修訂《授時(shí)歷》的郭守敬

郭守敬是我國元朝的天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家、水利專家和儀器制造專家。他的祖父叫郭榮，精通五經(jīng)，熟知天文、算學(xué)，擅長水利技術(shù)，是金元之際一位頗有名望的學(xué)者。

郭守敬幼承祖父郭榮家學(xué)，在十五六歲的時(shí)候就顯露出了科學(xué)才能。那時(shí)他得到了一幅“蓮花漏圖”。他對(duì)圖樣做了精細(xì)的研究，居然摸清了蓮花漏的制造方法和原理，試做了一套正規(guī)的蓮花漏鑄銅器，后來元朝政府里的天文臺(tái)也采用了這種器具。

年紀(jì)才10多歲的郭守敬居然有這樣的作為，這就足以證明他確是一個(gè)能夠刻苦鉆研的少年。

郭榮為了讓他孫兒開闊眼界，得到深造，就把郭守敬送到自己的同鄉(xiāng)老友劉秉忠門下去學(xué)習(xí)。劉秉忠精通經(jīng)學(xué)和天文學(xué)。

在這里，郭守敬大開視野，還結(jié)識(shí)了一位好朋友王恂，他們后來在天文歷法工作中親密合作，做出了卓越的貢獻(xiàn)。

不久，劉秉忠被元世祖忽必烈召進(jìn)京城。臨行前，劉秉忠把郭守敬介紹給了自己的老同學(xué)張文謙。郭守敬跟著張文謙到各處勘測(cè)地形，籌劃水利方案，并幫助做些實(shí)際工作。

幾年之間，郭守敬的科學(xué)知識(shí)和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)更豐富了。張文謙看到郭守敬已經(jīng)漸趨成熟，就在1262年，把他推薦給元世祖忽必烈，說他熟悉水利，聰明過人。

郭守敬初見元世祖，就當(dāng)面提出了6條水利建議。第一條建議修復(fù)從當(dāng)時(shí)的中都到通州的漕運(yùn)河道；第二第三條是關(guān)于他自己家鄉(xiāng)地方用水和灌溉渠道的建議；第四條是關(guān)于磁州、邯鄲一帶的水利建議的意見；第五第六條是關(guān)于中原地帶沁河河水的合理利用和黃河北岸渠道建設(shè)的建議。

這6條都是經(jīng)過仔細(xì)查勘后提出來的切實(shí)的計(jì)劃，對(duì)于經(jīng)由路線、受益面積等項(xiàng)都說得清清楚楚。

元世祖認(rèn)為郭守敬的建議很有道理，就命他掌管各地河渠的整修和管理等工作。

1264年，張文謙被派往西夏去巡察，他帶了擅長水利的郭守敬同行。郭守敬到了那里，立即著手疏通舊渠，開辟新渠，又重新修建起許多水閘、水壩。由于大家動(dòng)手，這些工程竟然在幾個(gè)月之內(nèi)就完工了。

1265年，郭守敬回到了上都，被任命為都水少監(jiān)，協(xié)助都水監(jiān)掌管河渠、堤防、橋梁、閘壩等的修治工程。1271年升任都水監(jiān)。1276年都水監(jiān)并入工部，他被任為工部郎中。

1276年，元軍攻下了南宋首都臨安，全國統(tǒng)一已成定局。元世祖決定改訂舊歷，頒行元朝自己的歷法。這件工作名義上以張文謙為首腦，但實(shí)際負(fù)責(zé)歷局事務(wù)和具體編算工作的是精通天文、數(shù)學(xué)的王恂。

在當(dāng)時(shí)，王恂就想到了老同學(xué)郭守敬。雖然郭守敬擔(dān)任的官職一直是在水利部門，但他的擅長制器和通曉天文，是王恂很早就知道的。因此，郭守敬就由王恂的推薦，參加修歷，奉命制造儀器，進(jìn)行實(shí)際觀測(cè)。

從此，郭守敬的科學(xué)活動(dòng)又揭開了新的一章，他在天文學(xué)領(lǐng)域里發(fā)揮了高度的才能。

大都天文臺(tái)的儀器和裝備雜亂不堪，有的已經(jīng)老化。天文臺(tái)所用的圭表因年深日久而變得歪斜不正，郭守敬立即著手修理，把它扶置到準(zhǔn)確的位置。

