郭守敬七百年前的中国科学之星
郭守敬,字若思,邢州邢台县(今河北省邢台市)人,元朝天文学家、水利学家。1970年,国际天文学会将月球背面的一座环形山以"郭守敬"命名。1977年7月,经国际小行星组织批准,中国科学院紫金山天文台把1964年发现的太阳系的一颗小行星命名为"郭守敬"。
【少有奇志】
郭守敬少有奇志,不喜玩乐,对数学、天文、水利有着浓厚兴趣。少年时代的他,曾根据书上的一幅插图,用竹篾扎出一架浑仪,还做了一个土台阶,把竹制浑仪放在上面,进行天文观测。他还根据北宋科学家燕肃拓印的石刻莲花漏图,弄清了这种在当时最先进的计时仪器的工作原理。
郭守敬十多岁时,祖父郭荣听闻好友、大学问家刘秉忠因守父丧,正在邢台西南的紫金山中结庐读书,便把郭守敬送到刘秉忠的门下。刘秉忠也是邢台人,郭守敬在他的指导下,专心地学习了三年,还结识了学者张文谦、张易、王恂等人,他们聚在一起研究探讨天文历法等,时人称之为"邢州五杰"。后来,刘秉忠、张文谦和张易都成为元朝的开国重臣,对郭守敬的事业多有提携,王恂则成为郭守敬终身挚友和同事,在《授时历》的编制工作中,王恂的贡献与郭守敬齐名。
中统三年(1262年),张文谦向忽必烈推荐了郭守敬。郭北上应召时,把刚铸好的一套莲花漏运到燕京,取名为"宝山漏"。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。
在邢台县的北郊,有一座石桥。金元战争时,这座桥被毁坏了,桥身陷在泥淖里。日子一久,竟没有人说得清它的所在。郭守敬勘察了河道上下游的地形,对旧桥基有了判断,根据他的指点,一下就挖出了被埋没已久的桥基,此事在当地引起了不小轰动。石桥修复后,四方游民纷纷归附,邢台户口增加了十倍。当时的文学家元好向还特意为此写过一篇碑文——那一年,郭守敬刚刚20岁。
【敬授民时】
元朝初年的历法是辽金以来的历法,已经使用了200多年,误差很大。至元十三年(1276年),元世祖决定设立"太史局",重新修订历法,并任命郭守敬和王恂率领南北观测天象的官员进行观测和推算工作。
在观测天象中,首先需要解决仪表问题,郭守敬创制了简仪、高表、候极仪、立运仪、仰仪、景符、窥几等16种仪表,数量之多、质量之精巧准确都超过前人。简仪中使用了滚柱轴承,西方的类似装置,是在200年后才由达芬奇发明出来。
郭守敬在景苻、仰仪等仪器中运用了"针孔成象"的原理,这在中国光学史上是罕见的成就。300年后,利玛窦在南京看到这几件明初时从北京运到南京的天文仪器,赞叹说:"其规模和设计的精美远远超过曾在欧洲看到和知道的任何这类东西。这些仪器虽经受了二百五十年的雨、雪和天气变化的考验,却丝毫无损于它原有的光荣。"
郭守敬、王恂与尼泊尔建筑师阿尼哥合作,在大都兴建了一座新的天文台,这是当时世界上设备最完善的天文台之一。郭守敬用创制的天文仪器进行了许多精密的天文观测,从而使《授时历》的编制有了可靠的观测基础。他测出一个回归年数值为365.2425日,并派出14个观测队,到全国27处地点进行了天文观测,史称"四海测验"。
郭守敬从上都、大都开始经河南转抵南海,跋涉数千里,亲自参与其中。他根据"四海测验"的结果,参考了一千多年的天文资料,七十多种历法,按照日月五星在太空运行的自然规律,终于在至元十七年(1280年)编制成新历法。
忽必烈对新历法极为满意,他按照《尚书·尧典》中"敬授民时"一语,将新历法定名为《授时历》,此后通用了360年。《授时历》推算出一个回归年为365.2425日,即365天5时49分12秒,与地球公转的实际时间只差26秒钟,和现在世界通用的《格里高利历》(比《授时历》晚了三百多年)的周期一样。
