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离比天的直径短1000 里，而其东西则长1000 里。天这个球是从东向西不停转动的，地这个半球却在天内静止不动。至于伸出天外的地块是否会阻碍天的转动？张衡没有说。显然，他并不认为这是个问题。由此可见，张衡心目中的天不是一个坚不可破的硬壳。而且更进一步，张衡还认为天并不是整个物质世界的边界。《灵宪》说：“过此而往者，未之或知也。未之或知者，宇宙之谓也。宇之表无极，宙之端无穷。”在天之外还有无限广漠的宇宙世界，不过人们还不知道那些地方罢了。
说到天地，人们自然会问，它们是怎么来的呢？对此，中国古代先哲们有一个很好的非神创论思想传统，认为是有规律地演化而成的。老子《道德经》中就说到：“道生一，一生二，二生三，三生万物。”所谓道，是一种说不出形象和色彩，不在当时人日常经验之内的物质；所谓一，就是气；二，乃是阴和阳；三，则是阴、阳、天。三者结合，生出地面万物。《易·系辞》则认为：“易有太极，是生两仪。元气已分，天地设位，清浮升乎上，沉浊居于下。”到了西汉时代，《淮南子·天文训》发展了两家学说，提出“道始于虚霩，虚霩生宇宙。宇宙生气。气有涯垠，清扬者薄靡而为天，重浊者凝滞而为地。”
在《灵宪》中，宇宙演化的思想又有了新的发展。张衡把天地的形成划分成三个阶段。第一个阶段称为“溟涬”。在这阶段里，整个原始宇宙是“幽清玄静，寂漠冥默，不可为象。厥中惟灵①，厥外惟无。”所谓“灵”，是一种阴性的精气，看不出任何形象，也没有明显的运动，因此，整个宇宙空间中一片寂静。经过很长很长的时间，从灵中逐渐生成各种不同的气。这些气互相混合在一起，“并气同色，混沌不分”。这混沌 漫的元气，自然还没有固定的形状，而且也分辨不出它们的运动速度。这个混沌的阶段称之为“庞鸿”，也是一个很长很长的时期。然后来到第三个阶段，称为“太元”。这时，那片混沌同色的元气发生了分离。清气向外，形成了圆球形而不停运转的天；浊气向内，积淀凝结成为一个上面平而静止的半球形大地。此后，由① 张衡的这些著作，原书已佚。《续汉书·律历志》，又《天文志》，刘昭各注，《太平御览》、《开元占经》等有其佚文。今据洪颐煊《经典集林》辑本《灵宪》和《浑天仪》。① “灵”字在中华书局校点本《后汉书·天文志》中作“虚”，但其校勘记中指出，汲本、殿本作“灵”，今查《开元占经》引《灵宪》也作“灵”。故从“灵”字。
于天和地的互相结合与作用，产生了天上的日月星辰和地上的万事万物。由上可知，张衡不但继承了先辈学者的优良传统，认为天地的形成是物质自身变化发展的自然结果，而且更加强化了这一传统的唯物主义倾向，即，他更明确地表明了，在演化的各个阶段中都是物质——气，而且只有气在起着作用。此外，他把浑天说引进了天地形成的思想，这也比古代演化学说中所依据的天上地下的质朴概念或盖天说思想要来得进步。
日、月、五星天空中最亮的天体是日和月。月有圆缺，而日则始终是圆的。古人在长期观察月亮的运动变化中已经认识到，太阳是自己发光的，而月亮本身则不发光，只是靠反射太阳光才发亮。公元前一世纪成书的《周髀算经》中说：“日兆月，月光乃生，故成明月。”西汉晚期的京房也说：“先师以为日似弹丸，月似镜体；或以为月亦似弹丸。日照处则明，不照处则暗。”①对于这个问题，张衡也提出了进一步的看法：“日譬犹火，月譬犹水，火则外光，水则含景。故月，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。”在这里，明确指出了朔望现象取决于月亮和太阳之间的相对位置。所谓“当日”是指月亮行到了太阳的正对面（相对于地来说）。那么，这样说来，月在望时应该总是很明亮浑圆的了，为什么有时又有月食的现象发生呢？对此，《灵宪》解释说：“当日之冲，光常不合者，蔽于地也。是谓 虚。。。月过则食。”所谓“月过则食”的 虚，用今天的概念来说，那是太阳照射地球时在地球背后投射出的影子。但是，张衡的地是个相当于半个天球那么大的东西，因此，这个 虚与现今的地影概念很不相同。可是究竟张衡是怎么想象的，我们现在还难解释。唯一肯定的是，张衡知道月食的原因是地遮蔽了日光。不过仅仅这一点也已经是一个重要的发现了。
