我國(guó)古代十位著名物理學(xué)家（四）

徐漢屏

郭守敬——元代杰出的科學(xué)家

郭守敬（1231-1316），字若思，順德邢臺(tái)（今河北邢臺(tái)）人。元代天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家、水利專家和儀器制造家。

郭守敬幼承祖父郭榮家學(xué)，攻研天文、算學(xué)、水利，后從天文學(xué)家劉秉忠學(xué)習(xí)，所以少年時(shí)代在數(shù)學(xué)、水利學(xué)和天文學(xué)等方面受到良好的教育。十五六歲時(shí)得到一幅有關(guān)計(jì)時(shí)器“蓮花漏”圖，“已能盡究其理”。二十歲時(shí)他負(fù)責(zé)指導(dǎo)疏浚家鄉(xiāng)的河道和修復(fù)淹沒(méi)多年的石橋。

中統(tǒng)三年（1262年）因左丞張文謙推薦，郭守敬受到元世祖忽必烈的召見(jiàn)，面陳水利建議六條，即被任命為提舉諸路河渠。次年，升為副河渠使。至元元年（1264年），郭守敬奉命修浚西夏（今寧夏一帶）境內(nèi)的唐來(lái)、漢延等古渠，更立閘堰，使當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)田得到灌溉，事后升任都水少監(jiān)。

至元十三年（1276年），都水監(jiān)并入工部，郭守敬任工部郎中。同年，元世祖忽必烈根據(jù)劉秉忠生前的建議，命張文謙等主持修訂新歷，由張文謙等主持成立新的治歷機(jī)構(gòu)太史局。太史局由王恂負(fù)責(zé)，郭守敬輔助。在學(xué)術(shù)上則王恂主推算，郭守敬主制儀和觀測(cè)。

為了編歷，郭守敬創(chuàng)制和改進(jìn)了簡(jiǎn)儀、高表、候極儀、渾天象、玲瓏儀、仰儀、立運(yùn)儀、證理儀、景符、窺幾、日月食儀以及星晷定時(shí)儀等十幾件天文儀器儀表。這些儀器頗多創(chuàng)造性，大大提高了觀測(cè)精度，對(duì)元、明時(shí)期天文研究的影響極為深遠(yuǎn)。

至元十六年，太史局?jǐn)U建為太史院，王恂任太史令，郭守敬任同知太史院事。同年，郭守敬與王恂受命率南北日官進(jìn)行實(shí)測(cè)，提出了“歷之本在于測(cè)驗(yàn)，而測(cè)驗(yàn)之器莫先儀表”的正確主張。在郭守敬領(lǐng)導(dǎo)下開(kāi)展了全國(guó)范圍的天文測(cè)量，“東至高麗，西極滇池，南逾朱崖，北盡鐵勒，四海測(cè)驗(yàn)，凡二十七所”。其中河南登封的觀星臺(tái)和“量天尺”至今猶存。在大都（今北京），郭守敬通過(guò)三年半約二百次的晷影測(cè)量，定出至元十四年到十七年的冬至?xí)r刻。還在全國(guó)各地設(shè)立二十七個(gè)觀測(cè)站，進(jìn)行了大規(guī)模的“四海測(cè)量”，測(cè)出的北極出地高度平均誤差只有0.35；新測(cè)二十八宿距度，平均誤差還不到5；測(cè)定了黃赤交角新值，誤差僅1多。他又結(jié)合歷史上的可靠資料加以歸算，得出一回歸年的長(zhǎng)度為365.2425日，與現(xiàn)今世界上通行的公歷值完全一致。

經(jīng)過(guò)四年努力，終于在至元十七年編制出我國(guó)古代最先進(jìn)、施行最久的新歷。元世祖按照“敬授民時(shí)”的古語(yǔ)，取名為《授時(shí)歷》。

中國(guó)古歷自西漢劉歆作《三統(tǒng)歷》以來(lái)，一直利用上元積年和日法進(jìn)行計(jì)算。唐、宋時(shí)，曹士等試作改變?！妒跁r(shí)歷》則完全廢除了上元積年，采用至元十七年的冬至?xí)r刻作為計(jì)算的出發(fā)點(diǎn)，以至元十八年為“元”，即開(kāi)始之年。所用的數(shù)據(jù)，個(gè)位數(shù)以下一律以100為進(jìn)位單位，即用百進(jìn)位式的小數(shù)制，取消日法的分?jǐn)?shù)表達(dá)式。這部歷法，反映了當(dāng)時(shí)我國(guó)天文歷法的新水平。

值得一提的是，按照《授時(shí)歷》的推斷，大德三年（1299年）八月己酉朔巳時(shí)，應(yīng)有日食，“日食二分有奇”。但到了那一天，“至期不食”。是否《授時(shí)歷》錯(cuò)了？根據(jù)現(xiàn)代天文學(xué)推算，那天確實(shí)有日食發(fā)生，是一次路線經(jīng)過(guò)西伯利亞極東部的日環(huán)食。只是食分太小，加之時(shí)近中午，陽(yáng)光很亮，肉眼沒(méi)能觀察到罷了?！妒跁r(shí)歷》經(jīng)受住了時(shí)間考驗(yàn)。它在我國(guó)沿用了三百多年，產(chǎn)生了重大影響。朝鮮、越南都曾采用過(guò)《授時(shí)歷》。

