陳 陸 石自靈

郭守敬：我國(guó)古代科技巨星

陳 陸 石自靈

郭守敬（1231-1316年）——我國(guó)古代科技的曠世奇才，和祖沖之等人被稱為我國(guó)古代卓有成就的科技大家。在他一生的科技成就中，有二十幾項(xiàng)遙遙領(lǐng)先當(dāng)時(shí)世界水平，為人類科學(xué)事業(yè)的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。

二十世紀(jì)七十年代，國(guó)際天文學(xué)組織把月球背面的一座環(huán)形山和太空中編號(hào)為2012號(hào)的小行星分別以郭守敬命名，以紀(jì)念他在天文學(xué)上的偉大貢獻(xiàn)。他在天文學(xué)及天文儀器制造中成績(jī)斐然，在水利方面的成就也同樣令世人驚嘆。

世界上里程最長(zhǎng)、工程最大、最古老的運(yùn)河——京杭大運(yùn)河，經(jīng)歷了三個(gè)很重要時(shí)期：一是春秋時(shí)期大運(yùn)河的肈始階段；二是于隋代開(kāi)鑿形成，并于唐宋得以發(fā)展；三是在元代成為溝通海河、黃河、淮河、長(zhǎng)江、錢塘江五大水系、縱貫?zāi)媳钡乃辖煌ㄒ馈?/p>

正是元代大科學(xué)家郭守敬，成就了大運(yùn)河發(fā)展的第三個(gè)高峰。

曠世奇才是這樣煉成的

我國(guó)古代能工巧匠和奇人異士不少，但翻開(kāi)我國(guó)浩如煙海的史書，能象郭守敬那樣在有生之年實(shí)現(xiàn)自己的理想，并能寫進(jìn)正史的人并不多。很幸運(yùn)，他生長(zhǎng)于在一個(gè)世勢(shì)造英才的大環(huán)境里，有一個(gè)師生提攜、精英協(xié)作的團(tuán)隊(duì)，加之其本人有濃厚的家學(xué)淵源，及不滿足于前人的科技成果，不拘泥于已有科技手段，學(xué)而篤于行。

大膽創(chuàng)新、勇于突破的精神，使郭守敬脫穎而出，成為我國(guó)古代歷史上杰出的科技巨星。

郭守敬，河北邢臺(tái)人，出生于元代初期。由于多年的戰(zhàn)亂，特別是北方金人與蒙古人之間連年不斷的戰(zhàn)爭(zhēng)與野蠻的掠奪，以及后來(lái)元朝與南宋政權(quán)之間多年的征戰(zhàn)，使得農(nóng)業(yè)遭到極大的破壞，百業(yè)凋弊，民不聊生。

元世祖在統(tǒng)一中國(guó)初期，為了鞏固自己的統(tǒng)治，不能不采取措施發(fā)展農(nóng)桑。

發(fā)展農(nóng)業(yè)離不了水利建設(shè)，耕田播種更要順應(yīng)天時(shí)。于是元世祖任用了一批人才，重新制定歷法，修筑和修復(fù)了一批水利工程。在這批人才中，就有郭守敬的老師劉秉忠、張文謙，在他們的推薦下郭守敬和他的同窗王恂也先后進(jìn)入元朝的朝廷。這批精英后來(lái)都在國(guó)家政務(wù)及科技方面做出了突出貢獻(xiàn)。

郭守敬自幼在祖父郭榮的教誨下成長(zhǎng)。郭榮精通五經(jīng)，熟知天文、算學(xué)、尤其擅長(zhǎng)水利。郭守敬在祖父的嚴(yán)格教育下，小小年紀(jì)就顯露出了罕有的科學(xué)才能和動(dòng)手能力。他十五六歲就能根據(jù)一幅“蓮花漏”圖，制作出北宋科學(xué)家燕肅創(chuàng)制的漏壺——一種結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、原理較深?yuàn)W的計(jì)時(shí)工具——蓮花漏。二十歲時(shí)經(jīng)過(guò)察勘和計(jì)算，他在邢臺(tái)附近，準(zhǔn)確判斷出一座被沖毀并掩埋在河中多年的石橋橋基的方位，為家鄉(xiāng)人們重新修橋立下了奇功。

