郭守敬：七百年前的中国科学之星

李兴濂

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”。

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。

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。

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。

（作者系文史学者）