郭守敬：七百年前的中國(guó)科學(xué)之星

李興濂

郭守敬，字若思，邢州邢臺(tái)縣（今河北省邢臺(tái)市）人，元朝天文學(xué)家、水利學(xué)家。1970年，國(guó)際天文學(xué)會(huì)將月球背面的一座環(huán)形山以“郭守敬”命名。1977年7月，經(jīng)國(guó)際小行星組織批準(zhǔn)，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)把1964年發(fā)現(xiàn)的太陽(yáng)系的一顆小行星命名為“郭守敬”。

郭守敬少有奇志，不喜玩樂(lè)，對(duì)數(shù)學(xué)、天文、水利有著濃厚興趣。少年時(shí)代的他，曾根據(jù)書(shū)上的一幅插圖，用竹篾扎出一架渾儀，還做了一個(gè)土臺(tái)階，把竹制渾儀放在上面，進(jìn)行天文觀測(cè)。他還根據(jù)北宋科學(xué)家燕肅拓印的石刻蓮花漏圖，弄清了這種在當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的計(jì)時(shí)儀器的工作原理。

郭守敬十多歲時(shí)，祖父郭榮聽(tīng)聞好友、大學(xué)問(wèn)家劉秉忠因守父喪，正在邢臺(tái)西南的紫金山中結(jié)廬讀書(shū)，便把郭守敬送到劉秉忠的門(mén)下。劉秉忠也是邢臺(tái)人，郭守敬在他的指導(dǎo)下，專(zhuān)心地學(xué)習(xí)了三年，還結(jié)識(shí)了學(xué)者張文謙、張易、王恂等人，他們聚在一起研究探討天文歷法等，時(shí)人稱之為“邢州五杰”。后來(lái)，劉秉忠、張文謙和張易都成為元朝的開(kāi)國(guó)重臣，對(duì)郭守敬的事業(yè)多有提攜，王恂則成為郭守敬終身?yè)从押屯?，在《授時(shí)歷》的編制工作中，王恂的貢獻(xiàn)與郭守敬齊名。

中統(tǒng)三年（1262年），張文謙向忽必烈推薦了郭守敬。郭北上應(yīng)召時(shí)，把剛鑄好的一套蓮花漏運(yùn)到燕京，取名為“寶山漏”。這套計(jì)時(shí)器構(gòu)造精巧，水流均勻，計(jì)量時(shí)間很準(zhǔn)確，后來(lái)成為元代司天臺(tái)（即國(guó)立天文臺(tái)）的計(jì)時(shí)工具。

在邢臺(tái)縣的北郊，有一座石橋。金元戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)，這座橋被毀壞了，橋身陷在泥淖里。日子一久，竟沒(méi)有人說(shuō)得清它的所在。郭守敬勘察了河道上下游的地形，對(duì)舊橋基有了判斷，根據(jù)他的指點(diǎn)，一下就挖出了被埋沒(méi)已久的橋基，此事在當(dāng)?shù)匾鹆瞬恍∞Z動(dòng)。石橋修復(fù)后，四方游民紛紛歸附，邢臺(tái)戶口增加了十倍。當(dāng)時(shí)的文學(xué)家元好向還特意為此寫(xiě)過(guò)一篇碑文——那一年，郭守敬剛剛20歲。

元朝初年的歷法是遼金以來(lái)的歷法，已經(jīng)使用了200多年，誤差很大。至元十三年（1276年），元世祖決定設(shè)立“太史局”，重新修訂歷法，并任命郭守敬和王恂率領(lǐng)南北觀測(cè)天象的官員進(jìn)行觀測(cè)和推算工作。

在觀測(cè)天象中，首先需要解決儀表問(wèn)題，郭守敬創(chuàng)制了簡(jiǎn)儀、高表、候極儀、立運(yùn)儀、仰儀、景符、窺幾等16種儀表，數(shù)量之多、質(zhì)量之精巧準(zhǔn)確都超過(guò)前人。簡(jiǎn)儀中使用了滾柱軸承，西方的類(lèi)似裝置，是在200年后才由達(dá)芬奇發(fā)明出來(lái)。

