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中國天文學發展的歷史是悠久的。到漢代已有蓋天、宣夜和渾天等學派。蓋天說認為，天如蓋，蓋心是北極，天蓋左旋，日月星辰右轉。宣夜說認為天無定形，日月星辰“自然浮生虛空之中”，并不附著于“天體”之上。渾天說認為天如蛋殼，地如蛋黃，天地乘氣而立，載水而行。

宣夜說后來不幸失傳了，蓋天、渾天兩說并行，競相爭鳴，比較科學的渾天說漸占上風。同時，觀測天象的儀器也不斷出現，如武帝時洛下閎制造了渾天儀，宣帝時耿壽昌又造了渾天儀，和帝時崔瑗的老師賈逵更制造了黃道銅儀。[1]

張衡繼承和發展了前人的成果。任太史令后，他更加勤奮地“研核陰陽”，終于“妙盡璇璣之正”。元初四年（公元117年），一件成就的銅鑄渾天儀，被張衡造了出來。渾天儀主體是幾層均可運轉的圓圈，外層周長一丈四尺六寸。各層分別刻著內、外規，南、北極、黃、赤道，二十四節氣，二十八列宿，還有“中”、“外”星辰和日、月、五緯等等天象。儀上附著兩個漏壺，壺底有孔，滴水推動圓圈，圓圈按著刻度慢慢轉動。于是乎各種天文現象便赫然展現在人們眼前。這件儀器被安放在靈臺大殿的密室之中。夜里，室內人員把某時某刻出現的天象及時報告給靈臺上的觀天人員，結果是儀器上、天上所現完全相符。

張衡制成青銅渾天儀后，把它安裝在一間密室里，用流水的力量使它轉動。然后，讓一個管理人關閉在室內，高聲向站在觀象臺上的觀察者報告說：渾儀上哪一顆星正在升起，哪一顆星正在達到天頂，哪一顆正在落下去。一切都準確地同天象相符。

在渾天儀和滴漏壺之外，張衡還創造了一種機械日歷，叫做“瑞輪冥莢”。《晉書·天文志》記載：“至順帝時張衡又制渾象……，以漏水轉之于殿上室內。星中出沒，與天相應。因其關戾，又轉瑞輪冥莢于階下，隋月虛盈，依歷開落。”冥 莢是傳說中的一種樹，每天生一個莢，生到5個以后，又每天掉一個莢，掉完以后再重新生長。受此啟發，張衡創造了瑞輪冥莢，其內裝有機關，在一個立軸上裝上十五個具有凸輪作用的撥板，使它們依次分別作用十五個冥莢，各按著應有的時刻升起和降落。然后把瑞輪冥莢放在渾天儀殿房外面階臺旁邊。接聯到滴漏壺上去，也是利用漏水轉動和渾天儀聯動。它從每月初一起，每天轉出一片木葉，到15日共轉出15片，然后每天再轉入一片，依次減少，到月落為止。因為陰歷是和月亮的運行配合的，所以這種儀器不僅可以表示出日期，它還可以表示出月亮圓缺的增減情形，也就是按照陰歷中的朔日、上弦、望日、下弦、晦日等順序，一次又一次地循環旋轉開合著，使人們從瑞輪冥莢上可獲得類似活動日歷的效用。

隴西位于今甘肅省西南部，離洛陽很遠。張衡怎么會知道那里發生了呢？原來，在張衡生活的年代，十分頻繁。光是從公元96年到公元125年這30年間，就有23年發生過，有好幾次就發生在洛陽附近。正因為這樣，引起了張衡的注意。 張衡經過多年的摸索，在公元132年制成了世界上架測定的儀器，叫作“地動儀”。地動儀是銅做的，直徑約3米，樣子像酒壇。在這個“酒壇”的外壁上，倒掛著8條龍。每條龍的嘴里都含有一個銅球。每條龍下面，蹲著一只銅蛤蟆。蛤蟆仰著頭，張大嘴巴。8條龍的龍頭，分別朝著東、南、西、北、東南、西南、西北、東北。哪個方向發生，哪個方向的龍嘴里的銅球就震落下來，正好落在正對著它的銅蛤蟆嘴里，發出“當啷”一聲。