【兴修水利】
从20岁开始邢台治水,郭守敬的宦海生涯中2/3的时间都奔波在水利工地上。元世祖中统三年(1262年)春,张文谦向忽必烈推荐郭守敬,郭一连提出六项水利工程计划。忽必烈当即任命郭守敬为"提举诸路河渠",掌管各地河渠的整修和管理工作。次年,他又被升任为副河渠使。元朝北部地区的水利建设和南北大运河的贯通,基本上都是郭守敬的功劳。其中,最能体现郭守敬非凡才能的工程,是修复西夏水利和开凿通惠河。
西夏水利是指原西夏兴庆府(今宁夏银川)一带黄河两岸的水利设施。早在秦汉时,这一带就开凿了许多河渠系统,引入黄河水灌溉,成为西北地区的重要粮仓。但在蒙古灭西夏战争中,水利设施损坏殆尽,致使九万多顷良田荒芜。
1264年,郭守敬在西夏深入考察实地资料,亲率民工开挖疏浚,对原有的正渠、大小支渠"因旧谋新,更立闸堰",使之焕然一新。整个工程在地方官民的支持下,不到一个季度就完成了。数万项农田得到了及时灌溉,渠水四达,稻菽丰收,使西夏再现了"塞北江南"的景象。當地人为此建立了"郭氏生祠",并立碑以纪其事。
1265年,郭守敬自西夏返京途中,乘舟顺黄河而下,行至东胜(今內蒙古托克托),发现此段河可通漕运。他还考察了査泊、兀剌海一带,认为这里的许多古渠修复后可再用。两年后,忽必烈采纳了郭守敬的建议,下令在此段黄河中开辟漕运,设置水上驿站,方便了西夏粮食外运,加强了西夏与元朝中央的联系。这一年,郭守敬被任命为都水少监,协助都水监掌管水利工程。
从西夏回来后,郭守敬开始着手解决大都漕运的问题。由于设计周密科学,开挖的河道经受了多次洪水的考验,成功地使用了近三十年,特别是通过这些河道将西山大量的石料、木材运抵城内,有力支持了元大都的建设。但因通州地势较低,大都附近水源有限,不能负担起运河水量,郭守敬经过反复实践,设计出一套复杂而又精巧的水利系统。1293年,总长160多里的京通运河终于开通,实现了从杭州至大都的全线通航,漕运的粮食由每年几万石猛增到一百几十万石。忽必烈欣然将其命名为"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,郭守敬还开建了瓮山泊、积水潭两座水库,使运河中的水位保持相对稳定的高度。为使引水平缓东流,保证漕运水量,郭守敬在运河上每十里设一闸,这些闸坝解决了因地势落差大,水流容易一泄而过的难题,使运河保持了足以行舟的水量。这一创举是郭守敬在水利史上的奇迹,如今的巴拿马运河、长江三峡、葛洲坝等水利工程,仍采用这种方法解决行船的航运问题。郭守敬还提出以海平面作为基准,比较大都和汴梁两地地势高低的差别,这是世界上首次提出"海拔"的概念;他还曾溯黄河而上探寻黄河发源地,由此成为科学考察黄河源头的先驱者。
1298年,元成宗要在上都西北铁幡竿岭下开渠,郭守敬经过实地勘查,了解到该地雨量集中,易发山洪,建议修建50至70步宽的大渠,然而,主管此事的官员认为没有必要,施工中把宽度缩小了1/3。次年,大雨骤至,山洪溢出河渠泛滥成灾,淹沒人畜、田地无数,差点冲毀了皇帝行宫。元成宗不得不避水而走,他对大臣感叹:"郭太史真神人也!"后来元成宗下诏,官员年满70才可以退休,但郭守敬不能退休,此后元朝形成了天文官员不退休的制度。
郭守敬的一生,历经四朝皇帝,足迹踏遍大半个中国,为我国的水利和天文事业作出了不可磨灭的贡献。
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