郭守敬

郭守敬的童年

郭守敬（1231—1316），出生在今河北省邢台县。邢台县本来属宋朝管辖，1128年（宋高宗建炎二年）被金朝占领，到1220年（金宣宗兴定四年）又为后来建立元朝的蒙古贵族占领。

蒙古人以前是过着游牧的生活，还处在奴隶社会阶段。那时他们在金朝北方一带进行带有掠夺性和破坏性的战争，对农业发展很不利。以元世祖为首的蒙古统治集团认识到了这一点，于是在华北地区逐步进行了一些改革，改变了以前野蛮的杀掠方式，实行了一些鼓励农桑生产的措施。因此，在元世祖的时代，华北一带的农业生产慢慢开始恢复。农业生产必须掌握天气的变化，农田排灌需要水利建设。于是对天文历法和水利工程的研究，就成为迫切的要求。郭守敬正是在这个时期，为这方面作出了卓越的贡献。

郭守敬的祖父郭荣是金元之际一位比较出名的学者。他熟知天文、算学，擅长水利技术。他把这些学问都传授给了郭守敬。郭守敬勤奋好学，对这些学问很感兴趣，在他小时候就喜欢自己动手制作各种器具。在他十五六岁的时候就显露出了科学才能。那时他得到了一幅“莲花漏图”，他对图样作了一番研究后，居然掌握了制作方法。

莲花漏是一种计时器，是北宋科学家燕肃在古代漏壶的基础上改进创制的。莲花漏由几个部分组成。上面有几个漏水的水壶，这几个水壶的水面高度是固定不变的，往下漏水的速度也保持均匀。水流速度保持均匀了，那就在一定时间内漏下的水量一定不变，不会忽多忽少。这样，就可以从漏下的水量指示出时间来了。

配制这套器具的原理还是有些深奥，燕肃所画的图，构造也不是很简单。仅仅依据一幅图就想掌握莲花漏的制造原理，对一般成年学者来说也不是一件容易的事情。年纪才十几岁的郭守敬却能把它弄得一清二楚，这本身就是一件很了不起的事。

在邢台县的北郊，有一座石桥，打仗的时候，这座桥被破坏了，桥身陷在泥里。日子一久，竞没有人说清桥基在什么地方。郭守敬查勘（ｋāｎ）了河道上下游的地形，估算出了桥基的地方。根据他的指点，一下子就挖出了这座被埋没的桥基。这件事令很多人吃惊。石桥修复后，当时一位有名的文学家元好问还特意为此写过一篇碑文。这时候郭守敬刚刚满20岁。

郭荣为了让他孙儿能够得到更大的发展，曾把郭守敬送到自己的同乡老友刘秉忠门下去学习。刘秉忠精通经学和天文学。郭守敬在他那儿学到了很多东西。更重要的是，郭守敬在他那儿结识了一位好朋友王恂（ｘúｎ）。王恂后来也成为了杰出的数学家和天文学家。这一对好朋友在天文历法工作中亲密合作，取得了很大成就。

初显才能

郭守敬在刘秉忠门下学习了一段时间后，刘秉忠被元世祖忽必烈召进京城去了。临走时他把郭守敬介绍给了老同学张文谦。张文谦当时是河北省大名县宣抚司（管理地方行政的官署）的长官，郭守敬投奔他以后，把少年时代试作过的莲花漏铸了一套正规的铜器，留给地方上使用。后来，元朝政府里的天文台也采用了这种器具。

郭守敬跟着张文谦到四处勘测地形，筹划水利方案，几年之间，郭守敬的科学知识和技术经验越来越丰富了。张文谦看到郭守敬已经渐趋成熟，就向元世祖忽必烈推荐他，说他懂天文、知地理，聪明过人。元世祖就在当时新建的京城上都（今内蒙古多伦附近）召见了郭守敬。

