勤奋少年郭守敬

    年少时的郭守敬是在祖父郭荣的教养下长大的，因此受祖父的影响较大。郭荣是一位颇有名望的学者，精通五经，熟知天文、算学，擅长水利技术，他经常带着郭守敬边读书，边观察自然现象。

    郭守敬从小就喜欢自己动手制作各种器具，把所有的心思都放在手工制作上面，甚至忘记了玩耍。十五六岁的时候，郭守敬就显露出科学方面的才能。

    北宋科学家燕肃曾留下一副“莲花漏图”，是燕肃在古代漏壶的基础上改进创制的器具。“莲花漏图”仅仅画着这一整套器具，构造比较复杂，其原理也并不浅显，对一般成年的学者来说也不算是件容易的事情，然而郭守敬仅仅依据一幅“莲花漏图”就掌握了莲花漏的制造方法和原理，足以证明他是个刻苦钻研的勤奋少年。

    莲花漏其实是一种计时器，器具的上面有几个漏水的水壶，这几个水壶的水面高度配置得经常不变，从而保证往下漏水的速度也就保持均匀；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。

    在郭守敬20岁那年，就已经能对地理现象做了颇为细致的观察了。金元战争将邢台县北郊的一座石桥破坏了，整个桥身都陷在泥淖里。日子一久，竞没有人说得清它的所在了。郭守敬勘查了河道上下游的地形，对旧桥基就有了一个估计。根据他的指点，居然一下子就挖出了这久被埋没的桥基。这件事引起了很多人的惊讶。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。

    水利贡献

    年轻的郭荣为了让他孙儿开阔眼界，得到深造，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。虽然郭守敬在刘秉忠门下学习的时间不长，但在那里却得到了很大的教益，更重要的是，郭守敬在他那儿结识了一位好朋友王恂。这一对好朋友后来在天文历法工作中亲密合作，做出了卓越的贡献。后来刘秉忠把他介绍给了自己的老同学张文谦。1260年，张文谦到大名路（河北省大名县一带）等地作宣抚司的长官，郭守敬也跟着他一起去了。在那，他把少年时代尝试做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各处勘测地形，筹划水利方案，并帮助做些实际工作。几年之间，郭守敬的科学知识和技术经验更丰富了。张文谦看到郭守敬已经渐趋成熟，就在1262年，把他推荐给元世祖忽必烈，说他熟悉水利，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，就当面提出了6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）的漕运河道；第二和第三条是关于他自己家乡有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）、邯郸一带的水利建议的意见；第五第六条是关于中原地带（今河南省境内）沁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查勘后提出来的切实的计划，对于经由路线、受益面积等项都说得清清楚楚。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，下一年又升他为银符副河渠使。

    郭守敬一生中长时间从事水利建设，他先后在引玉泉水济漕运工程、重开金口河引水工程、白浮翁山河引水工程、通惠河通航水道建设及大都城市水利建设等项工程中，都取得了巨大的成就。郭守敬对中都一带的水利建设一向具有卓识，在给忽必烈的6条建议中，就将引玉泉水以通舟列为首要的一条。元代的旧都城中都，原以现广安门外为中心，水利系统存在一些问题。元大都新城址的选址，充分考虑到地势和水利系统的优越条件，选在金中都东北郊外，以现今景山一带为中心，位于北京小平原永定河与潮白河冲积扇的脊部，周围众多湖泊可用，并且采纳郭守敬的建议，大规模开发玉泉山水利，引水入城，相辅相成。该项引水工程的上游工程，是开挖金水河。该河道从玉泉山西边的翁山泊（今昆明湖）向南转东，经高梁河入城。该工程解决了宫廷供水。郭守敬为河道设计的跨河跳槽具有创新价值。引水工程下游通过积水潭，沿今北护城河，再经坝河至通县。这是郭守敬为兴建大都水利所立的第一功。大都的选址，既有最佳的供水路线，又有利于避免永定河泛滥对中都的威胁，为日后北京城的建设奠定了基础。

    1264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，不知道保护农业生产，兵马到达的地方，水闸水坝都被毁坏，渠道都被填塞。这种情况，张文谦当然是知道的。他巡察西夏，一方面要整顿地方行政，另一方面也想重兴水利，恢复农业生产。所以他带了擅长水利的郭守敬同行。郭守敬到了那里，立即着手整顿。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。当地人民久旱望水，对这样具有切身利害关系的大事自然尽力支持。由于大家动手，这些工程竟然在几个月之内就完工了。开闸的那一天，人们望着那滚滚长流的渠水，心里有多么喜悦啊。

    修完了渠，郭守敬就离开了西夏。在还京之前，他曾经逆流而上，探寻黄河的发源地。以往史书上虽也有些河源探险的记载，但都是些将军、使臣们路过这个地区，顺便查探，写下的一些记述，并不是特意进行的科学考察结果。有些记载只是从传闻得来，还不免失实。以科学考察为目的，专程来探求黄河真源的，要推郭守敬是第一个人。

