學(xué)究天人的大科學(xué)家——郭守敬

趙之珩

月球上有一座“郭守敬環(huán)形山”，我國有一架“郭守敬望遠(yuǎn)鏡”，你知道郭守敬是何許人也嗎？今天，我們就來講講郭守敬的故事。

篤學(xué)好思，嶄露頭角

郭守敬是我國元代著名的科學(xué)家，他在天文學(xué)、數(shù)學(xué)、地理學(xué)、機(jī)械制造學(xué)、水利工程學(xué)等方面都做出了卓越貢獻(xiàn)，為了紀(jì)念他的功績，我國目前最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡——LAMOST就以他的名字命名。

郭守敬出生在公元1231年河北邢臺(tái)的一個(gè)書香世家。自幼喪父的郭守敬由祖父郭榮撫養(yǎng)長大。祖父郭榮是一位讀書人，不僅通曉四書五經(jīng)，還精通數(shù)學(xué)、天文學(xué)和水利工程，結(jié)交了一批知名的學(xué)者。耳濡目染之下，郭守敬也十分熱愛科學(xué)技術(shù)，十歲時(shí)就能自己動(dòng)手制作一些有趣的小玩具。十五歲時(shí)，他發(fā)現(xiàn)了一本深?yuàn)W的天文學(xué)著作——《璇璣圖》。通過認(rèn)真研讀，他弄清楚了書中的一個(gè)個(gè)原理，用竹篾（miè）制造了一架“渾天儀”。他還在院子里修筑了一座高臺(tái)，把渾天儀架于其上，并在旁邊放上一個(gè)小小的寫字臺(tái)，掛上一盞小燈籠。到了夜晚，他登上高臺(tái)，慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)儀器上的“窺管”，瞄準(zhǔn)星星，測量它們的位置和運(yùn)行路線，然后再伏案記錄。就這樣，少年郭守敬已初步掌握日月星辰的運(yùn)行規(guī)律，長大后逐漸成為遠(yuǎn)近聞名的年輕學(xué)者，每天都有許多仰慕者前來訪問和求教。

在郭守敬的青年時(shí)代，我國北方還在金國的統(tǒng)治下，后來塞北的蒙古國大軍跨過萬里長城，大舉南下打敗了金國，統(tǒng)治了北方，建立了元朝。因?yàn)楸狈浇?jīng)常鬧水災(zāi)，元世祖忽必烈在公元1260年召集水利專家整治河道。29歲的郭守敬和他的老師張文謙被朝廷授予官職，到河北、河南一帶監(jiān)督、指導(dǎo)河道整治工作。郭守敬非常認(rèn)真，通過廣泛的考察，對河道的走向、水利設(shè)施情況、泛濫的原因等都做了詳細(xì)記錄，并繪制成地圖。忽必烈非常賞識(shí)郭守敬的才干，給予了嘉獎(jiǎng)。

臨危受命，編制歷法

公元1276年，郭守敬45歲的時(shí)候，元朝的軍隊(duì)攻下了南宋的首都臨安（現(xiàn)今的杭州）。南宋滅亡了，元朝統(tǒng)一了中國。忽必烈把元朝的京城從燕北大草原遷移到了燕京（現(xiàn)今的北京），定名為大都。

國家統(tǒng)一后，人們急需一部全國統(tǒng)一的歷法，用以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而且此時(shí)距離一行編制《大衍歷》已經(jīng)過去五百多年，舊的歷法也早已不適用。在忽必烈的敦促下，朝廷建立了一個(gè)編制歷法的“太史局”。郭守敬被招入京，進(jìn)入太史局專門負(fù)責(zé)編制歷法。

編制新的歷法，從何處入手呢？郭守敬提出“歷之本在于測驗(yàn)，測驗(yàn)之器先于儀表”，也就是說要編歷法首先要進(jìn)行觀測，在觀測之前必須先制造好觀測工具。郭守敬召集了幾十名匠人，在寬大的場院里搭起了一座大棚，棚底下修起了一座座大大小小的冶煉爐。郭守敬忙著設(shè)計(jì)觀測儀器、繪制圖紙，工匠們則按圖制造。郭守敬精通數(shù)理、天文學(xué)、機(jī)械制造，又有實(shí)際的觀測經(jīng)驗(yàn)，深厚的學(xué)養(yǎng)使他迸發(fā)出無窮的創(chuàng)造力，他先后制造出15種以上的新儀器，解決了許多觀測難題。他發(fā)明的“候極儀”，解決了給北天極定位的難題;他發(fā)明的“仰儀”能精確測量太陽方位，把太陽的影像投在一個(gè)“大鍋”內(nèi)就可以測定日食從開始到結(jié)束的時(shí)刻;他發(fā)明的“玲瓏儀”能夠隨時(shí)測到每一顆星星在天空中的位置。這些儀器的復(fù)制品如今大都陳列在邢臺(tái)市的“郭守敬紀(jì)念館”里。

