天文学家 - 郭守敬

郭守敬（1231—1316 年），字若思，刑州刑台县（今河北刑台县）人，元代杰出的天文学家和水利工程学家，在地理学、机械工程和数学等领域内也有突出的成就。他发明和创造了许多当时处于世界领先地位的天文仪器，为中国乃至世界天文学的发展做出了卓越贡献。他组织研究制定的《授时历》，以 365.2425 日为一年，与地球围绕太阳公转一周的时间仅差 26 秒，比现行公历早了近三百年。明朝时来中国的德国传教士汤若望曾尊称郭守敬为“中国的第谷”。

　　科学奇才 水利专家

　　受学于名士刘秉忠门下 3 年。在刘秉忠的学生中，还有一个叫王恂的少年，他比郭守敬少四、五岁，后来多年与郭守敬为同事，是我国历史上出类拔萃的数学家。郭守敬在少年时代就显露出了敏锐的观察力和超人的科学才能。大约在十五、六岁时，一个偶然的机会，郭守敬得到了一份《 石本莲花漏图》，郭守敬凭其聪明才智熟练掌握了莲花漏的制造方法和工作原理，并照图复制了一台莲花漏。郭守敬 20 岁时，担负了设计修复邢州石桥的重任。郭守敬经过仔细的勘查后便很快制定出了修桥方案。仅用了 40 天的功夫就修复了石桥。年轻的郭守敬所显露出来的科技才能引起了很多人的注意和赞扬。1262 年（中统三年），刘秉忠的密友张文谦向忽必烈推荐了郭守敬。忽必烈在开平府接见了郭守敬。郭守敬北上应召时，把刚铸好的一套莲花漏运到燕京，取名为“ 宝山漏”，献给了忽必烈。这套计时器构造精巧，水流均匀，计量时间很准确，后来成为元代司天台（即国立天文台）的计时工具。元朝政府最初任命郭守敬为提举诸路河渠，后升任为都水少监，负责主管水利。郭守敬根据自己的勘查结果，针对当时农业生产的实际情况和经济发展的需要，向忽必烈呈交了六项治理河水发展灌溉运输的建议。由于郭守敬的这些计划是在实地勘探的基础上制定出来的，因此，元世祖忽必烈十分欣赏。

　　1263 年，郭守敬被提升为佩带银符的副河渠使，开始把自己治水理治与计划付诸于实践。1264 年（蒙古至元元年），张文谦以中书左丞出任西夏中兴等路行省长官，郭守敬便又随张文谦赴任，投入了修复西夏沿河古渠的工作。不到一年时间，西夏古渠的修复得以完成。郭守敬在西夏时还溯流而上，探寻黄河河源。虽然史籍上没有具体记载这次探险的结果，但实际上郭守敬是探寻黄河河源的第一人。1275 年（元至元十二年），郭守敬奉命踏勘黄淮平原，调查通航路线，相机建立水站。他在孟津以东沿黄河故道进行了艰苦细致的考察，凡经过地区都绘了地图，并附以文字说明。在这次实地勘测中，郭守敬第一次创造性地运用海拔这一重要的地理学和测量学概念来比较从大都到汴梁地区地势的高低，这是他为我国乃至世界人文科学做出的又一大贡献。经过认真的考查后，郭守敬规划出了中原地区五条河渠干线。郭守敬的详细筹划报告得到了元世祖忽必烈的赞同，就在此后不久，郭守敬出任工部郎中，仍旧负责河工水利，但郭守敬把更多的精力投入到了研究历法、制造天文仪器方面。  中学生科技网 http://www.zxskj.com

　　公元 1262 和 1266 年，郭守敬曾两次负责兴修大都至通州的运河，但都没有成功。1291 年（至元二十八年），郭守敬又以太史令之职兼管都水监事务，全身心投入了兴修大都运粮河道的新计划，这时他已是年愈 60 的老人了。郭守敬认真总结了前两次失败的教训，重新拟定了施工方案。从 1291 年春到 1292 年秋，仅用一年半的时间一条 160 里长的运河及其全部配套工程就峻工了，这就是著名的通惠河。通惠河的修建成功，不仅元代的漕运粮食大为方便，而且也极大地促进了南北物资交流，有益于人民生活。通惠河的设计修成是郭守敬杰出的科学才干与丰富的创造力充分得以施展的结果。  中学生科技网 http://www.zxskj.com

