郭守敬：元代杰出的天文學(xué)家和水利工程學(xué)家

天一

“中國歷史上最具影響力的人物”系列之五十四

郭守敬（1231—1316），字若思，邢臺（今河北邢臺）人，元朝著名的天文學(xué)家、水利工程學(xué)家，官至太史令，世稱“郭太史”。《元史》卷一六四有傳，元代蘇天爵所著《元朝名臣事略》卷九也有對其事跡的詳細(xì)記述。郭守敬一生的成就主要集中在水利和天文領(lǐng)域。他修浚西夏境內(nèi)的古渠，使當(dāng)?shù)剞r(nóng)田得到灌溉，百姓受益良多;后來又主持開鑿?fù)ɑ莺樱┖即筮\(yùn)河進(jìn)行疏浚和完善，從而保障了漕運(yùn)，鞏固了國家的統(tǒng)一，同時對南北方經(jīng)濟(jì)文化的交流和繁榮起到了促進(jìn)作用。此外，他還發(fā)明創(chuàng)造了多種天文儀器，修訂歷法，編成《授時歷》，對后世產(chǎn)生了巨大影響。郭守敬在工作中表現(xiàn)出的實(shí)事求是、因地制宜、注重實(shí)際以及理論和實(shí)踐相結(jié)合的科學(xué)精神和嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，更值得后人學(xué)習(xí)。

在北京積水潭的西北角，有一座綠樹成蔭的小山，山頂有一座紅墻碧瓦的院落，常常引來路人好奇的目光。他們紛紛順著蜿蜒的山路拾級而上，一探究竟。原來，這座建筑始建于明代，初名“鎮(zhèn)水觀音庵”，清乾隆年問重修，改名“匯通祠”。20世紀(jì)80年代末，在匯通祠內(nèi)建立了郭守敬紀(jì)念館，用來紀(jì)念這位元代杰出的水利工程和天文學(xué)家。

一、少年時代展露才華

郭守敬的家鄉(xiāng)在今河北邢臺，他生于金哀宗正大八年（1231），此時金朝已經(jīng)走向窮途末路，最終在1234年被蒙古所滅。

郭守敬的祖父，名叫郭榮，是金元之際一位頗有名望的學(xué)者。他精通“四書五經(jīng)”，熟知天文、算學(xué)，還擅長水利技術(shù)。郭守敬就是在他祖父的教導(dǎo)下成長起來的。

郭榮一面教郭守敬讀書，一面領(lǐng)著他去觀察自然現(xiàn)象，體驗(yàn)實(shí)際生活。郭守敬從小就喜歡自己動手制作各種器具。有人說他生來就有奇特的秉性，從小不貪玩。其實(shí)，這是因?yàn)楣鼐窗讶啃乃级加玫搅搜芯科骶呱?，所以就不想其他的了?/p>

還在十五六歲時，郭守敬就顯露出一定的科學(xué)才能。當(dāng)時，他得到了一幅“蓮花漏圖”。他對圖樣進(jìn)行了詳細(xì)研究，居然摸清了制作方法。

蓮花漏是古代一種計(jì)時器，是北宋科學(xué)家燕肅在古代漏壺的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的。這個器具由好幾個部分組成，工藝復(fù)雜，原理也不淺顯，即使對于成年學(xué)者來說也不是一件容易弄懂的事情。而年紀(jì)輕輕的郭守敬居然把它弄得一清二楚，這就足以證明他的確是一個喜愛刻苦鉆研的孩子。

還有一件事，體現(xiàn)了郭守敬對于科學(xué)的悟性以及自己的才能。當(dāng)時，邢臺北郊有一座石橋，金朝與蒙古戰(zhàn)爭的時候，這座橋被破壞了，橋身陷在泥淖里。日子一久，競沒有人能說得清它的所在。郭守敬通過勘察，了解了河道的地形，于是對舊橋基有了一個估計(jì)。根據(jù)他的指點(diǎn)，居然挖出了久被埋沒的橋基。那一年郭守敬才二十歲，就已經(jīng)能對地理現(xiàn)象做出頗為細(xì)致的觀察和探究了。

為了讓孫兒開闊眼界，郭榮還把郭守敬送到自己的老友劉秉忠門下去學(xué)習(xí)。這位劉秉忠，是元代初期杰出的政治家和文學(xué)家，是他建議忽必烈取《易經(jīng)》“大哉乾元”之意，將蒙古更名為“大元”;他對元大都的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，奠定了北京最初的城市雛形。郭守敬在劉秉忠那里學(xué)到了很多知識和本領(lǐng)。