    1279年，在郭守敬任工部郎中期间，又对坝河进行了大规模的治理。经过此次整治，使玉泉山引水流入坝河，使坝河年漕运量高达万担，对元大都建设起了重要作用。

    重开金口河引水工程，是郭守敬为兴建大都水利立下的又一功。金口河自中都西北向中都东南流向，原为金代所开，结果因河道高峻，水性浑浊等原因而堵塞。至元代初年，忽必烈决定重建为战火焚毁的燕京，所用大量木材和石料，需从西山开采并运输至城中。为此郭守敬提出重开金口河，为漕运和城市建设服务的建议，被采纳并付诸实施。郭守敬认真分析前人失败的教训，本着既能引水，又可防洪的目的，进行科学的周密设计。值得称道的是从永定河的麻峪段的金口河引水口，至鬼子山与石景山之间的金口闸之间，开泄水渠，设减水口，再向东南方向重开金口河。该工程经受了洪水的多次考验，使用了近30年之久，为元大都的城市建设起到了重要作用，在永定河引水史上做出了前所未有的贡献。

    郭守敬为兴建大都水利的第三功是兴修白浮翁山河引水工程。元大都建成后，城市用水量激增，水源和漕运成为元朝政治、经济上的头等大事。郭守敬经过周密勘察后，提出修建白浮翁山河的引水规划。这是北京历史上首次进行的“跨流域调水”工程。白浮翁山河，位于今万寿山北方平原与西山邻界地带，为南、北沙河及清河上源。在元代时那里有许多泉水涌出，白浮泉为主泉。郭守敬根据考察提出，引导这些泉水为大都地区的水源，使其西折南转，循西山山麓平缓坡降，经翁山泊入城，这就是白浮翁山河引水工程。特别值得一提的是500多年以后，新中国的首都北京，欲引密云水库之水进京时，经过反复勘察，最终选择的最佳路线居然是西转迂回后，仍要走郭守敬规划的此项工程的故道。该工程的关键之一是修建白浮堰。白浮堰位于今龙山南麓，由郭守敬精心设计施工，用以拦截白浮泉水，并使之西流，对白浮山河上游引导泉水入翁山泊起到关键作用。众多泉水流淌的山溪与人工运河平面交叉的“清水口”交叉工程，也是保障渠道正常工作的关键工程。它是用荆条编的笼子装上石头砌成的水堰，比单纯砌石成堰既能增加抗冲刷能力，又可以在特大洪水来时，自行跨堰来增大泄洪能力，是妥善解决引水防洪的关键，是一举两得的水利杰作。该工程终端的翁山泊，经郭守敬规划修筑湖堤，扩大容水量，为北京地区的供水、漕运、灌溉、防洪以至城市建设与发展，都发挥了巨大作用，成为北京历史上最早的一座水库。

    郭守敬兴建大都水利的又一杰作是设计并主持开凿了通惠河漕运工程。通惠河开凿前，大都积水潭码头，只有出万宁桥（今后门桥）沿皇城东墙外（今南河沿）出文明门，经坝河至通县连接京杭大运河这一条漕运通道。为了解决大都漕运通道不适应城市发展的难题，通惠河漕运工程被提上日程，并在郭守敬主持下获得空前的成功。该项漕运工程，要在40千米的水道上建起24座闸坝，每座闸坝都从地形实际出发，巧妙合理地设计，使闸坝起到“提阀以过舟止水”的作用。保证了行舟必要的水量，又减小了运河河床坡度，实现了人工控制水流，充分为行船漕运服务。该项工程浩大，耗时近两年而顺利完工。全部修建过程，充分体现了郭守敬高超的水利科学技术水平，自始至终贯穿了“节水行舟”合理开发利用水资源的正确指导思想，在北京水利建设史上占有重要地位。在通惠河漕运工程中，注意选择最佳运河路线，缩短航程，也是郭守敬的一项突出成就。仅以通惠河下游为例，郭守敬把原河经李二寺入白河改为从高丽河入白河，使这段运河缩短了三分之一的里程。

    后来到了1280年，又有一位探险家都实奉元世祖之命专程前去考察河源。这次探索的经过记录在一部名为《河源记》的专著里，其中有着不少有价值的成果。毫无疑问，郭守敬的考察对于都实是有相当影响的。

    巧制天文仪器

    我国是天文学发达的国家之一。西汉以后，国家天文台的设备和组织已经达到相当完善的地步，它的主要任务之一是编制历法。我国古代的历法，内容十分广泛，包括日月运动及其位置的推算、逐年日历的编制、五大行星的位置预报、日食月食的预推等。历法关系到生产、生活甚至政治活动等很多方面，因此，历来各朝各代对这项工作都是相当重视的。历法的发展可说是中国天文学发展史中的一条主线。