郭守敬初见元世祖，就提出了六条水利建议。第一条建议修复从当时的中都（今北京）到通州（今通县）的漕运河；第二第三条是关于他自己家乡地方城市用水和灌溉渠道的建议；第四条是关于磁州（今河北磁县）、邯郸（ｈáｎｄāｎ）一带的水利建设的意见；第五第六条是关于中原地带（今河南省境内）沁（ｑìｎ）河河水的合理利用和黄河北岸渠道建设的建议。这六条都是经过仔细勘查后提出的切实可行的计划，对于建筑的路线、受益地区的面积等各项数据都说得一清二楚。元世祖认为郭守敬的建议很有道理，当下就任命他为提举诸路河渠，掌管各地河渠的整修和管理等工作。

1264年（元世祖至元元年）张文谦被派往西夏（今甘肃、宁夏及内蒙古西部一带）去巡察。那里沿着黄河两岸早已修筑了不少水渠。宁夏地方（今银川一带）的汉延、唐来两渠都是长达几百里的古渠，分渠纵横，灌溉田地的面积很大，是西北重要的农业基地之一。当年成吉思汗征服西夏的时候，没有保护农业，兵马到达的地方，水闸水坝都被毁坏，河渠多被填塞。张文谦想重兴水利，恢复农业生产。所以他带上了擅长水利的郭守敬。

郭守敬来到西夏，立即开展工作。有的地方疏通旧渠，有的地方开辟新渠，又重新修建起许多水闸、水坝。当地人民久旱盼水，纷纷出力帮忙，由于大家齐心协力，这些工程在短短的几个月之内就完工了。

修完了渠，郭守敬就离开了西夏。在回京之前，他还有一个壮举，就是逆流而上，探寻黄河的发源地。他是以科学考察为目的，专程探求黄河源头的第一人。

1265年，郭守敬回到了上都，同年被任命为都水少监，协助都水监掌管河渠、堤防、桥梁、闸坝等的修治工程。1271年升任都水监。1276年都水监并入工部，他被任为工部郎中。

巧制仪器观天文

我国的天文学在过去是很发达的，西汉以后，国家天文台已经达到很高的水平，天文学的主要任务之一是编制历法。我国古代的历法，内容是十分广泛的，它包括日月运动规律及其位置的推算、一年日历的编制、五大行星的位置、日食月食发生时间的推算等。历法关系到生产、生活和政治活动等很多方面，因此，朝廷历来对这项工作都是相当重视的。一种历法用久了，误差就会越来越大，因而需要重新订制。随着每次重大的历法的编制成功，总会有一些创造革新的进步，像基本天文数据的精密化、天文学理论的新成就或计算方法上的新发明等等。历法的发展可说是中国天文学发展的推动力。

元朝初年使用的历法还是过去金朝使用的历法。这个历法经过几十年的使用，发现误差越来越多，发生过好几次预测与实际天象不符的事。

元军攻下了南宋首都临安（今浙江杭州），全国统一已成定局。就在这一年，元世祖迁都到大都，决定修改旧历，颁行元王朝自己的历法。于是，元政府下令调动了全国各地的天文学者编修新历。

这件工作的具体负责人是郭守敬的好朋友王恂，王恂就想到了老同学郭守敬。虽然郭守敬一直是在水利部门任职，但他通晓天文，这是王恂很早就知道的。因此，王恂就推荐郭守敬，参加修历，制造仪器，进行实际观测。从此，在郭守敬的科学活动史上又揭开了新的一页。

郭守敬首先检查了大都城里天文台的仪器装备。这些仪器都是金朝的遗留下来的残品，有的仪器还是北宋时代的东西，是当年金兵攻破北宋的京城汴（ｂｉàｎ）京以后，从那里搬运到燕京来的。