　　天文仪器 独领风骚

　　元朝统一后，元世祖下令设置太史院，王恂为太史令，郭守敬为同知太事院使，集全国各地的优秀天文学家和历法人员，开始了改编新历的繁重工作。郭守敬认为“ 历之本，在于测验；而测验之器，莫先仪表”（元齐履谦《知太史院事郭公行状》），因此他率领一大批能工巧匠先后制出了许多精密的天文仪器，其中最为后人推崇的是简仪、仰仪和圭表等。郭守敬在浑天仪的基础上发明了简仪。他大胆革新，只保留了浑天仪三组圆环系统中的两个圆环系统，又把其中的一组分立出来，改成另一个独立仪器，这样就扩大了观测范围、增加了实用性。郭守敬精心改制的这一仪器既精确又简单，故称之为“简仪”。而在欧洲，类似这样的天文仪器，直到 18 世纪才开始在英国使用。仰仪是一件铜制中空半球形仪器。因像一口仰放的锅，所以取名“仰仪”。半球口沿上标有东西南北方位和十二时辰。里面以观测地的北极高度为中心，刻着纵横交错的赤道坐标网。口面中心用一横一纵两根竿子架着一块玑板，板心开着一个小孔，小孔的位置正好在半球面的球心上。太阳光通过小孔在半球里面成一倒像，这时人们根据赤道坐标网就可以测定在天空中的位置。此外，通过仰仪还可直接观察到日食、月食等天文现象。遗憾的是郭守敬的这件杰作，到清康熙年间时竟毁于西方传教士手中，未能幸存至今。圭表是我国最古老也是最常用的测定二十四节气的仪器。郭守敬借鉴旧圭表新设计了一种圭表，叫高表。高表的表柱用铜铸成，并且增高到三十六尺，这样就使得表影也相应地增长，按比例推算各个节气的误差就可以大大减少。圭面上的刻度也增加了，能够直接量到厘，还可往下估算至毫。为解决表高影长圭面模糊的问题，郭守敬进行了两项改进：一是表柱上端加一横梁，由两条四尺高的龙托住，从梁心到圭面共四十尺。横梁的阴影就是表影的尽头。一是设计了一件辅器———景符。就是利用小孔成像的原理，使日光通过一个薄片上的小孔，再射到圭面，从而收到影界清晰的效果。郭守敬的这些发明与改革从根本上克服了自唐宋以来圭表所存在的一些主要缺陷。

　　1276 年 1279 年初，这段时间里，郭守敬殚精竭虑设计和制造了许多天文仪器，如适合野外工作用来投正方位的正方案、推算地平高度的窥几，还有大明殿漏灯、丸表、悬正仪、座正仪、浑天象、侯极仪、玲珑仪、立运仪、证理议、日月食仪、星晷定时仪等。很多仪器其设计的科学性和使用的准确性，在当时世界上也处于领先地位。在我国漫长的封建社会里，科学和科学家一直处于被压制和歧视的地位。郭守敬能够抓住时机充分施展自己的才华，在水利、天文等科学领域中作出了前所未有的巨大贡献。  中学生科技网 http://www.zxskj.com

　　制《授时历》 著作等身

　　创制好各种天文仪器后，郭守敬便向忽必烈呈奏，请求扩大观察范围。元世祖考虑到制定新历的需要，便采纳了郭守敬的建议，令监候官十四员分赴全国各地进行观测研究。郭守敬亲自率领一批人马，从上都出发，中间经过大都、河南等地，最后到达广州，一路上进行了测验日影等多项科研活动。郭守敬充分利用自己研制的仪器，进行了一系列的天文观测工作，取得了令人瞩目的辉煌成就，其中关于黄赤大距的测定和二十八宿距离的测定，具有特别重要的意义。经过四年多的辛勤劳作，到 1280 年（至元十七年）春，一部当时世界上最先进的历法———《 授时历》宣告完成了。元世祖忽必烈大喜过望，即令从第二年起，全国一律实行《 授时历》。《 授时历》以365.2425 为一回归年的日数，这和地球绕太阳一周所经历的实际时间只差 26 秒，比现行公历整整早了 300 年。

　　《 授时历》一反传统彻底废弃了上元积年的传统，采取实事求是的简易办法，并以 1280 年冬至为推算各项天文数据的起点，这在我国历法上是一大进步。由于授时历所取朔望月和交点月的长度都很准确。加之它又在掌握了较准确的日月运动轨道的基础上，采用了缜密的计算方法，所以，它对日食和月食的预测十分准确。授时历颁行之后，深受人们的欢迎。不仅如此，授时历还漂洋出海先后传至朝鲜和日本，为当地人民所接受和使用。授时历制订完毕后，郭守敬便集中精力总结多年来积累的丰富经验进行著书立说，他先后编纂了《推步》七卷、《立成》二卷、《 历议拟稿》三卷、《转神选择》二卷、《 上中下三历注式》十二卷、其中《 历议拟稿》后经太子谕德（即皇太子高级侍从）李谦加以修改后就成为《授时历议》。1286 年（ 至元二十三年）二月，郭守敬升任太史令。他把上述著作呈献给了元世祖忽必烈。忽必烈并未过目，就令收藏于翰林国史院。在以后的岁月里，郭守敬仍勤奋耕耘，陆续写成了下列著作：《时候笺注》二卷、《 修改源流》一卷、《 仪象法式》二卷、《 二至晷影考》二十卷、《五星细行考》五十卷、《 古今交食考》一卷、《 新测二十八宿杂座诸星入宿去极》一卷、《 新测无名诸星》一卷、《 月离考》一卷。由于元代同其他封建王朝一样，天文历法全归皇家垄断，严禁百姓私下学习，所以所有这些郭守敬的著作全收藏于官府，没有得以在民间流传。后来就下落不明了，只有《授时历经》和《授时历仪》因载入了《元史》而得以幸存至今。