晚年，郭守敬致力于河工水利，兼任都水監(jiān)。至元二十八至三十年，他領(lǐng)導(dǎo)開(kāi)辟大都水源的白浮堰，開(kāi)鑿由通州到大都積水潭（今北京什剎海）的大運(yùn)河最北一段——通惠河的修建工程。他不僅根據(jù)大都的地形地貌解決了通惠河的水源問(wèn)題，而且按地形地貌變化及水位落差，在運(yùn)河中設(shè)閘壩、斗門，解決了河水的水量和水位。他主持河工工程期間，制成一些精良的計(jì)時(shí)器至元三十一年，郭守敬升任昭文館大學(xué)士兼知太史院事。朝廷不許郭守敬卸職，任事直到八十六歲去世時(shí)為止。

郭守敬編撰的天文歷法著作有《推步》、《立成》、《歷議擬稿》、《儀象法式》、《上中下三歷注式》和《修歷源流》等十四種，共105卷。

歸結(jié)起來(lái)，郭守敬取得了領(lǐng)先世界水平的八項(xiàng)科技成就：在世界測(cè)量史上首次運(yùn)用海拔概念，比德國(guó)數(shù)學(xué)家高斯提出的平均海平面概念早560年；創(chuàng)造的簡(jiǎn)儀是最早制成的大赤道儀，比丹麥天文學(xué)家第谷創(chuàng)造的同類儀器早300多年；主持的緯度測(cè)量，比西方早620年；主持編制的《授時(shí)歷》，與現(xiàn)在世界通用的《格里歷》完全一致，但領(lǐng)先《格里歷》301年；創(chuàng)立的“招差術(shù)”，比英國(guó)物理學(xué)家牛頓提出的內(nèi)插法一般公式早396年；創(chuàng)造的報(bào)時(shí)鐘——大明殿七寶燈漏，比西洋鐘早400年；主持的邢州治水、西夏治水和大都治水，集灌溉、航運(yùn)、防洪為一體，在中國(guó)乃至世界水利史上是一大創(chuàng)舉，對(duì)當(dāng)今水利綜合治理仍有重要的借鑒意義；在西夏治水期間“挽舟溯流”探尋黃河之源，是第一次以科學(xué)考察為目的專程探尋黃河之源的偉大壯舉，并且首次提出了海拔的概念。

明末前來(lái)我國(guó)的德國(guó)傳教士湯若望稱贊郭守敬為“中國(guó)的第谷”。為紀(jì)念郭守敬的功績(jī)，人們將月球背面的一環(huán)形山命名為“郭守敬環(huán)形山”，將小行星2012命名為“郭守敬小行星”。

趙友欽——十三世紀(jì)末的光學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家

趙友欽（1279-1368），字子恭，號(hào)緣督，人稱“緣督先生”。江西鄱陽(yáng)人，宋末元初卓越的科學(xué)家，在天文學(xué)、數(shù)學(xué)和光學(xué)等方面都有成就。

趙友欽極為聰敏，天文、經(jīng)緯、地理、數(shù)術(shù)莫不精通。他注《周易》數(shù)萬(wàn)言，著有《革象新書》、《金丹正理》、《盟天錄》、《推步立成》等書，可惜除《革象新書》外的其他著述，都已失散了。

《革象新書》全書分五卷共三十二條，以筆記的形式寫成。書中絕大部分討論天文歷法問(wèn)題，同時(shí)也討論了物理學(xué)、數(shù)學(xué)問(wèn)題，其中有不少精辟的論述。

《革象新書》前四卷主要討論天文、歷法問(wèn)題論述了天體運(yùn)行的規(guī)律，由日東出西沒(méi)得出天道左旋的結(jié)論。討論了太陽(yáng)的影子長(zhǎng)短隨著晝夜、冬夏的變化，在地上立一木桿測(cè)量其影子長(zhǎng)短，得出東出西沒(méi)時(shí)影子最長(zhǎng)、日正中時(shí)影子最短、冬至、夏至?xí)r影子最長(zhǎng)的結(jié)論。討論了閏月、寒暑節(jié)氣、晝夜長(zhǎng)短、黃道損益等天文歷法問(wèn)題還著重討論了蓋天說(shuō)以及渾儀的制造、用途及其缺點(diǎn)，指出渾天儀不能測(cè)橫度的不足，并給出了一種測(cè)量橫度的新方法。

