公元117年，是中國天文曆史，同樣也是世界天文曆史上重要的一年，張衡研製成了世界上最早利用水力轉動的渾天儀。對於渾天儀，我們今天隻能在遺跡中找到一個模糊的概念，這種古老的儀器代表了中國古代科技的先進成果。而渾天儀的真正原理和用途，大多數人就不得而知了。事實上，渾天儀得名於中國古代古老的天文學說——渾天說。中國古代的天文學說，從秦漢開始一直存在蓋天說和渾天說兩種爭議。蓋天說是商周時期萌芽的天文學說，其理論為“天圓如地蓋，地方如棋局”，即中國古代傳統的天圓地方學說，代表了人類在蒙昧階段對於宇宙的朦朧認識。與之相對應的是秦漢時期出現的渾天說，渾天說認為，天是一個圓形的殼，天一半在地上，一半在地下，地位於天殼的內部，日月星辰隨著天殼而轉動。張衡的渾天儀正是以渾天學說為基礎製造的，它是一種演示天體運動情況的儀器。渾天儀並非張衡獨立發明，而是由西漢科學家落下閎等人所創，張衡在前人的基礎上，製造出了運作更為精密的水運渾天儀。它分為內外幾層，每層都可以轉動，中間有個鐵軸貫穿球心，軸的方向就是地球自轉的方向，軸和球體有兩個交點，即天球上的北極和南極。球的一半隱沒在地平圈的下麵，另一半顯露在地平圈上麵。球的表麵排列有二十八宿和其他恒星，球麵上還有黃道圈和赤道圈，二者成24度夾角，分列有二十四節氣。從冬至點起（古代以冬至作為一年的開始），把圓分成365度，每度又細分成四個小格。球體外麵有兩個圓圈，一個是地平圈，一個是子午圈，外圈圓周長為一丈四尺六寸一分。天軸支架在子午圈上，和地平圈斜交成36度，就是說北極高出地平圈36度。這是洛陽地區的北極仰角，也是洛陽地區的地理緯度。這架儀器的構造中，幾乎囊括了當時所有先進的天文學知識。更值得一提的是，張衡巧妙設計了齒輪轉動係統，把渾天儀和漏壺聯係起來，借助漏壺的水流力量推動齒輪，帶動渾天儀繞軸旋轉。這一年，張衡的渾天儀成功演示了洛陽地區星空的運動實況，引起了巨大的轟動，也讓所有質疑他的人暫時閉上了嘴巴。
遺憾的是，對於這樣一種偉大的科技成就，某些學者采取了低調記錄的方式。在中國傳統的學術觀念裏，自然科學發明的地位是要落在人文科學之後的。前人的蒙昧尚可以理解，後人的無知卻令人可悲。張衡的渾天儀，從當時的社會發展和生產力發展情況看，很多內容無疑是超越了時代的。一項科技發明若超越了時代，勢必很難在短期內為時代所接受。愛迪生發明電燈的行為不也曾遭到煤氣燈公司抵製嗎？在東漢的生產力狀況下，許多天文學成就無法在當時體現出作用，但勢必會在未來的歲月裏影響人類的生活。渾天儀以及渾天學說所帶來的科技成果，不僅在當時引發了轟動，在後來的歲月裏，它的作用被一代又一代的中國人孜孜不倦地擴展，在奠定了中國天文學研究基礎的同時，也深刻影響了一代又一代天文觀測的方式以及天文學說的變革。
渾天儀絕不僅僅是博物院裏一尊華麗的擺設，也並非沒有實際用途的奇技淫巧，而是一種精密的觀測天象的機器設備。在人類漫長的天文研究曆史上，渾天儀為人類捅開了探索天體奧秘的一層窗戶紙。按照現代科學觀念來看，渾天儀，包括製造渾天儀的理論渾天說，無論是研究的深度還是精確度，都與真實的情況有著不小的距離，但是誰又能離開自己身處的時代去看待客觀的事物呢？羅馬不是一天建成的，牛頓的自由落體運動以及愛因斯坦的相對論，也同樣存在有待後人去完善和補充的漏洞，他們並沒有因為錯誤而由偉大變得渺小，相反更加受我們的尊重。張衡也一樣，中國現代的科普讀物裏，對於渾天儀的記錄和敘述，隻占據很小的篇幅，但是就人類天文學的曆史而言，能夠正確演示星空運行的狀況並以此推算天體運行的規律，對於蒙昧時代的人類天文學發展而言，有著極其重要的意義。從天文學研究的角度看，渾天儀為人類演示了天體運行的基本輪廓和結構，為後人點亮了研究天體運行規律的一盞明燈，對於天文學的演變和發展無疑具有啟蒙的意義。中國傳統的曆法和潮汐的推算，都緣自古代天文學家對天象的觀測和研究。節氣的演變和春夏秋冬的交替，以及農令農時的變更，也同樣要以天文學的進步為基礎。古代中國的文明之所以領先於世界，首要一點是因為封建農業生產力高度發達，而在靠天吃飯的封建農業生產方式下，對於天象的觀測和農時的把握，則成為決定生產成果的關鍵。從這個意義上說，無論用怎樣的讚美詞彙去評價這一偉大的成果，都是不過分的。