郭守敬在景苻、仰儀等儀器中運(yùn)用了“針孔成象”的原理，這在中國(guó)光學(xué)史上是罕見(jiàn)的成就。300年后，利瑪竇在南京看到這幾件明初時(shí)從北京運(yùn)到南京的天文儀器，贊嘆說(shuō)：“其規(guī)模和設(shè)計(jì)的精美遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)曾在歐洲看到和知道的任何這類(lèi)東西。這些儀器雖經(jīng)受了二百五十年的雨、雪和天氣變化的考驗(yàn)，卻絲毫無(wú)損于它原有的光榮?！?/p>

郭守敬、王恂與尼泊爾建筑師阿尼哥合作，在大都興建了一座新的天文臺(tái)，這是當(dāng)時(shí)世界上設(shè)備最完善的天文臺(tái)之一。郭守敬用創(chuàng)制的天文儀器進(jìn)行了許多精密的天文觀測(cè)，從而使《授時(shí)歷》的編制有了可靠的觀測(cè)基礎(chǔ)。他測(cè)出一個(gè)回歸年數(shù)值為365.2425日，并派出14個(gè)觀測(cè)隊(duì)，到全國(guó)27處地點(diǎn)進(jìn)行了天文觀測(cè)，史稱“四海測(cè)驗(yàn)”。

郭守敬從上都、大都開(kāi)始經(jīng)河南轉(zhuǎn)抵南海，跋涉數(shù)千里，親自參與其中。他根據(jù)“四海測(cè)驗(yàn)”的結(jié)果，參考了一千多年的天文資料，七十多種歷法，按照日月五星在太空運(yùn)行的自然規(guī)律，終于在至元十七年（1280年）編制成新歷法。

忽必烈對(duì)新歷法極為滿意，他按照《尚書(shū)·堯典》中“敬授民時(shí)”一語(yǔ)，將新歷法定名為《授時(shí)歷》，此后通用了360年。《授時(shí)歷》推算出一個(gè)回歸年為365.2425日，即365天5時(shí)49分12秒，與地球公轉(zhuǎn)的實(shí)際時(shí)間只差26秒鐘，和現(xiàn)在世界通用的《格里高利歷》（比《授時(shí)歷》晚了三百多年）的周期一樣。

從20歲開(kāi)始邢臺(tái)治水，郭守敬的宦海生涯中2/3的時(shí)間都奔波在水利工地上。元世祖中統(tǒng)三年（1262年）春，張文謙向忽必烈推薦郭守敬，郭一連提出六項(xiàng)水利工程計(jì)劃。忽必烈當(dāng)即任命郭守敬為“提舉諸路河渠”，掌管各地河渠的整修和管理工作。次年，他又被升任為副河渠使。元朝北部地區(qū)的水利建設(shè)和南北大運(yùn)河的貫通，基本上都是郭守敬的功勞。其中，最能體現(xiàn)郭守敬非凡才能的工程，是修復(fù)西夏水利和開(kāi)鑿?fù)ɑ莺印?/p>

西夏水利是指原西夏興慶府（今寧夏銀川）一帶黃河兩岸的水利設(shè)施。早在秦漢時(shí)，這一帶就開(kāi)鑿了許多河渠系統(tǒng)，引入黃河水灌溉，成為西北地區(qū)的重要糧倉(cāng)。但在蒙古滅西夏戰(zhàn)爭(zhēng)中，水利設(shè)施損壞殆盡，致使九萬(wàn)多頃良田荒蕪。

1264年，郭守敬在西夏深入考察實(shí)地資料，親率民工開(kāi)挖疏浚，對(duì)原有的正渠、大小支渠“因舊謀新，更立閘堰”，使之煥然一新。整個(gè)工程在地方官民的支持下，不到一個(gè)季度就完成了。數(shù)萬(wàn)項(xiàng)農(nóng)田得到了及時(shí)灌溉，渠水四達(dá)，稻菽豐收，使西夏再現(xiàn)了“塞北江南”的景象。當(dāng)?shù)厝藶榇私⒘恕肮仙簟?，并立碑以紀(jì)其事。