二、興修水利，利國利民

1260年，忽必烈即位稱帝。他十分重視農(nóng)業(yè)和水利工程的建設(shè)，要求大臣們積極推薦水利人才。此前，劉秉忠已被忽必烈所用，臨行前，他把郭守敬托付給了自己的老同學(xué)張文謙。張文謙后來到大名路（今河北大名一帶）等地任宣撫司（管理地方行政的官署）的長官，郭守敬也一起去了。在那里，郭守敬跟著張文謙到各處勘測地形，籌劃水利方案，并做了不少實(shí)際工作。郭守敬的科學(xué)知識和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)由此更加豐富了。

于是，在1262年，張文謙把郭守敬推薦給了元世祖忽必烈，說他熟悉水利，能力出眾。忽必烈在上都召見了郭守敬，聽了他關(guān)于全面發(fā)展華北地區(qū)水利和漕運(yùn)的建議后，十分高興，授予其“提舉諸路河渠”的職務(wù)。自此，郭守敬開啟了自己的水利人生。

1264年，忽必烈派張文謙去西夏（今寧夏一帶）巡察，張文謙知道西夏很多水閘水壩都遭到毀壞，渠道也被堵塞，所以帶上了擅長水利的郭守敬同行。郭守敬到了西夏后，立即展開調(diào)查，提出了“因舊謀新，更立閘堰”的方案，經(jīng)忽必烈批準(zhǔn)后，付諸實(shí)施。當(dāng)?shù)匕傩諏@項(xiàng)與自己有切身利害關(guān)系的大事給予了大力支持，大家一起動手，工程在幾個月內(nèi)就完成了。九萬多頃的土地得到了灌溉，極大地造福了當(dāng)?shù)厝嗣瘛?/p>

郭守敬在水利方面最大的貢獻(xiàn)應(yīng)該是開鑿了京杭大運(yùn)河最北一段，即由通州到大都積水潭（稱為通惠河），同時又疏通了運(yùn)河，實(shí)現(xiàn)了大運(yùn)河的全線通航。

1260年，忽必烈登基之后，以上都為都城。但是上都位置偏北，不利于對中原地區(qū)的控制，因此，1264年，忽必烈在解決了與其弟阿里不哥的汗位之爭后，決定遷都至燕京（今北京）。

燕京地區(qū)當(dāng)時尚有金中都的故城，然而此城經(jīng)歷了金朝末年的戰(zhàn)爭，宮殿多被焚毀，而且其城市供水來源——蓮花池水系也出現(xiàn)了水量不足的情況，無法滿足都城百姓日常生活的需要。于是，忽必烈下詔在金中都的東北另建新城，定名為大都，而將上都作為陪都。至元四年（1267），營建工作開始，總負(fù)責(zé)人就是中書省官員劉秉忠。

值得注意的是，大都城內(nèi)每年消費(fèi)的糧食達(dá)幾百萬石。這些糧食絕大部分是從南方產(chǎn)糧地區(qū)征運(yùn)來的。史載：“天下歲入糧數(shù)，總計(jì)一千二百十一萬四千七百八石，腹里二百二十七萬一千四百四十九石，……江浙省四百四十九萬四千七百八十三石?！碑?dāng)時，海運(yùn)航程風(fēng)水險惡，“人船俱溺者”“船壞而棄其米者”時有發(fā)生，故而以漕運(yùn)為首選。金朝在華北平原利用天然水道和隋唐以來修建的運(yùn)河建立了一個運(yùn)輸系統(tǒng)。但由于自然條件的原因，它的終點(diǎn)不在北京城內(nèi)，而在通州，離京城還有幾十里路。這段路程只有陸路可通。陸路運(yùn)輸要用大量的車、馬、役夫，一到雨季，泥濘難走，糧車往往陷入泥中，夫役們苦不堪言。

因此，至元二十八年（1291），郭守敬提出了大規(guī)?？缌饔蛘{(diào)水，疏浚通州至都城河流，修建京通運(yùn)河的計(jì)劃。郭守敬在建設(shè)京通運(yùn)河時解決了兩大技術(shù)難題：一是白浮引水工程（自昌平白浮村引神山、一畝、玉泉諸泉，至西門入都城，東至通州高麗莊入白河），二是建立壩閘，實(shí)現(xiàn)“節(jié)水行舟”，這堪稱水利史上的兩大奇跡。

