公元138年，也就是张衡死前一年，在洛阳看守天文仪器的人，有一天跑 来告诉张衡，说“地动仪”对着正西方的龙嘴突然张开，落下一个铜球。于是张衡跑去观察“地动仪”，并且知道洛阳西面某处地方发生了地震。但是住在洛阳城内的人，因为不曾感觉地动，所以将信将疑，不相信“地动仪”的作用。
过了许多天，有人从距洛阳千里的陇西跑来，说那里当时的确发生地震，那些原本不相信“地动仪”的人，就连声说妙极了。距离1000多里，竟然能精确地测出地震，可见其精密准确程度。欧洲第一次出现地震仪，是19世纪，足足比“地动仪”晚了 1700多年。“地动仪”是怎么样的仪器呢？又是谁设计、制造的呢？地动仪是张衡设计和制造的。
公元89年至140年，东汉都城洛阳 及陇西一带，一共发生了 53次地震，119年，更连续发生了两次大地震，因此 促使张衡研究地震现象，以及探索测报地震的方法。公元132年张衡终于发明和制造出测报地震的仪器“地动仪”。这个“地动仪”的外形好比一个大酒坛，是用铜铸造的。
仪器上端有一个可以打开的凸形盖子；四周外壳上铸了八条龙；每条龙的龙头，分别对准东、西、南、北、东北、东南、西北、西南8个方位。每个龙嘴里都衔着一个小铜球，并在龙嘴下面，各自安置了一个头仰嘴张的铜铸蛤蟆。“地动仪”内部，装有铜制上粗下细“都柱”，并自“都柱”周围，分别伸出8根与个别龙头上半部衔接的横杆。
“地动仪”并不是张衡发明和制造的唯一科学仪器。在发明“地动仪”之 前20年，张衡可能已在西汉人耿寿昌浑象的基础上，发明和制造了“漏水转 浑天仪”。“浑天仪”类似现代的天球仪，由精铜铸造，主体为一球体模型， 代表天球。这个球体可以绕天轴转动；天轴和球面共有两个交叉点：一个是北 极（北天极），另一个是南极（南天极）。
在球的表面遍列28宿，以及其他恒 星。球面上还具赤道圈和黄道圈，两者成24度夹角，分列24个节气。球体外面 装有两个代表子午圈和地平圈（通过南北极和天顶）的圆环。天轴的支架在子 午圈上，与地平斜交36度，表示洛阳地区的北极切角，也就是洛阳的地理纬度。
天球则一半露出地平之上，一半隐于地平之下，体现了浑天说的天象认识。“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，就表不一昼一夜，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 传承，并不断做出改进的大型观天仪器一-“浑天仪”，今天仍可看到。在“漏水转浑天仪”的理论基础上，唐代的梁令瓒，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），因此倘若 由他来执笔创作科学幻想作品，是合情合理的事，别的人去写可能全是凭空臆 度。中国可以说是天文学发展最早的国家，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，日月星宿不当坠耶？晓之者曰：日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，日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，日月星宿会转入地下，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，孤居于内。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制造浑天仪的。
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