這些儀器終究是太古老了，雖經(jīng)修整，但在天文觀測(cè)必須日益精密的要求面前，仍然顯得不相適應(yīng)。郭守敬不得不改進(jìn)和創(chuàng)制一套更精密的儀器。

這些儀器裝備中的渾儀還是北宋時(shí)代的東西。郭守敬只保留了渾儀中最主要最必需的兩個(gè)圓環(huán)系統(tǒng)，并且把其中的一組圓環(huán)系統(tǒng)分出來，改成另一個(gè)獨(dú)立的儀器，把其他系統(tǒng)的圓環(huán)完全取消。這樣就根本改變了渾儀的結(jié)構(gòu)。再把原來罩在外面作為固定支架用的那些圓環(huán)全都撤除，用一對(duì)彎拱形的柱子和另外4根柱子承托著留在這個(gè)儀器上的一套主要圓環(huán)系統(tǒng)。這樣，圓環(huán)就四面凌空，一無遮攔了。

這種結(jié)構(gòu)，比起原來的渾儀來，真是又實(shí)用，又簡單，所以取名“簡儀”。簡儀的這種結(jié)構(gòu)，同現(xiàn)代稱為“天圖式望遠(yuǎn)鏡”的構(gòu)造基本上是一致的。在歐洲，像這種結(jié)構(gòu)的測(cè)天儀器，要到18世紀(jì)以后才開始從英國流傳開來。

郭守敬用這架簡儀做了兩項(xiàng)精密的觀測(cè)，一項(xiàng)是黃道和赤道的交角的測(cè)定；另一項(xiàng)觀測(cè)是二十八宿距度的測(cè)定。這兩項(xiàng)觀測(cè)，對(duì)后來新歷的編算具有重大的意義。

郭守敬還獨(dú)創(chuàng)了一件儀器。這件儀器是一個(gè)銅制中空的半球面，形狀像一口仰天放著的鍋，名叫“仰儀”。

仰儀是采用直接投影方法的觀測(cè)儀器，非常直觀、方便。例如，當(dāng)太陽光透過中心小孔時(shí)，在仰儀的內(nèi)部球面上就會(huì)投影出太陽的映像，觀測(cè)者便可以從網(wǎng)格中直接讀出太陽的位置了。

尤其在日全食時(shí)，它能測(cè)定日食發(fā)生的時(shí)刻，利用仰儀能清楚地觀看日食的全過程，連同每一個(gè)時(shí)刻、日食的方位角、食分多少和日面虧損的位置、大小都能比較準(zhǔn)確地測(cè)量出來。

這架儀器甚至還能觀測(cè)月球的位置和月食情況。被稱為“日食觀測(cè)工具的鼻祖。”

仰儀流傳到朝鮮和日本后，取消了璇璣板，改成尖頂?shù)年嗅槪瑥亩蔀榧兇獾娜贞校环Q為仰釜日晷。

郭守敬改進(jìn)的簡儀和獨(dú)創(chuàng)的仰儀，在編訂新歷時(shí)提供了不少精確的數(shù)據(jù)，這確是新歷得以成功的一個(gè)重要原因。

天文臺(tái)的儀器裝備已經(jīng)基本完備，于是，王恂、郭守敬等同一位尼泊爾的建筑師阿尼哥合作，在大都興建了一座新的天文臺(tái)，臺(tái)上就安置著郭守敬所創(chuàng)制的那些天文儀器。它是當(dāng)時(shí)世界上設(shè)備最完善的天文臺(tái)之一。

由于郭守敬的建議，1279年，元世祖派了14位天文學(xué)家，到當(dāng)時(shí)大都以外的國內(nèi)26個(gè)地點(diǎn)，進(jìn)行幾項(xiàng)重要的天文觀測(cè)。在其中的6個(gè)地點(diǎn)，特別測(cè)定了夏至日的表影長度和晝、夜的時(shí)間長度。

這些觀測(cè)的結(jié)果，都為編制全國適用的歷法提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)。這一次天文觀測(cè)的規(guī)模之大，在世界天文學(xué)史上也是少見的。

這是一次意義深遠(yuǎn)的“四海測(cè)驗(yàn)”。值得敬佩的是，郭守敬奉旨進(jìn)行“四海測(cè)驗(yàn)”，在南海的測(cè)量點(diǎn)就在我國黃巖島。

