郭守敬：七百年前的中國科學之星

李興濂

郭守敬，字若思，邢州邢臺縣（今河北省邢臺市）人，元朝天文學家、水利學家。1970年，國際天文學會將月球背面的一座環形山以“郭守敬”命名。1977年7月，經國際小行星組織批準，中國科學院紫金山天文臺把1964年發現的太陽系的一顆小行星命名為“郭守敬”。

郭守敬少有奇志，不喜玩樂，對數學、天文、水利有著濃厚興趣。少年時代的他，曾根據書上的一幅插圖，用竹篾扎出一架渾儀，還做了一個土臺階，把竹制渾儀放在上面，進行天文觀測。他還根據北宋科學家燕肅拓印的石刻蓮花漏圖，弄清了這種在當時最先進的計時儀器的工作原理。

郭守敬十多歲時，祖父郭榮聽聞好友、大學問家劉秉忠因守父喪，正在邢臺西南的紫金山中結廬讀書，便把郭守敬送到劉秉忠的門下。劉秉忠也是邢臺人，郭守敬在他的指導下，專心地學習了三年，還結識了學者張文謙、張易、王恂等人，他們聚在一起研究探討天文歷法等，時人稱之為“邢州五杰”。后來，劉秉忠、張文謙和張易都成為元朝的開國重臣，對郭守敬的事業多有提攜，王恂則成為郭守敬終身摯友和同事，在《授時歷》的編制工作中，王恂的貢獻與郭守敬齊名。

中統三年（1262年），張文謙向忽必烈推薦了郭守敬。郭北上應召時，把剛鑄好的一套蓮花漏運到燕京，取名為“寶山漏”。這套計時器構造精巧，水流均勻，計量時間很準確，后來成為元代司天臺（即國立天文臺）的計時工具。

在邢臺縣的北郊，有一座石橋。金元戰爭時，這座橋被毀壞了，橋身陷在泥淖里。日子一久，竟沒有人說得清它的所在。郭守敬勘察了河道上下游的地形，對舊橋基有了判斷，根據他的指點，一下就挖出了被埋沒已久的橋基，此事在當地引起了不小轟動。石橋修復后，四方游民紛紛歸附，邢臺戶口增加了十倍。當時的文學家元好向還特意為此寫過一篇碑文——那一年，郭守敬剛剛20歲。

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

在觀測天象中，首先需要解決儀表問題，郭守敬創制了簡儀、高表、候極儀、立運儀、仰儀、景符、窺幾等16種儀表，數量之多、質量之精巧準確都超過前人。簡儀中使用了滾柱軸承，西方的類似裝置，是在200年后才由達芬奇發明出來。

郭守敬在景苻、仰儀等儀器中運用了“針孔成象”的原理，這在中國光學史上是罕見的成就。300年后，利瑪竇在南京看到這幾件明初時從北京運到南京的天文儀器，贊嘆說：“其規模和設計的精美遠遠超過曾在歐洲看到和知道的任何這類東西。這些儀器雖經受了二百五十年的雨、雪和天氣變化的考驗，卻絲毫無損于它原有的光榮。”

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，這是當時世界上設備最完善的天文臺之一。郭守敬用創制的天文儀器進行了許多精密的天文觀測，從而使《授時歷》的編制有了可靠的觀測基礎。他測出一個回歸年數值為365.2425日，并派出14個觀測隊，到全國27處地點進行了天文觀測，史稱“四海測驗”。

郭守敬從上都、大都開始經河南轉抵南海，跋涉數千里，親自參與其中。他根據“四海測驗”的結果，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行的自然規律，終于在至元十七年（1280年）編制成新歷法。

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

從20歲開始邢臺治水，郭守敬的宦海生涯中2/3的時間都奔波在水利工地上。元世祖中統三年（1262年）春，張文謙向忽必烈推薦郭守敬，郭一連提出六項水利工程計劃。忽必烈當即任命郭守敬為“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。元朝北部地區的水利建設和南北大運河的貫通，基本上都是郭守敬的功勞。其中，最能體現郭守敬非凡才能的工程，是修復西夏水利和開鑿通惠河。

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施。早在秦漢時，這一帶就開鑿了許多河渠系統，引入黃河水灌溉，成為西北地區的重要糧倉。但在蒙古滅西夏戰爭中，水利設施損壞殆盡，致使九萬多頃良田荒蕪。

1264年，郭守敬在西夏深入考察實地資料，親率民工開挖疏浚，對原有的正渠、大小支渠“因舊謀新，更立閘堰”，使之煥然一新。整個工程在地方官民的支持下，不到一個季度就完成了。數萬項農田得到了及時灌溉，渠水四達，稻菽豐收，使西夏再現了“塞北江南”的景象。當地人為此建立了“郭氏生祠”，并立碑以紀其事。

1265年，郭守敬自西夏返京途中，乘舟順黃河而下，行至東勝（今內蒙古托克托），發現此段河可通漕運。他還考察了査泊、兀剌海一帶，認為這里的許多古渠修復后可再用。兩年后，忽必烈采納了郭守敬的建議，下令在此段黃河中開辟漕運，設置水上驛站，方便了西夏糧食外運，加強了西夏與元朝中央的聯系。這一年，郭守敬被任命為都水少監，協助都水監掌管水利工程。

從西夏回來后，郭守敬開始著手解決大都漕運的問題。由于設計周密科學，開挖的河道經受了多次洪水的考驗，成功地使用了近三十年，特別是通過這些河道將西山大量的石料、木材運抵城內，有力支持了元大都的建設。但因通州地勢較低，大都附近水源有限，不能負擔起運河水量，郭守敬經過反復實踐，設計出一套復雜而又精巧的水利系統。1293年，總長160多里的京通運河終于開通，實現了從杭州至大都的全線通航，漕運的糧食由每年幾萬石猛增到一百幾十萬石。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，郭守敬還開建了甕山泊、積水潭兩座水庫，使運河中的水位保持相對穩定的高度。為使引水平緩東流，保證漕運水量，郭守敬在運河上每十里設一閘，這些閘壩解決了因地勢落差大，水流容易一泄而過的難題，使運河保持了足以行舟的水量。這一創舉是郭守敬在水利史上的奇跡，如今的巴拿馬運河、長江三峽、葛洲壩等水利工程，仍采用這種方法解決行船的航運問題。郭守敬還提出以海平面作為基準，比較大都和汴梁兩地地勢高低的差別，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源地，由此成為科學考察黃河源頭的先驅者。

1298年，元成宗要在上都西北鐵幡竿嶺下開渠，郭守敬經過實地勘查，了解到該地雨量集中，易發山洪，建議修建50至70步寬的大渠，然而，主管此事的官員認為沒有必要，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，淹沒人畜、田地無數，差點沖毀了皇帝行宮。元成宗不得不避水而走，他對大臣感嘆：“郭太史真神人也！”后來元成宗下詔，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，歷經四朝皇帝，足跡踏遍大半個中國，為我國的水利和天文事業作出了不可磨滅的貢獻。

（作者系文史學者）