郭守敬

中国元朝最著名的科学家。他从事科学技术事业六十多年,不仅在天文学和水利工程方面成绩斐然,而且在地理学、数学等方面也做出了卓著贡献。

人物档案

姓名:郭守敬

生卒年:1231年~1316年

出生地:顺德邢台(今河北邢台市)

身份:元代水利学家、天文学家、数学家

生平纪事

郭守敬,字若思,1231年,他出生于一个书香人家。他的祖父是金元之际一位颇有名望的学者,精通五经,熟知天文历算,擅长水利工程。在祖父的熏陶下,郭守敬从小就喜欢读书,对天文学尤感兴趣,还常常自己动手,制做了一些小的天文仪器。

郭守敬的祖父为了让孙儿开阔眼界,得到深造,曾把郭守敬送到自己的老友刘秉忠门下去学习。刘秉忠精通经学和天文学,郭守敬在他那里受到了很大的教益。

1260年,元世祖忽必烈在位期间,郭守敬跟随当时任中书左丞的同乡张文谦上任,帮助他到各地去勘测地形,筹划水利工程。1262年,张文谦将郭守敬推荐给元世族忽必烈。郭守敬第一次拜见元世祖,就向他提出了六条水利方面的建议。这六条建议是他经多年实际勘测之后提出的切实的计划。元世祖觉得郭守敬的建议很有道理,当即就任命他为提举,负责各路河渠。此后,郭守敬又被提升为副河渠使、都水少监、都水监、工部郎中等官职。1264年,他还负责修整了西夏(今甘肃、宁夏)黄河一带的古灌溉渠道。

1275年,郭守敬奉命勘察黄淮平原的地形和通航水路,同时建立“水站”(水上交通站),自孟津(今河南省孟津县东南)以东,沿黄河故道,在方圆几百里内进行了地形测绘和水利规划工作,并且画成地图,一一详细说明。1276年,郭守敬被调到太史局,负责制订新历,开始了我国乃至当时世界天文史上规模空前巨大的天文测量和历法研究工作,使我国天文学成就又攀登上了一个新的高峰。

他还研制了简仪、仰仪、正方案、圭表等仪表,并利用这些仪器进行测量和研究工作。他记录了大量观测结果,并仔细研究了自西汉以来的七十种历法,编制出了一种全新的历法—授时历。从1281年起,授时历开始在全国颁布实行,使用时间长达三百六十年,是中国历史上使用最长的一部历法。

授时历编成以后,郭守敬集中精力从事著述,先后撰成《推步》、《立成》、 《历议拟稿》等天文书稿十多种,一百多卷。这些书籍包括了极其珍贵的两个星表,后来均已失传,因此具体内容无从知悉。《授时历经》、《授时历议》和简仪、圭表等几种仪器的构造和使用方法,由于载入《元史》,才得以保存下来。

当时,大都(今北京)城内每年消费的粮食达几百万斤。这些粮食绝大部分是从南方产粮地区征运来的。为了便于运输,从金朝起,在华北平原上利用天然水道和隋唐以来修建的运河建立了一个运输系统。但由于自然条件的关系,它的终点不是大都,而是京东的通州,离京城还有几十里路。这段几十里的路程只有陆路可通,而陆路运输要占用大量的车、马、役夫,一到雨季,泥泞难行,沿路要倒毙许多牲口,粮车往往陷在泥中,夫役们苦不堪言。因此在金朝时候,统治者就力图开凿一条从通州直达京城的运河,以解决运粮问题。1291年,郭守敬提出包括兴修大都运粮河在内的十一条水利建议。第二年,他以太史令兼领都水监事身份主持此项工作。这条一百六十里长的运河仅用一年半时间就全部完工,取名“通惠河”。南方的运粮船可以一直沿着大运河直达大都。从此,京杭大运河全部贯通。

元成宗之后,元朝政权迅速腐朽,统治集团内部斗争日益加剧,朝政混乱不堪。在这种情况下,郭守敬的事业也受到了极大限制,使得他晚年经历比较沉寂。除了在1298年建造了一架天文仪器——二灵台水浑仪之外,没有别的重大创制和显著表现。1316年,郭守敬逝世,享年八十六岁。