為了使“巧思絕人”的孫兒能開(kāi)闊眼界，繼續(xù)深造，郭榮將郭守敬送到自己的好友劉秉忠門下去學(xué)習(xí)。劉秉忠是當(dāng)時(shí)有名的大學(xué)問(wèn)家，屆時(shí)正在家中服喪。他深通天文、算法、地理、音律等。

宋末元初，我國(guó)北方民間講學(xué)之風(fēng)興盛，志同道合的人們集聚在一起研討各種學(xué)問(wèn)。劉秉忠利用三年服喪時(shí)間，在邢臺(tái)家鄉(xiāng)附近的紫金山讀書講學(xué)，其中有他的好友張文謙等人，均是一些杰出人物。

北京京杭大運(yùn)河北端起點(diǎn)通州段景象。700多年前，元代水利專家郭守敬開(kāi)鑿?fù)ɑ莺?，京杭大運(yùn)河自此全線貫通，元、明、清整整三個(gè)朝代都倚仗著它來(lái)維系京城的糧食和物資供應(yīng)。攝影/羅先明/CFP

在那里郭守敬有幸結(jié)識(shí)了同窗王恂，一位數(shù)學(xué)、天文方面的天才少年。

劉秉忠、張文謙先后被召進(jìn)宮廷，擔(dān)負(fù)起國(guó)家政務(wù)以及天文、水利方面的要職，他們向元世祖推薦了自己的得意門生郭守敬和王恂。從此這兩位同窗便攜手步入元朝最高科研機(jī)構(gòu)，他們密切合作，互相協(xié)作，成就了天文歷法方面的多項(xiàng)成果。

俯望長(zhǎng)空 吐納星河 制定《授時(shí)歷》

在河南省登封市東南15公里的地方，有一座觀星臺(tái)。這是我國(guó)保存下來(lái)的古代觀測(cè)天文的為數(shù)不多的一座磚石建筑，已有700多年的歷史。它由臺(tái)身和石圭組成，臺(tái)身形如覆斗，臺(tái)上放有觀天象的石圭。這是元代大科學(xué)家郭守敬觀測(cè)和制定《授時(shí)歷》的地方，它代表了我國(guó)元代在世界天文學(xué)上的最高水平。

中國(guó)古代天文學(xué)在世界上一直較為領(lǐng)先，至元朝達(dá)到世界高峰。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與天文歷法密切相關(guān)。歷法準(zhǔn)確，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)方式才能更加精細(xì)。因?yàn)椴シN和收獲均有極強(qiáng)的季節(jié)性，早晚相差幾天，收成便大不相同。我國(guó)自古就重視天文歷法，《尚書·堯典》上就記載了堯任命專門官員觀測(cè)天文來(lái)制定歷法的事。

元朝初期沿用的是金朝舊的歷法，由于舊歷極不準(zhǔn)確，已嚴(yán)重影響到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。1276年元世祖遷都大都，決定采納已故劉秉忠的建議重修歷法，于是成立歷局，由張文謙負(fù)責(zé)。張文謙將歷局的事務(wù)和具體工作交給了精通天文、數(shù)學(xué)的王恂，王恂又請(qǐng)郭守敬負(fù)責(zé)天文儀器的制作和測(cè)量。兩人從此一生攜手同攀我國(guó)古代天文歷法新高峰。

上：北京朝陽(yáng)區(qū)高碑店漕運(yùn)廟會(huì)在高碑店漕運(yùn)碼頭遺址舉行。學(xué)生們?yōu)楣鼐吹裣窬传I(xiàn)花籃。攝影/京華時(shí)報(bào)張斌/CFP

下：北京朝陽(yáng)區(qū)高碑店漕運(yùn)廟會(huì)在高碑店漕運(yùn)碼頭遺址舉行。市民向運(yùn)河中拋灑花瓣以紀(jì)念水利先驅(qū)郭守敬。 攝影/程功/CFP