當(dāng)時，元世祖任命郭守敬為都水監(jiān)，并且調(diào)動幾萬軍民，只用了一年半的時間，這條從神山到通州高麗莊的運(yùn)河，連同閘壩就完工了，它就是通惠河。從此以后，船舶可以一直駛?cè)氪蠖汲侵?，積水潭成為元朝漕運(yùn)碼頭的終點(diǎn)，這不但解決了運(yùn)糧問題，而且還促進(jìn)了南北經(jīng)濟(jì)文化的交流，繁榮了大都城的經(jīng)濟(jì)，便利了百姓的生活。說到這，我們也就明白郭守敬紀(jì)念館為什么要設(shè)立于積水潭西北角的匯通祠內(nèi)了。

到了明代，由于城市規(guī)劃的變化，通惠河的一部分河段被劃入皇城，這里是禁止漕船通行的，由此，明清兩代漕運(yùn)的終點(diǎn)發(fā)生了改變，由積水潭改到了東便門。

除了開鑿?fù)ɑ莺?，郭守敬還對京杭大運(yùn)河進(jìn)行了疏浚和完善，主要體現(xiàn)在以下三方面：

一是截彎取直，縮短運(yùn)河航程。元代時，江南運(yùn)糧船只從太湖流域裝船，沿江南運(yùn)河、淮揚(yáng)運(yùn)河、黃河、御河、白河到達(dá)通州，由于黃河為西東走向，船必須繞道河南，有一段需要走陸路，由漕車運(yùn)載，造成了人力、物力的巨大消耗。為了縮短運(yùn)河航程路線，郭守敬經(jīng)詳細(xì)考察后，“乃得濟(jì)州、大名、東平、泗、汶與御河相通形勢，為圖奏之”。在獲得元世祖的批準(zhǔn)后，修成了濟(jì)州河。濟(jì)州河融合了山東中部的汶水和泗水兩條較大的河流，由于雨旱季水量的差異，又建造閘門以確保通航。后來，有地方官員建議重開一條運(yùn)河，經(jīng)郭守敬等人的調(diào)查后，認(rèn)為可行，并于當(dāng)年完工，初名安山渠，因?yàn)樗峭ń粗\(yùn)的黃金水道，于是忽必烈將其命名為“會通河”。會通河修通后，江南物資由徐州北上直抵御河，再一路向北直抵京城，大大縮短了運(yùn)河航程，提高了漕運(yùn)效率。

二是建立水上驛站。元代的驛路以大都為中心，輻射全國，四通八達(dá)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)時全國驛站有1400處左右，分為陸驛和水驛，而水驛的始建者就是郭守敬。為了南征，軍需、物資、軍隊(duì)的運(yùn)輸成為關(guān)鍵。郭守敬經(jīng)過一番考察，得出了建立水上驛站的結(jié)論，并繪出圖紙，上報朝廷。這些水上驛站的建立，使得路驛與水驛問的聯(lián)合更加便捷通暢，從而為元朝統(tǒng)一全國提供了有利條件，也為加強(qiáng)中央對地方的管理起到了至關(guān)重要的作用。

三是完善運(yùn)河的管理與修繕制度。元朝初年，都水監(jiān)、巡河提領(lǐng)所等是最高水利機(jī)構(gòu)。郭守敬就曾任都水監(jiān)。后來，都水監(jiān)并人工部，郭守敬又任工部郎中，主管全國的水利工作。在任期間，他主持了全國大量的水利工程建設(shè)，不僅疏浚運(yùn)糧河道，修筑堤防，而且還設(shè)立了“新運(yùn)糧提舉司”（后改稱京畿都漕運(yùn)司）。此外，他還設(shè)置了通惠河運(yùn)糧千戶所，更加規(guī)范地管理通州至大都的漕運(yùn)。這些工作部分由軍隊(duì)承擔(dān)，從而把兵部和戶部的力量有機(jī)地結(jié)合在一起，保障了漕運(yùn)事務(wù)的順利完成。

郭守敬精心設(shè)計(jì)和改造的大運(yùn)河，為歷史上的北京自元代以來成為全國政治中心提供了交通運(yùn)輸?shù)牡乩硪劳?。依靠這條綿延三千余里的水運(yùn)航線，中央增強(qiáng)了政令通達(dá)、控御海內(nèi)的能力，而來自南方的漕糧和其他物資則為運(yùn)河沿岸城市經(jīng)濟(jì)注入了活力，出現(xiàn)了南北交融的商業(yè)街市和文化景象，展現(xiàn)出了一條縱貫?zāi)媳钡倪\(yùn)河文化帶，這的確有賴于郭守敬的奠基之功。