經(jīng)過王恂、郭守敬等人的集體努力，至1280年春天，一部新的歷法宣告完成。按照“敬授民時(shí)”的古語，取名“授時(shí)歷”。同年冬天，正式頒發(fā)了根據(jù)《授時(shí)歷》推算出來的下一年的日歷。

《授時(shí)歷》頒行不久，幾個(gè)主要的參加編歷工作的人，退休的退休，死的死了，王恂也病逝了。但有關(guān)這部新歷的許多算草、數(shù)表等都還是一堆草稿，不曾整理。于是，最后的整理定稿工作全部落到郭守敬的肩上。

郭守敬又花了兩年多的時(shí)間，把數(shù)據(jù)、算表等整理清楚，寫出《推步》7卷、《立成》2卷、《歷議擬稿》3卷、《轉(zhuǎn)神選擇》2卷、《上中下注釋》12卷留傳后世。其中的一部分就是《元史·歷志》中的《授時(shí)歷經(jīng)》。

《授時(shí)歷》反映了當(dāng)時(shí)我國天文歷法的新水平。在這部歷法里，有許多革新創(chuàng)造的成績。

例如，廢除了過去許多不合理、不必要的計(jì)算方法，例如避免用很復(fù)雜的分?jǐn)?shù)來表示一個(gè)天文數(shù)據(jù)的尾數(shù)部分，改用十進(jìn)小數(shù)等；定一回歸年為365.2425日，比地球繞太陽公轉(zhuǎn)一周的實(shí)際時(shí)間，僅差26秒，和現(xiàn)代世界通用的公歷完全相同；創(chuàng)立了“三差內(nèi)插公式”和“球面三角公式”，是具有世界意義的杰出成就。

《授時(shí)歷》經(jīng)受住了時(shí)間考驗(yàn)。它在我國沿用了300多年，產(chǎn)生了重大影響。現(xiàn)行公歷是意大利天文學(xué)家利里奧在1582年提出的，比《授時(shí)歷》晚了整整300年。朝鮮、越南都曾采用過《授時(shí)歷》。

此后不久，郭守敬升為太史令。在以后的幾年間，他又繼續(xù)進(jìn)行天文觀測(cè)，并且陸續(xù)地把自己制造天文儀器、觀測(cè)天象的經(jīng)驗(yàn)和結(jié)果等極寶貴的知識(shí)編寫成書。

郭守敬寫的天文學(xué)著作共有百余卷之多。可惜封建帝王元世祖不愿讓真正的科學(xué)知識(shí)流傳到民間去，把郭守敬的天文著作統(tǒng)統(tǒng)鎖在深宮秘府之中。

除此之外，郭守敬還開通了大都的通惠河。大都是元朝的首都，城內(nèi)每年消費(fèi)的糧食達(dá)幾百萬斤。這些糧食絕大部分是從南方產(chǎn)糧地區(qū)征運(yùn)來的。然而，陸運(yùn)耗費(fèi)的巨大，始終在促使著人們?nèi)で笠粭l合適的水道。

這個(gè)任務(wù)，到郭守敬的時(shí)候才得到完成。郭守敬提出的第一個(gè)方案就是他在1262年初見元世祖時(shí)所提出來的6條水利建議中的第一條，即修復(fù)從當(dāng)時(shí)的中都到通州的漕運(yùn)河道。

組織開通了通惠河之后，郭守敬一直兼任天文和水利兩方面的領(lǐng)導(dǎo)工作。1294年，他升知太史院事。但是關(guān)于水利方面的工作，當(dāng)時(shí)政府仍經(jīng)常要征詢他的意見。

1303年，元成宗下詔，說凡是年滿70歲的官員都可以退休，獨(dú)有郭守敬，因?yàn)槌⑦€有許多工作都要依靠他，不準(zhǔn)他退休。然而，由于元成宗之后政權(quán)迅速腐朽，把元世祖時(shí)代鼓勵(lì)農(nóng)桑的這點(diǎn)積極因素拋棄殆盡了。

在這種情況下，郭守敬的創(chuàng)造活動(dòng)自然也受到極大的限制。同他當(dāng)時(shí)不斷提高的名望相對(duì)照，他晚年的創(chuàng)造活動(dòng)不免太沉寂了。

除了在1298年建造了一架天文儀器靈臺(tái)水渾以外，就再?zèng)]有別的重大創(chuàng)制和顯著表現(xiàn)了。可以設(shè)想，如果他晚年能夠有較好的社會(huì)政治條件，可能還有更大的貢獻(xiàn)。