这些仪器因为年代久远，大多都不能使用了，虽经修整，但在天文观测必须日益精密的要求面前，仍然显得落后。郭守敬不得不制造一套更精密的仪器，为以后的工作打下技术基础。

古代在历法制定工作中所要求的天文观测，主要是两类。其中一类是测定二十四节气，特别是冬至和夏至的准确时间。用的仪器是圭表。

圭表中的“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伸向北方的一条石板。每当太阳转到正南方向的时候，表影就落在圭面上。量出表影的长度，就可以推算出冬至、夏至等各节气的时刻。表影最长的时候，冬至到了；表影最短的时候，夏至来临了。它是我国创制最老、使用最熟悉的一种天文仪器。

这种仪器看起来觉得很简单，用起来却会遇到一些难题。

首先是表影边缘并不清晰。阴影越靠近边缘越淡，到底什么地方才是影子的尽头，这条界线很难划分清楚。影子的边界模糊不清，影子的长度就量不准。

使用圭表的第二个难题是测量影长的技术不够精密。古代量长度的尺一般只能精确到分，最多可以估计到厘，也就是十分之一分。按照以前的传统方法，测定冬至时表影的长，如果量错一分，就足以使按比例推算出来的冬至时刻有一个时辰的误差。

这些难题，唐、宋以来的科学家们已经做过很多努力，但都没有很好的解决办法。现在，这些难题又摆在了郭守敬的面前。怎么处理呢？郭守敬首先分析了造成误差的原因，然后针对每个原因，找出相应的解决办法。

首先，他想法把圭表的表竿长度加高到五倍，因而观测时的表影也加长到五倍。表影加长了，按比例推算各个节气时刻的误差就可以相应减小。

他还创造了一个叫做“窥（ｋūｉ）几”的仪器，使圭表在星和月的光照下也可以进行观测。

其次，他创造了一个叫做“影符”的仪器，使照在圭表上的日光通过一个小孔，再反射到圭面，那阴影的边缘就很清楚，可以量取准确的影长。

郭守敬对圭表进行了这一系列的改进，解决了历史上众多的困难问题，他的准备工作比前人做得更好。

圭表的改进只是郭守敬开始天文工作的第一步，以后他还有更多的创造发明，下面我们就来看看他是如何改进浑仪的。

浑仪在公元前第二世纪就已由我国天文学家发明了，唐、宋以来历代都有发展。它的结构完全仿照当时在人们心目中反映出来的那个不断转动着的天体圆球。在这圆球里是许多一重套着一重的圆环。这些圆环有的可以转动，也有的不能转动。在这些重重叠叠的圆环中间夹着一根细长的管子，叫做窥管。把这根细管瞄准某个星球，从那些圆环上就可以推定这个星球在天空中的位置。因为这个仪器的外形像一个浑圆的球，所以就叫它浑仪。它是我国古代天文仪器中一件十分了不起的发明创造，这比欧洲要早十几个世纪。

但是，这种浑仪的结构也有一些缺点。一个球的空间是很有限的，在这里面大大小小安装了七八个环，一环套一环，重重掩蔽，把许多天空区域都遮住了，这就缩小了仪器的观测范围。另外，有好几个环上都有各自的刻度，读数系统非常复杂，观测者在使用时也不方便。郭守敬就针对这些缺点作了很大的改进。

郭守敬准备把这些重重套装的圆环省去一些，以免互相掩蔽，那时候，数学中已发明了球面三角法的计算，有些星体运行位置的度数可以通过数学计算求得，不必要在这浑仪中装上圆环来直接观测。这样，就使得郭守敬在浑仪中省去一些圆环的想法有可能实现。

郭守敬只保留了浑仪中最重要的两个圆环系统；并且把其中的一组圆环系统分出来，改成另一个独立的仪器；把其他系统的圆环完全取消。这样就根本改变了浑仪的结构。再把原来罩在外面用来固定的圆环全都撤除，用一对弯拱形的柱子和另外四条柱子承托着留在这个仪器上的一套主要圆环系统。这样，圆环四周就没有任何遮拦了。这种结构，比原来的浑仪简单又实用，所以取名简仪”。简仪的这种结构，同现代称为“天图式望远镜"的构造基本上是一样的。它比欧洲同样结构的仪器，要早600年。