根據(jù)郭守敬在水利建設(shè)上的成就，我們可以總結(jié)出他的幾點(diǎn)司貴思想。

首先，注重實(shí)際與實(shí)用。一是郭守敬堅(jiān)持實(shí)地調(diào)查，進(jìn)而提出水利方案。他主持水利工程時，無不事必躬親，對地勢及水情詳細(xì)勘測和分析，并走訪百姓，繪制地圖，最后才提出措施。這種從實(shí)際出發(fā)解決問題以及堅(jiān)持為百姓謀利的思想，值得后人學(xué)習(xí)。二是他善于根據(jù)實(shí)際情況處理問題，同時從實(shí)際出發(fā)確立水利項(xiàng)目，這使得他決定興修的水利工程都是符合國家和百姓需要，而且是因地制宜的。

其次，強(qiáng)調(diào)整體和聯(lián)系。一是全面地考慮問題。比如郭守敬在西夏治理水利時，既考慮到“分殺河勢”，又考慮到“灌溉田土”，這樣不僅解決了灌溉問題，同時也兼顧了防洪，產(chǎn)生了綜合效益。二是聯(lián)系地看待問題。在治理西夏水利時，郭守敬意識到如果重新修建新渠必然會耗費(fèi)巨大的人力、物力和財力，也可能會耽誤農(nóng)田灌溉的時機(jī)，但如果只是簡單地修復(fù)原有的渠道而不加改造，問題還是得不到根本解決，于是他在修復(fù)原有渠系的基礎(chǔ)上，采用“更立閘堰”等新的工程技術(shù)，使灌溉系統(tǒng)進(jìn)一步完善。這種“因舊謀新”的思想，充分體現(xiàn)了他聯(lián)系地看待問題的科學(xué)遠(yuǎn)見。三是突出重點(diǎn)。郭守敬進(jìn)行水利建設(shè)，并非廣撒網(wǎng)，這樣既浪費(fèi)資源，又達(dá)不到應(yīng)有的效果。他選擇以漕運(yùn)、灌溉為重點(diǎn)，有的放矢，解決當(dāng)時最迫切的問題。

第三，提倡考察，求得真知。興修水利不是只要熟知理論就可以完成的，水利設(shè)計(jì)是否合理，與事前的考察和總結(jié)有很大關(guān)系。在水利設(shè)計(jì)的過程中，郭守敬十分重視實(shí)地考察。開展每項(xiàng)水利建設(shè)前，他都要多次勘察，根據(jù)理論知識與實(shí)際條件，科學(xué)地確定建設(shè)方案，避免主觀臆斷。應(yīng)該說，這是郭守敬作為一位嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)家所體現(xiàn)出來的素質(zhì)和責(zé)任。

三、改進(jìn)天文儀器，編訂《授時歷》

我國古代的天文學(xué)是比較發(fā)達(dá)的。西漢以后，國家天文臺的設(shè)備和組織已經(jīng)相當(dāng)完善。它的主要任務(wù)之一是觀測天象，編制歷法。這對于國家的祭祀活動、百姓的生產(chǎn)生活，都有著深遠(yuǎn)的意義。因此，朝廷對這項(xiàng)工作是相當(dāng)重視的。

一種歷法用久了，誤差就會逐漸顯現(xiàn)出來，這就需要修改。而每次重大的歷法修改，總會帶來一些創(chuàng)造和革新，比如儀器的精確化、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、天文學(xué)理論的完善和豐富等。歷法的發(fā)展可說是中國天文學(xué)史中的一條主線。

元朝初年，用的是金朝的“重修大明歷”。這個歷法是1180年頒行的，幾十年來，誤差逐漸加大，發(fā)生過好幾次推測天象與實(shí)際不符的事。重新編訂歷法成為迫在眉睫之事。

元世祖遷都大都后，決定改訂舊歷，他下令建立歷局，調(diào)動全國各地的天文學(xué)者，另修新歷。這件工作由精通天文和數(shù)學(xué)的王恂主持。

得到任務(wù)的王恂，當(dāng)時就想到了老同學(xué)郭守敬。雖然郭守敬一直在水利部門工作，但他擅長器械制造，同時又通曉天文，這是王恂很早就知道的。郭守敬在王恂的推薦下，參加了修歷工作。這是郭守敬在水利領(lǐng)域之外又一項(xiàng)新的科學(xué)活動，同樣取得了較高的成就。

要修歷，就要先完善天文觀測設(shè)備。郭守敬首先檢查了大都城里天文臺的儀器裝備。這些儀器都是金朝的遺物，其中的渾儀還是北宋時代的東西，是當(dāng)年金兵攻破北宋都城汴京（今河南開封）以后，從那里搬到中都來的。另外，天文臺所用的圭表也因年深日久而變得歪斜不正。

郭守敬認(rèn)為，這些儀器太老了，而天文觀測必須要精確，僅僅靠修繕肯定是不行的。于是他開始創(chuàng)制一套更精密的儀器，為改歷工作奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

