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与之相对应的是秦汉时期出现的浑天说，浑天说认为，天是一个圆形的壳，天一半在地上，一半在地下，地位于天壳的内部，日月星辰随着天壳而转动。张衡的浑天仪正是以浑天学说为基础制造的，它是一种演示天体运动情况的仪器。浑天仪也并非是张衡的独立发明，而是由西汉科学家落下闳、耿寿晶所创，张衡在前人的基础上，制造出了运作更为精密的水运浑天仪，它分做内外几层，每层都可以转动，中间有个铁轴贯穿球心，轴的方向就是地球自转的方向，轴和球体的接触有两个交点，即天球上的北极和南极。球的一半隐没在地平圈的下面，另一半显露在地平圈上面。在球的表面排列有二十八宿和其他恒星，球面上还有黄道圈和赤道圈，二者成24度夹角，分列有二十四节气。从冬至点起（古代以冬至作为一年的开始），把圆分成365度，每度又细分成四个小格。球体外面有两个圆圈，一个是地平圈，一个是子午圈，外圈圆周长为一丈四尺六寸一分。天轴支架在子午圈上，和地平斜交成36度，就是说北极高出地平36度。这是洛阳地区的北极仰角，也是洛阳地区的地理纬度。这架仪器的构造，几乎囊括了当时所有先进的天文学知识。更值得一提的是，张衡巧妙设计了齿轮转动系统把浑天仪和漏壶联系起来，借助漏壶的水流力量推动齿轮，带动浑天仪绕轴旋转。这一年，张衡的浑天仪成功演示了洛阳地区星空的运动实况，引起了巨大的轰动，也让所有质疑他的人暂时闭上了嘴巴。
遗憾的是，对于这样一种伟大的科技成就，今天的某些学者都采取了低调记录的方式。在中国传统的学术观念里，自然科学发明的地位是要落在人文科学之后的。文革时期，浑天仪更被四人帮的爪牙们污蔑为“封建迷信的产物”。前人的蒙昧尚可以理解，后人的无知却令人可悲。张衡的浑天仪，从当时的社会发展和生产力发展情况看，很多内容无疑是超越了时代的。一项科技发明若超越了时代，也势必很难在短期内为时代所接受。爱迪生发明电灯的行为不也曾遭到煤气灯公司的抵制吗？在东汉的生产力状况下，许多天文学成就无法在当时体现出作用，但势必会在未来的岁月里影响到人类的生活。欧洲人处死了培根，可是“知识就是力量”的名言鼓舞了无数欧洲近代科学家向蒙昧的宗教宣战。浑天仪以及浑天学说所带来的科技成果，不仅在当时引发了轰动，在日后的岁月里，它的作用被一代又一代的中国人进行了孜孜不倦的扩展，在奠定了中国天文学研究基础的同时，也深刻影响了一代又一代天文观测的方式以及天文学说成果的变革。
浑天仪绝不仅仅是今天故宫博物院里一尊华丽的摆设，也并非是没有任何实际用途的奇技淫巧，而是一种精密的观测天象的机器设备。在人类漫长的天文研究历史上，浑天仪为人类捅开了探索天体奥秘的一层窗户纸，按照现代科学观念来看，浑天仪包括制造浑天仪理论的浑天说，无论是研究的深度还是精确度，都与真实的情况有着不小的距离，但是谁又能离开自己身处的时代去看待客观的事物呢，罗马不是一天建成的，牛顿的自由落体运动以及爱因斯坦的相对论，也同样存在着有待后人去完善和补充的漏洞，他们并没有因为错误，而由伟大变得渺小，相反更加深受我们的尊重。张衡也一样，中国现代的科普读物里，对于浑天仪的记录和叙述，只占据很小的一个篇幅，但是就人类天文学的历史而言，能够正确的演示星空运行的状况并以此推算天体运行的规律，对于蒙昧时代的人类天文学发展而言，有着极其重要的意义。从天文学本身的研究角度看，浑天仪为人类演示了天体运行的基本轮廓和结构，也就为后人点亮了研究天体运行规律的一盏明灯，对于天文学的演变和发展无疑具有启蒙运动的意义。中国传统的历法和潮汐的推算，都缘自古代天文学家对天象的观测和研究，包括节气的演变和春夏秋冬的交替，以及农令农时的变更，这一切也同样要以天文学的进步为基础。