郭守敬简仪的刻度划分也很精细。以往的仪器一般只能读到一度的14,这简仪却可读到一度的136，精密度一下子提高了很多。可惜被当时频繁发生的战争销毁了。现在，保存在南京紫金山天文台的一架是仿制品。

郭守敬用这架简仪作了许多精密的观测，其中的两项观测对新历的制订具有重大的意义。

一项是测定出黄道和赤道的交角度数。赤道是指天球的赤道。地球悬空在天球之内，设想地球赤道面向周围伸展出去，和天球边缘相割，割成一个大圆圈，这圆圈就是天球赤道。黄道就是地球环绕太阳作公转的轨道平面延伸出去，和天球相交所得的大圆。天球上黄道和赤道的交角，就是地球赤道面和地球公转轨道面的交角。

根据现代天文学家理论推算，当时的这个交角实际应该是是23°31′58″.0。郭守敬测量的角度实际还有1′25″.3的误差。不过这样的观测结果，在郭守敬那个时代来说，已是十分不易的了。

另一项观测就是二十八宿（ｘｉù）距度的测定。

在编讧新历时，郭守敬提供了不少精确的数据，这确是新历得以成功的一个重要原因。

王恂、郭守敬等同一位尼泊尔的建筑师阿尔你哥合作，在大都兴建了一座新的天文台，台上就安置着郭守敬所创制的那些天文仪器。它是当时世界上设备最完善的天文台之一。

由于郭守敬的建议，元世祖派了14位天文学家，到当时国内26个地点（大都不算在内），进行几项重要的天文观测。最北的观测点在北海（今西伯利亚），最南观测点在南海（今西沙群岛）。这一次天文观测的规模之大，在世界天文学史上是空前的。

经过王恂、郭守敬等人的共同努力，到1280年（元世祖至元十七年）春天，一部新的历法终于订制成功。忽必烈按照“敬授民时”的古语，赐名“授时历”。然后，正式颁发了根据《授时历》推算出来的下一年的日历。《授时历》以365天为一年，与现行世界通用的公历相同，从元朝到明朝这部历法一直被延用了364年，是我国古代也是世界古代最精确、使用时间最长的一部历法。

不幸的是，《授时历》颁行不久，王恂就去世了。那时候，有关这部新历的许多数表等都还是一堆草稿，没有整理出来。几个主要的参加编历工作的人相继去世，于是郭守敬又担负起最后的整理定稿工作。他又花了两年多的时间，把各项数据、算表等都整理出来，写出定稿。

郭守敬把这部历法最后写成定稿，流传到后世，把许多先进的科学成就传授给后人，这件工作，本身就是一项了不起的成就。

王恂去世后，郭守敬升任太史令。在以后的几年间，他又继续进行天文观测，并且陆续地把自己制造天文仪器、观测天象的经验和结果等的知识编写成书。他写的天文学著作共有百余卷之多。然而封建帝王却把这些极其宝贵的科学遗产都锁进了深宫秘府之中。

开通运河

早在金朝时，北京就成了国家的首都。元朝时候，称北京为大都，是当时全国政治经济文化的中心。

大都城内每年要消费几百万石粮食。这些粮食大部分是从南方产粮地区征调过来的。为了方便运输，从金朝起，一直是利用天然水道和隋唐以来修建的运河来运粮。但由于自然条件的关系，它的终点到不了北京，只能到达北京东面的通州，通州距离京城还有几十里路。这段路程只有陆路可通。陆路运输要用大量的人力物力，一到雨季，车马难行，沿路要倒毙许多牲口，粮车往往陷在泥中，运粮的人们苦不堪言。因此在金朝时候，统治者就想开凿一条从通州直达京城的运河，解决运粮难的问题。