在“經(jīng)星定躔”一節(jié)，趙友欽提出了一種新的測(cè)量?jī)深w恒星赤經(jīng)之差的方法。他使用一套特制的漏壺，控制水的流量，使浮箭在一定的時(shí)間內(nèi)移動(dòng)一定的格數(shù)。另在一木架上依南北方向放置兩條平行的木條，其間留有一道窄縫，此縫隙正中恰好對(duì)準(zhǔn)當(dāng)?shù)氐淖游缇€。觀測(cè)者候于架下，當(dāng)某星出現(xiàn)于縫隙中央時(shí)即發(fā)呼聲，另一人即記下漏壺中浮箭的指數(shù)；由兩星過(guò)隙浮箭刻數(shù)之差就可算出它們的赤經(jīng)差來(lái)。這種利用兩顆恒星上中天的時(shí)刻差來(lái)求其赤經(jīng)差的方法，與近代子午線觀測(cè)的原理是完全一致的。

“橫度去極”一節(jié)則介紹了一種測(cè)量去極度或赤緯的方法，其設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，卻僅適于在地球赤道上使用。這一方法的主導(dǎo)思想是力圖把人在天中下的觀測(cè)轉(zhuǎn)化成人在天中的觀測(cè)：即先在東西方向上觀測(cè)赤道恒星在不同視天頂距時(shí)到中天所需的恒星時(shí)刻，從而算出真天頂距，再將此讀數(shù)刻在原來(lái)標(biāo)識(shí)天頂距讀數(shù)的位置上，這樣在子午方向上觀測(cè)時(shí)就可以直接讀出真天頂距的讀數(shù)。這也是一種子午觀測(cè)法。

書中還用兩個(gè)球做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證日、月食的產(chǎn)生，說(shuō)明日食是由月亮障住了太陽(yáng)造成的，將月障日同云障日進(jìn)行比較。此外，趙友欽還研究了“月體半明”的問(wèn)題。他將一個(gè)黑漆球掛在屋檐下，比作月球，反射太陽(yáng)光。黑漆球總是半個(gè)球亮半個(gè)球暗。人從不同位置去看黑球，看到黑球反光部分的形狀不一樣。他通過(guò)這個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)，形象地解釋了月的盈虧現(xiàn)象。他對(duì)視角問(wèn)題也有自己的看法。他說(shuō)：“遠(yuǎn)視物則微，近視物則大”，“近視物則雖小猶大，遠(yuǎn)視物則雖廣猶窄?！?/p>

《革象新書》第五卷則討論了有關(guān)的光學(xué)與數(shù)學(xué)問(wèn)題，涉及小孔成像、塔高測(cè)量及圓周率的計(jì)算。

《革象新書》中最為精彩的一節(jié)是“小罅光景”（罅就是小孔或狹縫），介紹了兩個(gè)關(guān)于小孔成像的光學(xué)實(shí)驗(yàn)，以此研究小孔成像規(guī)律，以及由此引申的物理現(xiàn)象。

第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是利用壁間小孔成像。趙友欽首先通過(guò)觀察日光通過(guò)壁間小孔所成的像，指出其大小及形狀并不依小孔的大?。ㄔ谝欢ǔ潭葍?nèi)）及形狀而變，只是其濃淡程度（即照度）不同而已；他也指出隨著像屏的移近（遠(yuǎn)），像逐漸變?。ù螅┳儩猓ǖ?；同時(shí)他還觀察到日食時(shí)通過(guò)壁間小孔而成的像與食分保持一致。

第二個(gè)實(shí)驗(yàn)則是一個(gè)更為復(fù)雜的大型實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)布置在一幢兩層樓房?jī)?nèi)。他在樓下兩個(gè)相鄰房間內(nèi)各挖一圓形旱井，井的直徑均為四尺多，其中左井深八尺，右井深四尺，左井內(nèi)還放了一高四尺的桌子。另有口徑約四尺的圓板，各密插1000支蠟燭作為光源，放在桌上和地上。再在井口加蓋其中心開(kāi)孔的板，其中左板中心開(kāi)寸許方孔，右板中心的方孔多開(kāi)大半寸。樓板作為固定像屏，在樓板上再懸掛兩塊所謂“絕板”。

實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)是很巧妙的。實(shí)驗(yàn)布置在相鄰房間內(nèi)，若同時(shí)成像，則便于對(duì)比。千燭光盤可改變光源的形體、大小，左井內(nèi)的小桌可改變物距，兩井蓋小孔尺寸的不同可比較像的明暗?！敖^板”的設(shè)置，既可換不同形狀、大小的開(kāi)孔板和改變孔板的位置，又可將木板作為活動(dòng)像屏。

趙友欽運(yùn)用對(duì)比實(shí)驗(yàn)，觀察到孔大則像與孔的形狀相同，孔小則像與光源形狀相同。他還進(jìn)一步研究了小孔成像時(shí)光源、小孔、物距、像距對(duì)像的影響，并運(yùn)用分析推理，根據(jù)光的直進(jìn)性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了科學(xué)的解釋。

趙友欽繼承了墨家學(xué)派不尚空談、注重實(shí)踐的科學(xué)精神，從實(shí)際出發(fā)，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段，有目的地探索自然規(guī)律。在安排實(shí)驗(yàn)步驟時(shí)，每個(gè)步驟都確定一個(gè)因素作為研究對(duì)象，而將其他的因素控制不變。這種思想方法是十分科學(xué)的。如果把趙友欽稱之為十三世紀(jì)末的光學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，他是當(dāng)之無(wú)愧的。