簡儀

郭守敬制造的最著名的儀器當(dāng)數(shù)“簡儀”。在郭守敬以前，歷代天文學(xué)家都使用渾儀測定星辰的位置，渾儀的經(jīng)度環(huán)、緯度環(huán)、黃道環(huán)、白道環(huán)、子午環(huán)、地平圈環(huán)環(huán)相套、復(fù)雜多變，轉(zhuǎn)動(dòng)起來非常困難，各環(huán)之間還互相遮擋，常會(huì)掩蓋住要觀測的天體，給測量工作帶來很多麻煩。郭守敬用思辨哲學(xué)，反其道而行，將這些環(huán)一個(gè)個(gè)地分開，安裝在一個(gè)支架上，每個(gè)環(huán)都可以獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，分別完成不同的觀測項(xiàng)目，不會(huì)互相干擾。這樣，他就把這種化繁為簡的儀器取名為“簡儀”。郭守敬設(shè)計(jì)的簡儀測量精度很高，代表了當(dāng)時(shí)世界最高水平。英國的科學(xué)史專家李約瑟曾說：“對于現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡廣泛使用的赤道裝置來說，郭守敬的簡儀堪稱‘先驅(qū)。”

巧用工具，躬身觀測

公元1279年，簡儀制造成功后，朝廷在大都建造了一座司天臺(tái)（現(xiàn)北京古觀象臺(tái)前身）。郭守敬就在這座司天臺(tái)上成年累月地進(jìn)行天文觀測，他測量的黃赤交角度數(shù)為23°33′5.3″，與后來測得的當(dāng)時(shí)真實(shí)的黃赤交角相比僅有1′6.8″的誤差。18世紀(jì)，法國著名的天文學(xué)家拉普拉斯在論述黃赤交角逐漸變小的理論時(shí)，引用了郭守敬的測定值，并對郭守敬的觀測給予高度評價(jià)。

通過測量每一年的冬至?xí)r間，郭守敬算出了一個(gè)回歸年的長度——365.2425日。三百年后，歐洲出現(xiàn)的《格里歷》采用的也是這個(gè)數(shù)據(jù)，非常接近當(dāng)今的365.2422日。不僅如此，郭守敬還對1 000多顆恒星位置進(jìn)行了測定，編制成了星表。這些都為制定新的歷法打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

除了在司天臺(tái)進(jìn)行觀測外，他還組織了全國范圍的四海測量，從東到西、從南到北，設(shè)立了27個(gè)觀測點(diǎn)，其中一個(gè)觀測點(diǎn)就是如今的河南登封觀星臺(tái)。這個(gè)觀星臺(tái)于公元1279年建成，臺(tái)高9.46米，量天尺長31.19米。每當(dāng)正午時(shí)分，太陽光將臺(tái)頂?shù)挠白油渡湓诹刻斐呱希瑥挠白拥拈L度就可以確定二十四節(jié)氣，冬至日影子最長，夏至日影子最短。郭守敬不辭辛勞，親自到南海、北疆去測量，取得了豐富的資料。

河南登封觀星臺(tái)

公元1280年，郭守敬已近50歲。這一年的二月，他和同事們根據(jù)累積的觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行了精密籌劃，編制出一部嶄新的歷法——《授時(shí)歷》。從公元1281年起《授時(shí)歷》正式在全國頒行，且在此后一直沿用了三百六十多年。這部歷法匯集了我國古代歷法的精華，較前人的舊歷也更加精準(zhǔn)。

公元1286年，郭守敬升為太史令;公元1301年，郭守敬年滿70歲，按照當(dāng)時(shí)的官方規(guī)定，郭守敬已經(jīng)可以退休了。他提出申請，可是皇帝并沒有批準(zhǔn)，一直讓他連任到86歲去世。

明朝時(shí)，德國傳教士湯若望把郭守敬稱為“中國的第谷”。第谷（1546—1601）是丹麥的天文學(xué)家，比郭守敬晚生315年，他在汶島上建立了一座邊長為75米的正方形“觀天堡”，制作了13架觀測儀器，其中的渾儀直徑3米，精確度達(dá)到了1″。他觀測20年，測定了777顆恒星的位置，出版了《魯?shù)婪蛐潜怼罚瑸?6世紀(jì)歐洲大航海的船只定位打下了基礎(chǔ)。1601年第谷去世后，他的學(xué)生開普勒根據(jù)他的觀測資料發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)行的三大定律，也就是著名的“開普勒定律”。

第谷與郭守敬所做的貢獻(xiàn)有許多相似之處，他們也同為世界一流的天文學(xué)家，不過比較起來，第谷比郭守敬晚出生了300余年，湯若望應(yīng)該反過來說第谷是“歐洲的郭守敬”才對！