生活剪影

郭守敬一生致力于水利、天文研究,从少年时勘察地貌到壮年时研制仪表,再到晚年所表现出的丰富经验,无不印证着郭守敬投身科学事业的辉煌人生。

少年显才华

少年时期,郭守敬就显露出来非凡的科技才能。他十四、五岁的时候,看到古书上的《尚书璇玑图》,十分感兴趣,就自己用竹篾做了一个窥天仪器,开始观测天象。十五、六岁的时候,他又曾得到了一幅“莲花漏图”,并对图样进行了精细的研究,竟然很快就摸清了制作方法。

莲花漏是一种计时器,是北宋科学家燕肃在古代漏壶基础上改进创制的。这种器具由很多部分组成,上面有几只漏水的水壶,几个水壶的水面高度配置保持不变。水面高度稳定,漏水速度也就比较均匀,从而使一定时间内漏下的水量不会忽多忽少。这样,就可以从漏下的水量指示时间。制造这套器具的原理比较复杂,并非浅显易懂,燕肃所画的示意图构造也不简单。仅仅依据一幅图就想掌握莲花漏的制造方法和原理,对一般成年学者来说都不是一件容易的事情。十几岁的郭守敬却能把它弄得一清二楚,足以证明他是一个天资聪慧、又能够刻苦钻研的少年。

勘地貌寻桥基

在邢台县的北郊有一座石桥。金元战争的时候,这座桥被战火破坏,桥身陷在泥淖里,两岸百姓往来行走很不方便。日子一久,已经没有人能说得清桥的具体地点,更谈不上修桥重通路了。郭守敬勘查了河道上下游的地形,估计出旧桥基的位置。根据他的指点,当地百姓居然一下子就挖出了久被埋没的桥基。这件事引起了很多人的惊讶,在乡里传为美谈。石桥修复后,当时的著名文学家元好问还特意为此写过一篇碑文。这时候,年青的郭守敬已经能对地理现象进行颇为细致的观察了。那一年,他刚刚20岁。

创制“量天尺”

1276年,元世祖迁都大都,并决定改订旧历,颁行元朝历法。主事官员王恂就请郭守敬一同参与此事。郭守敬检查了大都城里天文台的仪器装备后,发现它们都是金朝甚至北宋的遗物,不能使用,于是决定创制新器具。圭表在进行测量时非常重要, “表”是一根垂直立在地面的标竿或石柱,“圭”是从表的跟脚上以水平位置长,按比例推算各个节气时刻的误差就可以大大减少。圭表的改进工作完成于 1277年夏天,但原物早已不存。现在河南省登封县还保存着一座砖石结构的观星台,其中就有按郭守敬原设计重造的圭表。当地人民给郭守敬创制的圭表起了一个很豪迈的名字,叫“量天尺”。

预言渠道水患

1298年,朝廷决定在上都附近开一道水渠,元成宗召郭守敬商议。郭守敬到当地查勘地形,了解雨量情况后,发现这条河道近山,所经地区的年降雨量虽然不大,却非常集中,大雨连日时山洪凶猛。因此他认为,即使是平时流量不大时,河道本身也一定要宽达五十到七十步。当时主管此事的官员目光短浅,认为郭守敬把雨季的流量估计得太大,竟然擅自把郭守敬所定的宽度削减了三分之一。河渠开通那年的雨季,山洪顺河直冲下来,河身狭窄,容纳不下洪水,两岸泛滥成灾,淹没人畜无数,几乎冲毁了元成宗的行宫。元成宗被迫北迁避水时,想起了郭守敬的预言,不由得对左右叹道:“郭太史真是神人,可惜我的官员没有听他的话!”

科技贡献

郭守敬毕生投身于科学事业,他在天文观测仪器制造、历法修订和水利工程兴建等诸方面都为中国科学发展做出了伟大贡献。

1276年,郭守敬负责制订新历。他提出“功之本,在于测验,而测验之器,莫先于仪表”的主张。为此,郭守敬首先集中精力研制新的天文仪器。他和工匠一起,研制了近二十种天文仪器,其中最主要的有简仪、仰仪、正方案、圭表以及和它配合使用的景符等仪表。这些仪器都有实用、简便、灵巧、精确的特点。可惜原制都已损毁,没能保存下来。例如,郭守敬所创制的简仪是世界闻名的天文测量仪器,它的功用是测量天体的坐标位置。郭守敬在沈括等前人改革、简化浑仪的基础上,于1276年创制简仪,其观测精度,直到三百年后,丹麦人第谷所发明的仪器才能与之媲美。

