的天体，只是当其运动失去常态时，才自天而降成为陨石的。
　　张衡还提到一类 错乎五纬之间，其见无期，其行无度 的天体， 其见无期 ，特别是 其行无度 应是彗星出没运动的重要特征。张衡把它们与恒星相区别，并把它们归于五大行星的范畴内，亦即把彗星归于太阳系内的天体，这一认识也是十分可贵的。
　　张衡还对太阳、月亮出没于中天时视大小的变化作了认真的讨论和说明。
　　张衡对恒星亦进行了长期的观测和统计工作。他把星空共划分成４４４个星官，计得２５００颗恒星，这还不包括他从航海者那里得知的在南半球看到的星宿。这一工作不仅大大超过了石申、甘德的同类工作，而且亦非他的同代人甚至后世人可比拟。可惜，张衡的这一工作大都失传。通过观测，张衡得到太阳和月亮的视直径值均为半度的结果，这相当于３６０°u21046X的２９′６与现代所测的太阳、月亮视直径值（分为３２′Ｏ和３１′１）已比较接近。
　　张衡还曾致力于当时历法问题的研究。他曾积极参与有关历法问题的争论。他 参案议注，考往较今，以为九道法最密 ，极力主张用月行九道法（由月亮运动不均匀性的认识推导出来的月亮实际行度的计算方法）改进当时的四分历，以更准确地推算朔日的时刻。虽然，张衡的建议未被采纳，但这是试图用定朔法替代平朔法的一次早期努力，在历法史上占有不可忽视的地位。
　　在张衡那个时期，较大的地震屡屡发生，于是对地震的研究成了他十分关切的课题，基于对地震及其方向性的认识，特别是从当时建筑中有一种所谓都柱（即宫室中间设柱）的启示，张衡于公元１３２年首创了世界上第一架地震仪——地动仪。 地动仪以精铜铸成，圆径八尺，合盖隆起，形似酒尊 （《后汉书？张衡传》），里面有精巧的结构，主要是中间的 都柱 （装置在摆的周围的八组机械装置）。尊外相应地设置八条口含小铜珠的龙，每个龙头下面都有一只蟾蜍张口向上，一旦发生较强的地震， 都柱 因震动失去平衡而触动 八道 中的一道，使相应的龙口张开，小铜珠即落入蟾蜍口中，观测者便可知道地震发生的时间和方向。据载，地动仪成功地记录了公元１３８年在甘肃发生的一次强烈地震，证明了张衡所制仪器的准确性和可靠性。
　　张衡还研究过地理学，曾撰有《地形图》一卷，其中可能附有地形图，此书一直流传到唐代。在数学方面，他对圆周
　　率、球体积的计算法等问题作了研究，所取用的π =
　　10 = 3.162，是当
　　时比较好的一个数值。张衡又是当时有名的文学家，有不少歌赋之作流传于世，其中以《二京赋》尤为著名，他还是一个画家，曾被人列为东汉六大名画家之一。
　　张衡是当时一位全面发展的科学家，他在天文历法、仪器制造、地理、数学、文学和绘画等领域均有很高的造诣，是我国历史上非常罕见的人物。
　　一方面，是那个时代造就了这样一位科学巨人；另一方面，又与他个人的努力和素质分不开。张衡好学不倦， 如川之逝，不舍昼夜。 （崔瑗：《河间相张平子碑》）。他虚怀若谷， 虽才高于世而无骄尚之情 ，他 不耻禄之不伙，而耻知之不博 ，即不以追求金钱作为人生的目标，而以探索真知作为人生的最大乐趣。他 约己博艺，无坚不钻 ，即抱定向博大精深的知识领域不断开拓进取的决心，有一种坚韧不拔的攻坚精神。张衡曾自称： 捷径邪至，我不忍心投步 ，这是他在探索新知的过程中，不存侥幸心理，不走邪门歪道，而是脚踏实地地工作。对于当时盛行的反科学的谶讳神学，张衡持反对态度，主张 收藏图谶，一禁绝之.所有这些都是张衡能够攀上那个时代的科学高峰的内在因素。但是，张衡也不可避免地带有时代的局限性，他曾涉足于 卦侯、九宫、凤角（以上均见《后汉书？张衡列传》）
　　之术，被后人称为 阴阳之宗 （《后汉书？方术列传》）。他的宇宙生成与演化的思想也带有不少客观唯心主义性质，这也给后人带来不好的影响。