河北邢臺(tái)市各中小學(xué)校的學(xué)生和志愿者們，來(lái)到邢臺(tái)市達(dá)活泉公園開(kāi)展清明節(jié)祭奠先賢郭守敬的大型公祭活動(dòng)。 攝影/陳克家/CFP

工作之初，郭守敬就將天文實(shí)測(cè)放在最重要的位置。他提出“歷之本在于測(cè)驗(yàn)，而測(cè)驗(yàn)之器，莫先于儀表”的新主張。他創(chuàng)制和改進(jìn)了簡(jiǎn)儀、高表、候極儀、渾天象、仰儀、立運(yùn)儀、景符、窺幾等十幾件天文儀器儀表，為以后的觀測(cè)創(chuàng)造了良好的條件。

為了準(zhǔn)確編歷，他建議元世祖開(kāi)始一次史無(wú)前例的天文測(cè)量。元世祖接受了他的建議，派了14位天文學(xué)家，在國(guó)內(nèi)27個(gè)地點(diǎn)，進(jìn)行了大規(guī)模的“四海測(cè)量”，測(cè)量的中心站點(diǎn)便是登封的觀星臺(tái)。觀測(cè)從北緯15°的南海起，每隔10°設(shè)一個(gè)點(diǎn)，直至緯度65°。最南至西沙群島，最北至北極圈內(nèi)。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。法國(guó)大科學(xué)家拉普拉斯稱其具有“卓絕的精度”。

經(jīng)過(guò)郭守敬、王恂等人四年的觀測(cè)和計(jì)算，1280年春，一部新的歷法——《授時(shí)歷》終于完成。新歷法《授時(shí)歷》定一年為365.2425天，即365天5時(shí)49分20秒，與地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的實(shí)際時(shí)間，只差26秒鐘。與現(xiàn)今通行的《格里高利歷》（即俗稱的陽(yáng)歷）的周期值完全一致。但現(xiàn)今通用的公歷是從1582年開(kāi)始使用的，《授時(shí)歷》比它整整早了300多年，可見(jiàn)元朝時(shí)我國(guó)天文學(xué)上的水平是當(dāng)時(shí)任何一個(gè)國(guó)家都難以望其項(xiàng)背的。

俯瞰大地 經(jīng)緯山河 重整大運(yùn)河

郭守敬一生在水利方面成就卓著。他的大半生都獻(xiàn)身于水利工程的建設(shè)，他的足跡踏遍了大半個(gè)中國(guó)，先后治理了大小河流上百條。

1262年春，在他的老師張文謙的推舉下，31歲的郭守敬第一次覲見(jiàn)了元世祖忽必烈，便力陳其水利建設(shè)的六項(xiàng)大計(jì)。他以高遠(yuǎn)的目光，預(yù)見(jiàn)到元朝定都大都后，面臨的最大問(wèn)題是如何開(kāi)發(fā)和利用大都的水資源，因此在六條大計(jì)中第一條便是開(kāi)通通州至大都的漕運(yùn)河道。

他的建議得到了元世祖的大力贊揚(yáng)，當(dāng)下就任命他為提舉諸路河渠，掌管各地河渠的整修和管理等工作，下一年又升他為銀符副河渠使。

他面臨的第一個(gè)大的水利工程是治理寧夏一帶的黃河灌渠。公元1264年，郭守敬以河渠副使身份，隨同西夏中興等路行省(今寧夏、甘肅、青海一帶)長(zhǎng)官?gòu)埼闹t巡視寧夏，負(fù)責(zé)修浚因長(zhǎng)期戰(zhàn)亂被破壞淤塞的渠道。