郭守敬编制的《授时历》,是中国历史上使用最长的一部历法,也是中国古代最精密的历法。它以365.2425天作为一个回归年,如果以小时计算,是365日 5时49分12秒,比地球绕太阳公转一周的实际时间只差26秒,经过3320年后才相差一日,跟目前国际通用的公历 (格里历)完全相同。但是格里历1582年才开始使用,比授时历晚了三百年。

另外,授时历在数学上也有很大的成就。它利用招差法推算太阳、月亮以及五星逐日的运行情况,早于欧洲四百年。英国天文学家格列高里在1670年对招差法做了说明,1676年左右出版的牛顿著作中,才出现招差法的普遍公式。在修订历法的过程中,郭守敬组织实施了“四海测量”计划,即在东起朝鲜半岛、西至云南、南达南中国海、北抵西伯利亚这样一个南北长约550千米、东西宽约3000千米的广大范围内,进行为时一年的晷影测量,定出了全国 27个点的经纬度,这是世界历史上前所未有的创举。

郭守敬在水利方面的最大贡献是开凿了从大都到通州的一段运河,且仅用一年多时间便完成整个工程,使京杭大运河全线贯通。从此,我国的内河船自杭州北上只需1750千米就可直抵大都,整个运河由初建时以漕运为主,迅速衍生为货运和客运并举,将海河、黄河、淮河、长江和钱塘江五大流域水运交通相互沟通,成为当时中国最重要的交通命脉。由郭守敬主持的这些水利工程成了北京水利设施的基础工程和城市河湖水系的骨干,至今仍具有防洪排水、农田灌溉、美化城市、优化生态等多种效益。除上述科学贡献以外,郭守敬还多次主持制造了构造精巧复杂的机械计时器。其中陈设在大明殿里的“七宝灯漏”是初步脱离天文仪器范围的机械计时器。

影响评述

郭守敬在《授时历》中有许多革新和创造,不仅开创新法,而且对后世科学家进行进一步研究也具有深远影响。首先,他废除了过去许多不合理、不必要的计算方法,例如,避免用很复杂的分数来表示一个天文数据的尾数部分,改用十进制小数。其次,创立了几种新的算法。例如三差内插公式及合于球面三角法的计算公式等。同时,他总结前人的成果,使用了一些较进步的数据,例如,采用南宋杨忠辅所定的回归年,以一年为365.2425日,与现行公历的平均一年时间长度完全一致。 《授时历》定稿后,广泛流传后世,把许多先进的科学成就传授给后人,这称得上是郭守敬的一件大功。

郭守敬在巡视河北、山东河道时,对黄河附近一带几百里的区域进行过细致的地形测量,并绘制成一幅幅的地图。绘图过程中,他以海平面为标准,来比较大都和汴梁 (今开封)地形的高低之差。这是地理学中一个重要概念“海拔”的创始。

水利方面,郭守敬兴建通惠河以后,船舶可以驶进大都城中,直达终点码头积水潭(今积水潭一带)。大都一时间船只云集,热闹非常。不仅解决了运粮问题,而且还促进了南货北销,进一步繁荣了大都的经济。郭守敬兴建通惠河时,选择了从神山到瓮山泊(今颐和园昆明湖)这一段河道的路线。从神山到大都的直线距离是三十多千米,而神山白浮泉发源地的海拔约六十米,高出大都城西北角最高处约十米。看起来,似乎完全可以沿着这条最短的直线路径把水引过来。但实际上,这条直线所经地区的地形不是逐渐下降,而是由沙河和清河组成的河谷地带,海拔都在五十米以下,甚至不到四十五米,比大都城西北地带的地势都低。如果引水线路取直线南下,泉水势必都将顺着河谷地带一泻东流,无法归入运河。因此,郭守敬选定的线路并非直通京都。他先把白浮泉水向西引去,直通西山山麓,然后顺着平行山麓的路线,引往南来。这样,不但保持了河道坡度逐渐下降的趋势,而且可以顺利地截拦、汇合从西山东流的众多泉水。后来的事实证明,舍弃直线,选择迂回确实十分合理。郭守敬所选道路的科学性,对地理地形的把握以及结合水利工程具体分析路径的方法,都对后代水利工程研究起着重要的指导作用。