學究天人的大科學家——郭守敬

趙之珩

月球上有一座“郭守敬環形山”，我國有一架“郭守敬望遠鏡”，你知道郭守敬是何許人也嗎？今天，我們就來講講郭守敬的故事。

篤學好思，嶄露頭角

郭守敬是我國元代著名的科學家，他在天文學、數學、地理學、機械制造學、水利工程學等方面都做出了卓越貢獻，為了紀念他的功績，我國目前最大的光學望遠鏡——LAMOST就以他的名字命名。

郭守敬出生在公元1231年河北邢臺的一個書香世家。自幼喪父的郭守敬由祖父郭榮撫養長大。祖父郭榮是一位讀書人，不僅通曉四書五經，還精通數學、天文學和水利工程，結交了一批知名的學者。耳濡目染之下，郭守敬也十分熱愛科學技術，十歲時就能自己動手制作一些有趣的小玩具。十五歲時，他發現了一本深奧的天文學著作——《璇璣圖》。通過認真研讀，他弄清楚了書中的一個個原理，用竹篾（miè）制造了一架“渾天儀”。他還在院子里修筑了一座高臺，把渾天儀架于其上，并在旁邊放上一個小小的寫字臺，掛上一盞小燈籠。到了夜晚，他登上高臺，慢慢轉動儀器上的“窺管”，瞄準星星，測量它們的位置和運行路線，然后再伏案記錄。就這樣，少年郭守敬已初步掌握日月星辰的運行規律，長大后逐漸成為遠近聞名的年輕學者，每天都有許多仰慕者前來訪問和求教。

在郭守敬的青年時代，我國北方還在金國的統治下，后來塞北的蒙古國大軍跨過萬里長城，大舉南下打敗了金國，統治了北方，建立了元朝。因為北方經常鬧水災，元世祖忽必烈在公元1260年召集水利專家整治河道。29歲的郭守敬和他的老師張文謙被朝廷授予官職，到河北、河南一帶監督、指導河道整治工作。郭守敬非常認真，通過廣泛的考察，對河道的走向、水利設施情況、泛濫的原因等都做了詳細記錄，并繪制成地圖。忽必烈非常賞識郭守敬的才干，給予了嘉獎。

臨危受命，編制歷法

公元1276年，郭守敬45歲的時候，元朝的軍隊攻下了南宋的首都臨安（現今的杭州）。南宋滅亡了，元朝統一了中國。忽必烈把元朝的京城從燕北大草原遷移到了燕京（現今的北京），定名為大都。

國家統一后，人們急需一部全國統一的歷法，用以指導農業生產，而且此時距離一行編制《大衍歷》已經過去五百多年，舊的歷法也早已不適用。在忽必烈的敦促下，朝廷建立了一個編制歷法的“太史局”。郭守敬被招入京，進入太史局專門負責編制歷法。

編制新的歷法，從何處入手呢？郭守敬提出“歷之本在于測驗，測驗之器先于儀表”，也就是說要編歷法首先要進行觀測，在觀測之前必須先制造好觀測工具。郭守敬召集了幾十名匠人，在寬大的場院里搭起了一座大棚，棚底下修起了一座座大大小小的冶煉爐。郭守敬忙著設計觀測儀器、繪制圖紙，工匠們則按圖制造。郭守敬精通數理、天文學、機械制造，又有實際的觀測經驗，深厚的學養使他迸發出無窮的創造力，他先后制造出15種以上的新儀器，解決了許多觀測難題。他發明的“候極儀”，解決了給北天極定位的難題;他發明的“仰儀”能精確測量太陽方位，把太陽的影像投在一個“大鍋”內就可以測定日食從開始到結束的時刻;他發明的“玲瓏儀”能夠隨時測到每一顆星星在天空中的位置。這些儀器的復制品如今大都陳列在邢臺市的“郭守敬紀念館”里。

簡儀

郭守敬制造的最著名的儀器當數“簡儀”。在郭守敬以前，歷代天文學家都使用渾儀測定星辰的位置，渾儀的經度環、緯度環、黃道環、白道環、子午環、地平圈環環相套、復雜多變，轉動起來非常困難，各環之間還互相遮擋，常會掩蓋住要觀測的天體，給測量工作帶來很多麻煩。郭守敬用思辨哲學，反其道而行，將這些環一個個地分開，安裝在一個支架上，每個環都可以獨立旋轉，分別完成不同的觀測項目，不會互相干擾。這樣，他就把這種化繁為簡的儀器取名為“簡儀”。郭守敬設計的簡儀測量精度很高，代表了當時世界最高水平。英國的科學史專家李約瑟曾說：“對于現代望遠鏡廣泛使用的赤道裝置來說，郭守敬的簡儀堪稱‘先驅。”

巧用工具，躬身觀測

公元1279年，簡儀制造成功后，朝廷在大都建造了一座司天臺（現北京古觀象臺前身）。郭守敬就在這座司天臺上成年累月地進行天文觀測，他測量的黃赤交角度數為23°33′5.3″，與后來測得的當時真實的黃赤交角相比僅有1′6.8″的誤差。18世紀，法國著名的天文學家拉普拉斯在論述黃赤交角逐漸變小的理論時，引用了郭守敬的測定值，并對郭守敬的觀測給予高度評價。

通過測量每一年的冬至時間，郭守敬算出了一個回歸年的長度——365.2425日。三百年后，歐洲出現的《格里歷》采用的也是這個數據，非常接近當今的365.2422日。不僅如此，郭守敬還對1 000多顆恒星位置進行了測定，編制成了星表。這些都為制定新的歷法打下了堅實的基礎。

除了在司天臺進行觀測外，他還組織了全國范圍的四海測量，從東到西、從南到北，設立了27個觀測點，其中一個觀測點就是如今的河南登封觀星臺。這個觀星臺于公元1279年建成，臺高9.46米，量天尺長31.19米。每當正午時分，太陽光將臺頂的影子投射在量天尺上，從影子的長度就可以確定二十四節氣，冬至日影子最長，夏至日影子最短。郭守敬不辭辛勞，親自到南海、北疆去測量，取得了豐富的資料。

河南登封觀星臺

公元1280年，郭守敬已近50歲。這一年的二月，他和同事們根據累積的觀測數據，進行了精密籌劃，編制出一部嶄新的歷法——《授時歷》。從公元1281年起《授時歷》正式在全國頒行，且在此后一直沿用了三百六十多年。這部歷法匯集了我國古代歷法的精華，較前人的舊歷也更加精準。

公元1286年，郭守敬升為太史令;公元1301年，郭守敬年滿70歲，按照當時的官方規定，郭守敬已經可以退休了。他提出申請，可是皇帝并沒有批準，一直讓他連任到86歲去世。

明朝時，德國傳教士湯若望把郭守敬稱為“中國的第谷”。第谷（1546—1601）是丹麥的天文學家，比郭守敬晚生315年，他在汶島上建立了一座邊長為75米的正方形“觀天堡”，制作了13架觀測儀器，其中的渾儀直徑3米，精確度達到了1″。他觀測20年，測定了777顆恒星的位置，出版了《魯道夫星表》，為16世紀歐洲大航海的船只定位打下了基礎。1601年第谷去世后，他的學生開普勒根據他的觀測資料發現了行星運行的三大定律，也就是著名的“開普勒定律”。

第谷與郭守敬所做的貢獻有許多相似之處，他們也同為世界一流的天文學家，不過比較起來，第谷比郭守敬晚出生了300余年，湯若望應該反過來說第谷是“歐洲的郭守敬”才對！