另外需要重要說明的一點是，水運渾天儀的成功，並非張衡一個人的智慧。洛陽平昌門南，有一個叫靈台的地方，那裏是張衡擔任太史令期間觀測天象的地點。所謂靈台，自然不僅僅是一個高台，它代表著一個龐大的研究體係。根據《後漢書》的記錄，靈台就是當時的天文台。這裏的總管是靈台丞，屬太史令管轄，上麵有候氣的、候風的、候日的、候星的等四十多人，機構龐大，分工細密。這樣完善的科學研究機製，在兩千多年以前的世界隻為中國所獨有，因此這樣的成功並不能看作某位科學家靈感的曇花一現，而應當看作中國封建時代科技製度的成功。完備的管理和研究製度為科學家的成功提供了一個有利的平台，也使水運渾天儀的誕生成為一種必然。即使張衡在十六歲那年選擇了文學作為自己的發展道路，水運渾天儀也必然會誕生在同時代一個叫李衡或者王衡的人之手。當有些中國人在感歎瓦特為什麼沒有出生在中國的時候，他們恰恰忽略了重要的事情。任何一個優秀的科學家都需要和一個優秀的科學製度相適應，與瓦特同時代的清朝連一個火器發明家戴梓都難以容下，就足夠證明近代中國的落後，絕非因為民族智慧缺失。
水運渾天儀製作成功的第二年，張衡寫下了一生裏最偉大的一部天文巨著《靈憲》，從研究《太玄經》到製作渾天儀，再到巨著《靈憲》的問世，從學習前人的理論到實踐，再到豐富和完善新理論，張衡經曆了一個科學家正常的研究過程，也更加清楚地證明了中國古代科技的理論性。《靈憲》是中國天文渾天理論的集大成者，不僅係統地闡述了前人的天文思想，而且對於天體的演化過程和宇宙的概念，以及行星的運動速度都提出了自己獨到的觀點。特別重要的是，張衡在書中第一次提出了“宇宙”這一新的概念，並將宇宙和天地區分開來。他第一次提出了宇宙的無限性，這一思想不僅深刻地影響了後世的天文研究，更在中國思想史上引發了一場劇烈的地震，後世的樸素唯物主義學者將張衡的宇宙無限論應用於思想領域，提出了世界上最早的唯物主義思想。
《靈憲》的成就不僅僅於此，《靈憲》涉及了宇宙運動的方方麵麵，在天體的演化過程裏，張衡提出了“星雲”學說，即天體由各種氣組成，在氣的分化中形成了天地。歐洲直到一千七百多年後，才由康德提出了類似的觀點。張衡探討了行星運行的速度規律，指出行星運行的速度與距離地球的遠近有關。《靈憲》同樣揭開了月食的產生和運動之謎，“月，光生於日之所照；魄生於日之所蔽。當日則光盈，就日則光盡也。眾星被耀，因水轉光。當日之衝，光常不合者，蔽於地也，是謂虛。在星星微，月過則食。”他指出月亮本身不發光，是靠太陽發光的正確理論。在星相和流星等問題上，《靈憲》也做出了非常係統的論述。在公元2世紀的世界，《靈憲》可被看作天文學的百科全書，而這部書與渾天儀一樣，不僅僅代表著張衡一個人的科技成就與智慧思想，《靈憲》裏的許多觀點，在關於渾天說的前人論著裏出現過，張衡將其深化並加以係統地證明，這部書實際上是秦朝初期至東漢時代渾天學說的集大成者。也就是從這個時代開始，渾天說成為統治中國天文近兩千年的學說，後世的天文學家都以其為天文理論的研究基礎。
公元132年，即漢順帝陽嘉元年，張衡完成了他在太史令任上的最後一件大事——發明候風地動儀，這也是他幾十年宦海生涯裏最光輝的一刻。根據《後漢書》的記載，張衡的這台機器：“驗之以事，合契若神。”候風地動儀，由青銅製成，像一隻圈足的酒尊，直徑有八尺，尊上有個隆起的合蓋，尊外附有八條龍，龍首朝著八個方向，龍口中含有一粒銅丸，地麵上有八隻昂首張口的蟾蜍，準備承接龍口中落下來的銅丸。尊中有一根高而細的銅柱，張衡稱為都柱，都柱接收到地震產生的地震波後就向波源方向傾倒。都柱周圍構架了八條通道，使傾倒的都柱隻能往一道中滑倒，倒到盡頭，都柱敲動一個像弩機裝置似的牙機，利用杠杆傳動，使龍首張口，銅丸跌入蟾蜍口中，“砰”的一聲，人們聞聲檢丸，就可知道該方向發生了地震。地動儀誕生的初期，朝野上下普遍抱有懷疑的態度。這其實很容易理解，機器預測地震，是歐洲在19世紀下半葉才完成的課題。據說地動儀問世的時候，清流們曾批判張衡“製妖物以媚主上”，宦官們也曾汙蔑張衡“行異術以惑人心”。科學，特別是在自然科學誕生的初期，注定要與一切傳統的勢力進行戰鬥。公元138年秋的隴西大地震，為張衡的地動儀徹底正名，上報的地震實際發生時間與張衡地動儀觀測的時間，誤差不超過一個時辰。當然，地動儀對於地震的預測還處於一種極其原始的狀態，它隻可以大體感知地震發生的方位，無法定位地震發生的準確地點，但是在當時的生產力條件下，這的確是一個超越時代的發明，對比西方的科技成就，地動儀領先世界約一千八百年。