1265年，郭守敬自西夏返京途中，乘舟順黃河而下，行至東勝（今內(nèi)蒙古托克托），發(fā)現(xiàn)此段河可通漕運(yùn)。他還考察了査泊、兀剌海一帶，認(rèn)為這里的許多古渠修復(fù)后可再用。兩年后，忽必烈采納了郭守敬的建議，下令在此段黃河中開(kāi)辟漕運(yùn)，設(shè)置水上驛站，方便了西夏糧食外運(yùn)，加強(qiáng)了西夏與元朝中央的聯(lián)系。這一年，郭守敬被任命為都水少監(jiān)，協(xié)助都水監(jiān)掌管水利工程。

從西夏回來(lái)后，郭守敬開(kāi)始著手解決大都漕運(yùn)的問(wèn)題。由于設(shè)計(jì)周密科學(xué)，開(kāi)挖的河道經(jīng)受了多次洪水的考驗(yàn)，成功地使用了近三十年，特別是通過(guò)這些河道將西山大量的石料、木材運(yùn)抵城內(nèi)，有力支持了元大都的建設(shè)。但因通州地勢(shì)較低，大都附近水源有限，不能負(fù)擔(dān)起運(yùn)河水量，郭守敬經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)踐，設(shè)計(jì)出一套復(fù)雜而又精巧的水利系統(tǒng)。1293年，總長(zhǎng)160多里的京通運(yùn)河終于開(kāi)通，實(shí)現(xiàn)了從杭州至大都的全線通航，漕運(yùn)的糧食由每年幾萬(wàn)石猛增到一百幾十萬(wàn)石。忽必烈欣然將其命名為“通恵河”——郭守敬治水成功，才有了北京城700多年的定都史。

此外，郭守敬還開(kāi)建了甕山泊、積水潭兩座水庫(kù)，使運(yùn)河中的水位保持相對(duì)穩(wěn)定的高度。為使引水平緩東流，保證漕運(yùn)水量，郭守敬在運(yùn)河上每十里設(shè)一閘，這些閘壩解決了因地勢(shì)落差大，水流容易一泄而過(guò)的難題，使運(yùn)河保持了足以行舟的水量。這一創(chuàng)舉是郭守敬在水利史上的奇跡，如今的巴拿馬運(yùn)河、長(zhǎng)江三峽、葛洲壩等水利工程，仍采用這種方法解決行船的航運(yùn)問(wèn)題。郭守敬還提出以海平面作為基準(zhǔn)，比較大都和汴梁兩地地勢(shì)高低的差別，這是世界上首次提出“海拔”的概念；他還曾溯黃河而上探尋黃河發(fā)源地，由此成為科學(xué)考察黃河源頭的先驅(qū)者。

1298年，元成宗要在上都西北鐵幡竿嶺下開(kāi)渠，郭守敬經(jīng)過(guò)實(shí)地勘查，了解到該地雨量集中，易發(fā)山洪，建議修建50至70步寬的大渠，然而，主管此事的官員認(rèn)為沒(méi)有必要，施工中把寬度縮小了1/3。次年，大雨驟至，山洪溢出河渠泛濫成災(zāi)，淹沒(méi)人畜、田地?zé)o數(shù)，差點(diǎn)沖毀了皇帝行宮。元成宗不得不避水而走，他對(duì)大臣感嘆：“郭太史真神人也！”后來(lái)元成宗下詔，官員年滿70才可以退休，但郭守敬不能退休，此后元朝形成了天文官員不退休的制度。

郭守敬的一生，歷經(jīng)四朝皇帝，足跡踏遍大半個(gè)中國(guó)，為我國(guó)的水利和天文事業(yè)作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。

（作者系文史學(xué)者）