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“漏水转浑天仪”的设计,几乎可以说包含了当时张衡所知的一切重要天文现象。利用这具前所未有的新奇仪器,就可以观测天象。张衡的这具仪器还是自动运转的,这就更使人吃惊。那么,张衡使用什么方法,能使他这具浑天仪自行运转的呢?张衡是采用齿轮系,将浑象和计时用的漏壶连接起来,利用漏壶的流水产生力量,推动齿轮,从而带动浑象运转。张衡巧妙地、恰当地选择了齿轮的数目和齿数,因而使他设计的浑象每运转一周,就表示一昼一夜,将天象变化充分演示出来。
但张衡发明的“漏水转浑天仪”,并没有留传下来,因此它的复杂精密传动系统,至今只能猜测,虽然它的存在,历史上有明确记载。也许有一天经过考古学家的努力,在什么地方发掘出一具“漏水转浑天仪”,那么我们就可以知道这具用水力发动的天文仪器,是怎么样发生作用的。这并不能算是妄想,因为近年出土的文物,有许多都是我们意想不到的。不过,2000多年来中国历代承传,并不断作出改进的大型观天仪器一一浑天仪,今天仍可看到。
在“漏水转浑天仪”的理论基础上,唐代的梁令瓚,宋代的张思训、苏颂、韩公廉等,经过各种试验和改进,终于制成了世界上最早的天文钟。张衡的发明创造除了“地动仪”、“漏水转浑天仪”之外,还有瑞轮萁荚(一种机械日历)、相风铜鸡(类似西方20世纪才出现的候风鸡,作测定风向之用)。
中国可以说是天文学发达最早的国家,到汉朝,对于天体运动和宇宙结构,就先后出现三种理论:盖天说、浑天说和宣夜说。《列子.天瑞篇》说过一个杞人忧天的故事:“杞国有人忧天地崩坠,身亡所寄,废寝食者。又有忧彼之所忧者,因往晓之曰:天积气耳,亡处亡气,若屈伸呼吸,终日在天中行止,奈何忧崩坠乎?其人曰:天果积气,曰月星宿不当坠耶?晓之者曰:曰月星宿亦积气中之有光耀者。只使坠,亦不能有所中伤。其人曰:奈地坏何?晓之者曰:地积块耳,充塞四处,亡处亡块。若躇步眦蹈,终日在地上行止,奈何忧其坏?其人舍然大喜,晓之者亦舍然大喜。”
照这个故事说,天是气体,大地是硬块,曰月星宿是发光的气体,那么天跌下来当然没有关系,杞人是太过担心了。至于大地,既为硬块,在上面行行走走,也不致踏坏,所以杞人一听,欣喜莫名。这种看法反映了宣夜说的观念,似乎亦能说明某些宇宙的现象,比如说认为天是气之所聚,即大气层。
最早创立的盖天说则认为天在上,地在下;天就像一个半圆形罩子,罩住平坦的大地。这种看法似较原始,表示初民对天体运动和宇宙结构的简单认识。
浑天说主张天是浑圆的,曰月星宿会转入地下,而早期认为大地是平的。至东汉三国由陆绩等加以发展,就提出了大地为球形的概念,已是颇为完备的学说了。张衡是赞同浑天说的,他说:“浑天如鸡子,天体圆形弹丸。地如鸡中黄,孤居于內。天大而地小。天表里有水。天之包地,犹壳之里黄。”这就是当时张衡构想的天地模型。然而张衡并不以为他这个模型便是整个宇宙,他相信在这个鸡蛋般的天壳之外,还有一个“未知”世界,因此说“宇之表无极,宙之端无穷”。这就接触到时空无限的问题了;与张衡差不多同时的郗萌,则又从另一个角度探讨了宇宙无限的思想。
张衡就是以浑天说为基础造浑天仪的。
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