通州的地势比大都低，因此要开运河，只能从大都引水流往通州。这样，就要在大都城周围找水源。大都城郊最近的天然水道有两条：一条水源从西南而来的凉水河，一条是发源于西北郊外的高梁河。但这两条河水量都很小，难以满足运河的水源需要。大都城往北几十里，有清河和沙河，水量虽然较大，却因地形关系，都自然地流向东南，成为经过通州的温榆河的上源。水量最大的还数大都城西几十里的浑河（今永定河）。金朝时候，曾从京西石景山北面的西麻峪村开了一条运河，把浑河河水引出西山，过燕京城下向东直注入通州城东的白河。但这条运河沉积了浑河水中携带来的大量泥沙，容易淤积。到夏、秋多雨季节，水势很猛，运河容易泛滥。这样，运河对于京城反是一个威胁。开凿之后只过了15年，就因山洪决堤，不得已又把运河的上游填塞了。

然而，陆运耗费实在太大了，统治者始终想着寻求一条合适的水道。这个任务，到郭守敬的时候才得以完成。

郭守敬的开河事业一波三折，经过了多次的失败后，总结经验，最终才解决了这一难题。

郭守敬想到，在大都城的西北，有座玉泉山。玉泉山下迸涌出一股清泉。这股清泉流向东去，并分成南北两支。南面的一支流入瓮（ｗèｎɡ）山（今万寿山）以南的瓮山泊（今昆明湖的前身）。又从瓮山泊东流，绕过瓮山，与北面的一支会合，再向东流，成为清河的上源。郭守敬的计划是使进入瓮山泊的这支泉水不再向东，劈开它南面高地的障碍而引它向南，注入高梁河。高梁河的下游原已被金人拦入运河。这样把玉泉山和高梁河的水源引入到金朝时挖通的运河中去，就不会出现泥沙淤积的现象了。

当时，元世祖接受郭守敬的建议，下令实施这个计划。但是结果并不合于理想，因为引来的水源流量有限，对于数额巨大的航运量仍显得是杯水车薪杯水车薪：比喻力量太小，无济于事。。对于恢复航运没有多大帮助。这一次的方案失败了。

郭守敬想：现在最缺的是水量，京郊河流中水量最大的是那条浑河，为什么不利用浑河的河水呢？三年以后，他提出了第二个方案。他认为可以利用金人过去开的河道，只要在运河上段开一道分水河，引用浑河水。当浑河河水暴涨而危及运河时，就关闭分水河闸口，以减少进入运河下游的水量，解除对京城的威胁。这算得是个一时有效的办法。之所以说“一时有效”，那是因为，日子一久，泥沙淤泥还是要出问题的。原来从大都到通州这段运河的河道，虽不如大都以上一段那样陡峻，但坡度还是相当大的。河道坡度大，水流就很急，没有水闸的控制，巨大的粮船自然无法逆流而上。结果，这条运河在开成以后，只能对两岸的农田灌溉，起一定的作用。第二次的方案又失败了。

虽然两次工程都没有达到预定的目的，但郭守敬并没有灰心，他又深入细致地分析了两次失败的原因。他认识到过去的设计思想带有很大的片面性，今后的计划必须综合考虑各种各样的因素。在以后的几年中，他仔细地勘测了大都城四郊的水文和地势情况。

1291年（至元二十八年），有人建议利用滦（ｌｕáｎ）河、浑河作为向上游地区运粮的河道。元世祖一时不能决断，就委派正在太史令任上的郭守敬去实地勘查，能不能行得通。郭守敬经过探测后，发觉这些建议都是不切实际的。他总结前二次失败的教训，再次提出了一个开通运河的新方案。