除了日月外，还有五颗肉眼可见的行星在星空背景上运动，运动方向大多时候与日、月一样，是由西向东。因此，这样的运动称为顺行，古代又称右旋。五大行星和我们所在的地球实际上是在各自的轨道平面上绕着太阳作椭圆轨道运动。这些运动都不是匀速的。它们的平均速度也各不相同，离太阳越远的天体，其平均速度越小。由于行星和地球有上述这些运动，因此，在地球上的观测者就会看到，行星有时会出现由东向西的运动，这种运动称为逆行。在顺行和逆行变更之际，行星就好象停留在天空中不动一样，这种状态称之为留。这些天文现象，以及行星运动速度变化的规律，都是在16世纪波兰天文学家哥白尼提出了太阳中心说，又经17 世纪德国天文学家开普勒发现了行星运动三定律以后，才得到科学解释的。比哥白尼早了14 个世纪的张衡完全不可能达到他们那样的程度。但是，他根据他那个时代所积累的天文观测和日常经验，加上他自己的天才，对行星运动的规律作出了自己的猜测。
张衡在《灵宪》中说：“文曜丽乎天，其动者七，日、月、五星是也。
周旋右回，天道者，贵顺也。近天则迟，远天则速。行则屈，屈则留回，留回则逆，逆则迟，迫于天也。”他认为，行星的右旋是一种自然规律——天道。他又因为天本身是从东向西运动的，所以又提出，越靠近天，行星的运① 《开元占经》卷一。
动所受到天的影响也就越大（“迫于天”），这就可以解释行星速度为什么会放慢下来，甚至可以完全停止，乃至倒退（逆行）。这种天的影响力使行星速度发生变化的想法，是对控制天体运动的力的一种思辨性解释。张衡的解释是早期中国天文学史上探求天体运动变化的物理机制的最后一个企图。这种企图由于整个科学发展状况的条件限制，在古代中国就没有可能得到发展和解决。正因为如此，张衡的解释努力应得到后人的钦佩，而不因其牵强不科学而忽视。
五星中火、木、土三行星离太阳比离地要远。金、水二星则离太阳比离地要近。前三者称为外行星，后二者称内行星。张衡当时还不能测定行星与太阳的距离，他当然无法说出何为内行星，何为外行星（这问题也是哥白尼开始才解决的）。但是他已经知道三外行星速度比太阳（实即地球）慢，而二内行星则比太阳快。他还观测到“行迟者觌于东”，即三行星都是先在早晨从东方地平线上出现。以后太阳离它越来越远，过相当时间后太阳反从西面赶上外行星，终于使它在黄昏时被淹没在太阳光中。直到太阳赶过它相当远后，它又在早晨出现在东方地平线上。而内行星则不同，它不但会在早晨出现于东方地平线上，也会在黄昏出现在西方地平线上，以后仍然在黄昏消失于太阳光中。因此张衡称之为“行速者觌于西”。于是他借用阴阳观念说道：“觌于东属阳”，“觌于西属阴”。并且用“日与月此配合也”，把五星分成二类：“摄提（木星）、荧惑（火星）、地候（土星）见晨，附于日也。太白（金星）、辰星（水星）见昏，附于月也。二阴三阳，参天两地，故男女取焉。”虽然没有内、外行星的概念，但两者是区分得清清楚楚的。而且其中终究运用了某种距离的概念，这是在中国古代天文学中极为少见的。循此以往，未必不能发展出正确的概念来。很可惜的是，以后再没有人往这个方向去努力。
关于恒星关于恒星，张衡认为是：“地有山岳，以宣其气，精种为星。星也者，体生于地，精成于天。”这个见解当然是错误的，它是当时已流行了数百年的天地对应思想的反映。《灵宪》中就说到：“在天成象，在地成形。天有九位，地有九域；天有三辰，地有三形；有象可效，有形可度。情性万殊，旁通感薄。自然相生，莫之能纪。”这种尺地之间的对应，纯粹是附会的，是毫无道理的。例如，天的九位（九天）和地的九域（九州）全都是人为的划分。这种对应纯属数字偶合。不过，话得说回来，《灵宪》所说的星“体生于地，精成于天”的话却也不是全无原由的。《灵宪》又说到“夫三光同形，有似珠玉，神守精存，丽其职而宣其明；及其衰，神歇精 ，于是乎有陨星。然则奔星之所坠，至地则石矣。”因为天上坠落的星星（陨星）掉到地上的都见到是石头（陨石），所以使古人起了错觉，认为星星原是地上之物。那么，为什么会升到天上的呢？这就自然会解释成是地上山岳（山多石头）的精气上升就成为星，而星星陨落也自然是“神歇精 ”的结果了。因此，不管这种解释是多么的荒谬，但却反映了古人对陨石的观察。要知道在欧洲，一直到十七世纪，还不认为陨石是从地球以外的空间掉入地面的。关于恒星，《灵宪》还说到它们的命名计数：“众星列布，其以神著，有五列焉，是为三十五名。一居中央，谓之北斗。。。四布四方，为二十八宿。。。中外之官，常明者百有二十四，可名者三百二十，为星二千五百，而海人之占未存焉。征星之数，盖万一千五百二十。”这里给出的星官命名数和星数都大大超过了《汉书·天文志》的