當(dāng)時(shí)，寧夏兩條最長(zhǎng)的干渠——漢延渠、唐徠渠均都淤?gòu)U，不能發(fā)揮原有的灌溉作用。郭守敬實(shí)地考察地形水情之后，結(jié)合實(shí)際提出了“固舊圖新”的辦法，疏浚了舊渠道，開(kāi)挖了新渠道，建立了水閘，筑起了水壩。不到兩年時(shí)間，寧夏引黃灌區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)重現(xiàn)生機(jī)。原來(lái)四處逃荒的農(nóng)民又紛紛返回家園，開(kāi)荒種地，大興農(nóng)桑，塞上江南的面貌重現(xiàn)在黃河兩岸。寧夏的老百姓以最高禮儀——為他建立祠堂，來(lái)紀(jì)念他的功績(jī)。今天，寧夏唐徠公園還立有郭守敬塑像一尊，以紀(jì)念他不可磨滅的功績(jī)。

從隋唐至宋，大運(yùn)河都是以洛陽(yáng)為中心的一條南北運(yùn)輸線，到金元建都大都（北京）后，南北大運(yùn)河已無(wú)法滿足時(shí)代的需要。元大都，從統(tǒng)治半個(gè)中國(guó)的金朝的都城中都，一躍成為元朝政治、經(jīng)濟(jì)的中心，對(duì)于水資源的需求日顯重要。

作為都城，要滿足日益增長(zhǎng)的人口的日常用水、宮廷林園澆灌的需要，更要完成每年從南方往都城調(diào)運(yùn)幾百萬(wàn)石糧食的任務(wù)。

但元朝初期，南方幾百萬(wàn)石糧食和大量物資的運(yùn)輸，主要依靠隋朝開(kāi)鑿的南北大運(yùn)河和華北的幾條河流。老的大運(yùn)河從洛陽(yáng)至杭州走了一條“弓形”，且最北端只達(dá)通州，從通州至元大都還要依靠陸地運(yùn)輸。

為了縮短從元大都至杭州要繞道洛陽(yáng)的航運(yùn)路線，元世祖先下令開(kāi)鑿臨清至濟(jì)州之間的運(yùn)河。工程分兩期進(jìn)行：先開(kāi)濟(jì)州河，再開(kāi)會(huì)通河。濟(jì)州河南起濟(jì)州（今濟(jì)寧市）南的魯橋鎮(zhèn)，北至須城（今東平縣）的安山，長(zhǎng)150里。會(huì)通河南起安山，接濟(jì)州河，鑿渠向北，經(jīng)聊城，到臨清接衛(wèi)河，長(zhǎng)250里。這兩段運(yùn)河開(kāi)鑿成功后，南方來(lái)的糧船可經(jīng)此段運(yùn)河到達(dá)通州。

但從通州至元大都的運(yùn)輸，仍要靠車?yán)R馱，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且耗費(fèi)巨大。每至雨天道路泥濘，山陡路滑，車馬倒斃，役夫苦不堪言。解決通州至元大都的漕運(yùn)，是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的大事，是從金朝到元代的統(tǒng)治者最糾結(jié)的問(wèn)題。

金朝大定年間，曾開(kāi)鑿過(guò)一條京都至通州的運(yùn)河：自渾河（今永定河）引水東下，過(guò)京都向東，注入通州城東的白河。由于永定河水泥沙過(guò)多，常常淤積，洪水來(lái)時(shí)，河水泛濫成災(zāi)。一次發(fā)大水，幾乎將京城淹沒(méi)，于是當(dāng)局不得不將其上游堵塞。漕運(yùn)的問(wèn)題便以失敗告終。

至元朝后，漕運(yùn)的問(wèn)題幾經(jīng)波折，最終還是在郭守敬手中得到解決。

郭守敬先是引元大都附近玉泉山的清泉，利用金朝時(shí)舊運(yùn)河的河道，引水至通州。可惜一條泉水的水量有限，難以承載巨大的漕運(yùn)量。

接著郭守敬又改用水量充沛的渾河的水流。為了解決泥沙問(wèn)題，他在上游修了分水閘，遇到洪水時(shí)，可將一部分水流從分水河分出，以減少運(yùn)河下游的水量，避免了河水的泛濫。