古代中国的文明之所以领先于世界，首要一点是因为封建农业生产力的高度发达，而在靠天吃饭的封建农业生产方式下，对于天象的观测和农时的把握，则成为决定生产成果的关键。从这个意义上说，无论用怎样的赞美词汇去评价这一伟大的成果，都是不过分的。另外需要重要说明的一点是，水运浑天仪的成功，并非仅仅是张衡一个人的智慧。在洛阳平昌门南，有一个叫灵台的地方，那里是张衡担任太史令期间观测天象的地点。所谓的灵台，自然不仅仅是一个高台这样简单，它代表着一个庞大的研究体系，根据《后汉书》的记录，灵台就是当时的天文台。这里的总管是灵台丞，属太史令管辖，上面有候气的、候风的、候日的、候星的等40多人，机构庞大，分工细密。这样完善的科学研究机制，在两千多年以前的世界只为中国所独有，因此这样的成功并不能只被看做某位科学家灵感的昙花一现，而是应当被看做中国封建时代科技制度的成功，完备的管理和研究制度为科学家的成功提供了一个有利的平台，也使水运浑天仪的诞生成为一种必然。即使张衡在16岁那年选择了文学作为自己的发展道路，水运浑天仪也必然会诞生在同时代一个叫李衡或者王衡的人之手。当有些中国人在感叹瓦特为什么没有出生在中国的时候，他们恰恰忽略了重要的一个事情。任何一个优秀的科学家都需要和一个优秀的科学制度相适应，与瓦特同时代的清朝连一个火器发明家戴梓都难以容下，就足够证明近代中国的落后，绝非仅仅是民族智慧缺失的缘故。
在水运浑天仪制作成功的第二年，张衡写下了他一生里最伟大的一部天文巨著《灵宪》，从研究《太玄经》到制作浑天仪，再到巨著《灵宪》的问世，从学习前人的理论到实践，再到丰富和完善新理论，张衡经历了一个科学家正常的研究过程，也更加明白地证明了中国古代科技的理论性。《灵宪》是中国天文浑天理论的集大成者，不仅系统地阐述了前人的天文思想，而且对于天体的演化过程和宇宙的概念，以及行星的运动速度方面都提出了自己独到的观点。特别重要的是，张衡在书中第一次提出了“宇宙”这一新的概念，并将宇宙和天地区分开来。他第一次提出了宇宙的无限性，这一思想不仅深刻地影响了后世的天文研究，更在中国思想史上引发了一场剧烈的地震，后世的朴素唯物主义学者将张衡的宇宙无限论应用于思想领域，提出了世界上最早的唯物主义思想。
《灵宪》的成就不仅仅于此，另一个重要的事实是，《灵宪》涉及了宇宙运动的方方面面，在天体的演化过程里，张衡提出了“星云”学说，即天体是由各种气组成，在气的分化中形成了天地。欧洲直到1700多年后，才由康德提出了类似的观点。在行星运动的速度上，张衡探讨了行星运行的速度规律，指出行星运行的速度与距离地球的远近有关。《灵宪》同样揭开了月食的产生和运动之谜，即“月，光生于日之所照；魄生于日之所蔽。当日则光盈，就日则光尽也。众星被耀，因水转光。当日之冲，光常不合者，蔽于地也，是谓虚。在星星微，月过则食”。他提出了月亮本身不发光，是靠太阳发光的正确理论。在星相和流星等问题上，《灵宪》也做出了非常系统的论述。在公元2世纪的世界，《灵宪》可被看做天文学的百科全书，而这部书与浑天仪一样，也不仅仅代表着张衡一个人的科技成就与智慧思想，《灵宪》里的许多观点，在之前的一些关于浑天说的前人论著里都有所涉及，张衡将其深化并加以系统地证明，这部书实际上是秦朝初期至东汉时代浑天学说的集大成者。也就是从这个时代开始，浑天说成为了统治中国天文近两千年的学说，后世的天文学家都以其为天文理论的研究基础。
公元132年，即汉顺帝阳嘉元年，张衡完成了他在太史令任上的最后一件大事——发明地动仪，这也是他几十年宦海沉浮生涯里最光辉的一刻。根据《后汉书》的记载，张衡的这台机器：“验之以事，合契若神。”地动仪又称为候风地动仪，由青铜制成，形像一只圈足的酒尊，直径有8尺；尊上有个隆起的合盖；尊外附有8条龙，龙首朝着8个方向；龙口中含有一粒铜丸；地面上有8只昂首张口的蟾蜍，准备承接龙口