古代歷法制定工作中所要求的天文觀測，主要是兩類：一類是測定二十四節(jié)氣，特別是冬至和夏至的確切時刻，用的儀器是圭表;一類是測定天體在天球上的位置，用的主要工具是渾儀。

對于圭表，郭守敬首先分析了造成誤差的原因，并找出解決的辦法。比如他把圭表的表?xiàng)U加高了五倍，觀測時的表影也就加長了五倍。表影加長了，按比例推算各個節(jié)氣時刻的誤差就會大大降低。他還改進(jìn)了量取長度的技術(shù)，使原來只能量到“分”位的數(shù)據(jù)提高到“厘”位，原來是“厘”位的則提高到了“毫”位。這一系列的改進(jìn)，為觀測工作的順利開展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

對于渾儀，郭守敬可就不是簡單改進(jìn)了，而是進(jìn)行了創(chuàng)造。他只保留了此前渾儀中最主要且必需的兩個圓環(huán)系統(tǒng);并且把其中的一組圓環(huán)系統(tǒng)分出來，改成另一個獨(dú)立的儀器，而其他系統(tǒng)的圓環(huán)則完全取消。這樣就從根本上改變了渾儀的結(jié)構(gòu)，這種創(chuàng)造和原來的渾儀相比是既實(shí)用，又簡單，所以取名“簡儀”。簡儀的結(jié)構(gòu)，與“天圖式望遠(yuǎn)鏡”的構(gòu)造基本一致。在歐洲，這種結(jié)構(gòu)的測天儀器，要到十八世紀(jì)以后（相當(dāng)于清中期）才開始從英國流傳開來。

郭守敬用這架簡儀進(jìn)行了許多精密的觀測，其中兩項(xiàng)對新歷的編算有重大意義。一項(xiàng)是黃道和赤道交角的測定，另一項(xiàng)是二十八宿距度的測定。在改歷過程中，郭守敬還創(chuàng)造了近二十種儀器和工具，比如仰儀。這是新歷能夠取得成功并影響后世的一個重要原因。

經(jīng)過郭守敬等人的努力，1280年，一部新的歷法宣告完成。按照“敬授民時”的古語，此歷取名“授時歷”。同年冬天，朝廷正式頒發(fā)了根據(jù)《授時歷》推算出來的下一年的日歷。如今，《授時歷》這個名字被寫入中學(xué)歷史教材，是學(xué)生應(yīng)該掌握的重要知識點(diǎn)，體現(xiàn)了我國古代天文歷法的發(fā)達(dá)程度和進(jìn)步性。

《授時歷》在中國沿用了三百六十多年，是我國古代一部十分精良的歷法，而且影響到了朝鮮和日本。它提出一個回歸年為365.2425日，這一數(shù)據(jù)的提出比現(xiàn)在通行的《格里高利歷》（即公歷）早了301年。

從整體上說，郭守敬的多項(xiàng)創(chuàng)新發(fā)明對于當(dāng)時天文學(xué)的研究工作有著突出貢獻(xiàn)，而他之所以能夠創(chuàng)制出具有較高應(yīng)用價值的先進(jìn)設(shè)備，主要在于他具有較強(qiáng)的創(chuàng)新意識以及社會責(zé)任感。在進(jìn)行自主創(chuàng)造期間，他會充分搜集民間各種天文學(xué)知識，并對這些理論進(jìn)行整合分析，最后提出新的觀點(diǎn)，然后再著手于各項(xiàng)工作，這種善于總結(jié)前人成果又求真務(wù)實(shí)的精神，值得我們學(xué)習(xí)。

四、尾聲

水利和天文方面的成就，使郭守敬的聲望越來越高。1303年，元成宗下詔，凡是年滿七十歲的官員都可以退休，唯獨(dú)郭守敬，因?yàn)槌⑦€有許多工作要依靠他，因而延緩?fù)诵荨?316年，為科學(xué)事業(yè)辛勞了幾十年的郭守敬去世，享年八十六歲。

郭守敬的科學(xué)成就享譽(yù)中外，數(shù)百年來，人們采用多種形式表達(dá)對他的敬意和懷念。1962年，中國郵電部發(fā)行了兩枚郭守敬紀(jì)念郵票。1970年，國際天文學(xué)聯(lián)合會將月球上的一座環(huán)形山命名為“郭守敬環(huán)形山”。1977年3月，國際小行星中心將小行星2012命名為“郭守敬小行星”。中科院國家天文臺也將國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施LAMOST望遠(yuǎn)鏡命名為“郭守敬天文望遠(yuǎn)鏡”。