张衡出生在位于中国中原地区的河南省南阳县。他年少时好学，善于写作在十七岁的时候，他离开家乡，来到长安，也就是后来成为中国历许多朝代首都的西安。张衡在这里考察历史古迹，调查民情风俗和社会经济情况。后来年轻有为的张衡被当时的朝廷选中，几次请他做官，张衡在当时的首都洛阳，担任太史令，后又做过侍中、河间相等官。
张衡年轻的时候就对自然科学，尤其是天文学感兴趣。他淡薄名利，曾经两次辞去官职，用三年的时间研究哲学、数学、天文，积累了大量的知识，并开始著书立说。
在距今两千多年的汉代，中国关于宇宙结构的理论就非常丰富，当时主要有三个学派，即盖天说，浑天论和宣夜说，张衡就是浑天说的代表人物。他认为天就象一个鸡蛋，地好比鸡蛋黄，天大地小，天地各乘气而立，载水而浮。这个理论在当时是很进步的。另外，张衡关于天、地起源和演化的回答也是具有辩证思想的，他认为，天地没有分开之前，混混沌沌，分开以后，轻者上升为天，重者凝结为地。天为阳气，地为阴气，二气互相作用，创造万物。张衡还用距离的变化来解释行星运行的快慢。近代科学证明，行星运动的快慢是和它同太阳距离的近远相关的。可见张衡的解释有合理的因素。
张衡不但注重理论研究，而且注重实践，他曾亲自设计了漏水转浑天仪、候风地动仪。候风地动仪是世界上第一架测验地震的仪器，公元138年，张衡用它成功地记录了在陕西发生的一次地震。浑天仪相当于现在的地球仪，它原是另外的一位科学家发明的，张衡作了一些改进，他用齿轮系统把浑象——类似现在天球仪和计时漏壶联系起来，漏壶滴水推动浑象均匀地旋转，一天刚转好一周，这样，人在屋子里看浑象，就可以知道什么时间哪颗星在什么位置上。
张衡还对许多具体的天象做了观察和分析。他统计出中国中原地区能看到的星数大约有2，500颗，他基本上掌握了月食的原理。张衡测出太阳和月亮的角直径也是相当准确的。张衡认为，早晚和中午的太阳，其大小是一样的，看起来早晚大，中午小，只是一种光学作用。早晚观测者所处的'环境比较暗，从暗处看明处就显得大，中午时天地同明，看天上的太阳就显得小。好比一团火，夜里看就大，白天看就小。张衡的这种解释，尽管不很全面，但是有一定的道理。
张衡不仅是天文学家，他还是东汉时期有名的文学家，他的绘画也相当出色，被列为当时的六大名画家之一。据中国的史书记载，张衡一生共留下科学、哲学、文学方面的著作三十二篇，其中表明了张衡的为人和治学态度，而则是人类到星际旅行的畅想曲，是中国早期的科学幻想文章。另外，被称为张衡的代表作，一直流传至今。在这两篇作品中，张衡细致地描写了东京、西京的景致（东京，指现在陕西省的西安；西京指现在河南省的洛阳），娓娓地叙述了这里的风俗民情，手法浪漫夸张，其中叙述各种民间技艺的表演，是极其珍贵的中国古代杂技艺术史料。
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