这个经过再三研究的新方案，还是利用以前他那个试行方案中凿成的河道，但是要进一步扩充水源。扩充的方法是把昌平地方神山（今凤凰山）脚下的白浮泉水引入瓮山泊，并且让这条引水河在沿途拦截所有原来从西山东流入沙河、清河的泉水，汇合在一起。这样一来，运河水量可以大大增加。这些泉水又都是清泉，泥沙很少，在运河下游可以放心的建立一些控制各段水位的闸门，以便粮船逆水行驶。

元世祖对于这个计划比较重视，下令重设都水监，命郭守敬兼职领导，并且征调几万民工，在1292年（至元二十九年）春天，动土兴建。

这条全长160多华里的运河，连同全部闸坝工程在内，只用了一年半的时间，到1293年秋天就全部完工了。当时，给这条运河起名叫通惠河。从此以后，地方的粮船就可以直接驶到大都内的积水潭码头了。这样，非但解决了运粮问题，而且还促进了沿涂地区的经济贸易发展。

郭守敬的晚年

通惠河开通以后，郭守敬的名气更大了，成了元朝最为倚重的天文、水利专家。

1294年，他升任知太史院事。但是关于水利方面的工作，当时政府仍经常要征询他的意见。

1298年（元成宗大德二年），政府决定在上都附近开一道渠，元成宗让郭守敬提一些建议。郭守敬就去实地查勘了地形，了解雨量情况，结果发现这条河道靠近山边，所经地区的年雨量虽不多，却很集中，大雨连日的时候经常会爆发山洪。他认为，纵然河道平时的水量不大，河道本身也一定要放宽到50至70步。当时主事的官员目光短浅，认为郭守敬把雨季的流量估计得太大，做事太小心谨慎了，竟把郭守敬所定的宽度削减三分之一。河渠开通的第二年，一到大雨时节，山洪滚滚冲下来，河身狭窄，容纳不下洪水，两岸泛滥成灾，被淹死的人不计其数，几乎冲毁了元成宗的行宫。元成宗被迫北迁避水时，想起了郭守敬去年说的话，不由得对左右叹道：“郭太史犹如神人呐。可惜我们没有听他的建议。”

从此以后，郭守敬的声望更高了。1303年，元成宗下诏，说凡是年满70岁的官员都可以退休，独有郭守敬，不准他退休，因为朝廷还有许多事，实在是离不开他。

元成宗之后，元朝政权迅速腐朽，统治集团内部斗争日益剧烈，生活上穷奢极欲，荒唐到极点，在这种情况下，郭守敬的创造活动自然也受到极大的限制。除了在1298年建造了一架天文仪器——灵台水浑以外，再没有什么大的发明创造了。

1316年，为祖国的科学事业辛苦了六十多年的郭守敬去世了，享年86岁。

多方面的成就

郭守敬一生的科学创造很多，除去在天文和水利两方面之外，还有许多杰出的发明创造。

郭守敬建造过一架七宝灯漏。这件器具是悬挂在一条梁架上的，形状好像一只灯球，实际上是一台机械报时钟。到了一定的时刻，灯漏里会有木人抱着时辰牌出来报时，还有个木人按时指明是几进几刻，每到正时、正刻，就有木人敲钟打鼓。更有趣的是灯漏里有个小型的舞台，舞台上蹲着龙、虎、鸟、龟等四个动物模型，到了一定的时刻，这些动物纷纷起舞，非常灵活。

郭守敬还是一位出色的地理学家。他的水利工程设计，都是以他自己实际的地理勘测资料为准的。他曾在巡视河北、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，并绘制成地图。

他曾经以海平面为标准，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。

最后，我们应当提到他在数学和物理学领域内深厚的修养。《授时历》中许多数学公式是我国数学史上的重要发明，而这些公式全靠郭守敬的整理，才能流传到现在。如果他没有精深的物理知识，那些天文仪表和各种奇器是不容易做出来的。

总之，可以说，郭守敬是我国古代发明创造最多的科学家之一。

他为祖国的科学事业奉献了毕生的精力，他对我国古代科学发展有很大贡献，被后世尊为历史上八大科学家之一。