    元朝初年沿用当年金朝的“重修大明历”。这个历法是1180年修正颁行的。几十年以来，误差积累日渐显著，发生过好几次预推与实际现象不符的事，再一次重新修改是迫切需要的事了。1276年，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，元世祖迁都大都，并且采纳已死大臣刘秉忠的建议，决定改订旧历，颁行元朝自己的历法。于是，元政府下令在新的京城里组织历局，调动了全国各地的天文学者，另修新历。这件工作名义上以张文谦为首脑，但实际负责历局事务和具体编算工作的是精通天文、数学的王恂。当时，王恂就想到了老同学郭守敬。虽然郭守敬担任的官职一直是在水利部门，但他的长于制器和通晓天文，是王恂很早就知道的。因此，郭守敬就经王恂的推荐，参加修历，奉命制造仪器，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章，他在天文学领域里发挥了高度的才能。

    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物。其中浑仪还是北宋时代的东西，是当年金兵攻破北宋的京城汴京（今河南开封）以后，从那里搬运到燕京来的。当初，大概一共搬来了3架浑仪，但都不能直接使用。金朝的天文官曾经改装了其中的一架。这架改装的仪器在元初也已经毁坏了。郭守敬就把余下的另一架加以改造，暂时使用。另外，天文台所用的圭表也因年深日久而变得歪斜不正。郭守敬立即着手修理，把它放置到准确的位置。

    这些仪器终究是太古老了，虽经修整，但在天文观测必须日益精密的要求面前，仍然显得不相适应。郭守敬不得不创制一套更精密的仪器，为改历工作奠定坚实的技术基础。古代在历法制定工作中所要求的天文观测，主要是两类：一类是测定二十四节气，特别是冬至和夏至的确切时刻，用的仪器是圭表；一类是测定天体在天球上的位置，应用的主要工具是浑仪。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。表影最长表示冬至到了；表影最短表示夏至来临了。它是我国创制最古老、使用最熟悉的一种天文仪器。

    这种仪器看起来极简单，用起来却会遇到几个重大的困难。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。影子的边界不清，影长就量不准确。使用圭表时的第二个难题就是测量影长的技术不够精湛。还有，旧圭表只能观测日影。星、月的光弱，旧圭表就不能观测星影和月影。对这些困难问题，唐、宋以来的科学家们已经做过很多努力，始终没有很好地解决。现在，这些困难又照样出现在郭守敬的面前了。怎么办呢？郭守敬首先分析了造成误差的原因，然后针对各个原因，找出克服困难的办法。首先，他想法把圭表的表竿加高到5倍，因而观测时的表影也加长到5倍。表影加长了，按比例推算各个节气时刻的误差就可以大大减少。其次，他创造了一个叫做“景符”的仪器，使照在圭表上的日光通过一个小孔，再射到圭面，那阴影的边缘就很清楚，可以量取准确的影长。再者，他还创造了一个叫做“窥几”的仪器，使圭表在星和月的光照下也可以进行观测。另外，他还改进量取长度的技术，使原来只能直接量到“分”位的提高到能够直接量到“厘”位，原来只能估计到“厘”位的提高到能够估计到“毫”位。郭守敬对圭表进行了这一系列的改进，解决了一系列的困难问题，他的观测工作自然就能比前人做得更好。

    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呢！现在就来谈谈他对浑仪的改进。浑仪最迟在公元前第二世纪就已由我国天文家发明了，唐、宋以来历代都有发展。它的结构完全仿照着当时的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，也有不能旋转的。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，所以称为浑仪。它是我国古代天文仪器中一件十分杰出的创作。在欧洲，要到16世纪左右，才有与我国北宋浑仪同样精细的仪器。

    郭守敬改进浑仪的主要想法是简化结构。他准备把这些重重套装的圆环省去一些，以免互相掩蔽，阻碍观测。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从数学计算求得，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实现的可能。

    郭守敬只保留了浑仪中最主要最必需的两个圆环系统；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。再把原来罩在外面作为固定支架用的那些圆环全都撤除，用一对弯拱形的柱子和另外4条柱子承托着留在这个仪器上的一套主要圆环系统。这样，圆环就四面凌空，一无遮拦了。这种结构，比起原来的浑仪来，真是又实用，又简单，所以取名“简仪”。简仪的这种结构，同现代称为“天图式望远镜”的构造基本上是一致的。在欧洲，像这种结构的测天仪器，要到18世纪以后才开始从英国流传开来。

    在编订新历时，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。经过王恂、郭守敬等人的集体努力，1280年冬天，正式颁发了根据《授时历》推算出来的下一年的日历。在《授时历》里，有许多革新创造的成绩：第一，废除了过去许多不合理、不必要的计算方法；第二，创立了几种新的算法；第三，总结了前人的成果，使用了一些较进步的数据。《授时历》确是我国古代一部很进步的历法。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，这项工作，就称得上是郭守敬的一个大功。

    郭守敬对科学事业的杰出贡献，受到中国人民和世界人民的推崇与敬仰，在月球的背面就有一座以郭守敬的名字命名的环形山。

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