社會(huì)各界人士參觀郭守敬紀(jì)念館。攝影/黃濤/CFP

但因上下游水流的落差太大，要控制水流的流速，必須修筑閘門。而河流的泥沙過(guò)多，容易將閘門淤死。最終運(yùn)河修成以后，因無(wú)閘門控制水流，運(yùn)河的流速過(guò)大，漕運(yùn)的船只難以航行，漕運(yùn)又一次宣告失敗。

如何將泥沙、水量、河道的坡度，這三個(gè)問(wèn)題統(tǒng)籌考慮妥善解決，成了困擾郭守敬的最大問(wèn)題。

郭守敬又一次踏勘元大都周圍山區(qū)的泉流和水道。經(jīng)過(guò)其認(rèn)真勘察和精密測(cè)量，發(fā)現(xiàn)大都城西北30公里外的神山（今鳳凰山）下有一眼白浮泉，水量充沛，而且海拔高于大都城10米，離都城的直線距離僅為60多華里。問(wèn)題是引水直線向東，要經(jīng)過(guò)沙河和清河的兩大河谷，而兩河谷的地勢(shì)均低于大都。

郭守敬大膽決策，先將白浮泉水背離大都方向引向西行，沿著西山山麓開(kāi)渠轉(zhuǎn)向東南，繞開(kāi)兩個(gè)河谷，沿平緩的山坡一路匯集西山上流下的眾多泉水，導(dǎo)入甕山泊（昆明湖的前身）。雖說(shuō)運(yùn)河增加了里程，卻增加了水量，又減緩了河道的坡度，而沿途接納的清泉含泥沙少，又避免了泥沙淤積，便于修筑閘門，利于漕運(yùn)船只航行。

元世祖對(duì)郭守敬的新方案極為重視，命郭守敬兼職領(lǐng)導(dǎo)，并且調(diào)動(dòng)幾萬(wàn)軍民，在1292年（至元二十九年）春天動(dòng)工。這條從神山到通州高麗莊，全長(zhǎng)160多華里的運(yùn)河，連同全部閘壩工程在內(nèi)，只用了一年半的時(shí)間，到1293年秋天就全部完工了。

當(dāng)時(shí)南方來(lái)的船舶可以一直駛進(jìn)大都城中的積水潭（包括現(xiàn)今的什剎海、后海一帶）。史載，當(dāng)年元世祖忽必烈從上都?xì)w來(lái)，“過(guò)積水潭，見(jiàn)舳艫蔽水，大悅”，于是命名這條河為通惠河。

通惠河是南北大運(yùn)河最北端的一段，自通惠河開(kāi)鑿成功后，新的南北大運(yùn)河全線開(kāi)通。新的大運(yùn)河全長(zhǎng)1700多公里，它由隋朝的“弓形”，改為南北縱向的“直弦”，航程縮短了900多公里。大運(yùn)河將海河、黃河、淮河、長(zhǎng)江、錢塘江五大水系連接起來(lái)，密切了元大都與最富庶的江南的聯(lián)系，促進(jìn)了元朝經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

南北大運(yùn)河自元代起使用，至明、清均得到維護(hù)，并一直沿用至20世紀(jì)初葉。

科技巨星 世代景仰

在北京什剎海西海的西北角有一個(gè)鬧中取靜的去處，那里假山疊石，樹(shù)林蔥郁。從曲折的小徑，沿清流前行，在一小丘之巔有一座“匯通祠”，這里便是郭守敬紀(jì)念館。

匯通祠建于元代，是當(dāng)時(shí)的“北水關(guān)”，通惠河的河水當(dāng)年便是從這里的一個(gè)噴水的大石螭流出，然后進(jìn)入北京城的。當(dāng)年郭守敬就曾長(zhǎng)期在此主持全國(guó)水系的水利建設(shè)的設(shè)計(jì)。

從紀(jì)念館內(nèi)的“什剎海與元大都縮略圖”、元代水關(guān)模型、元代糧船鐵錨等，可以想見(jiàn)通惠河開(kāi)鑿成功后，漕運(yùn)終點(diǎn)——元大都當(dāng)年千帆聚泊、萬(wàn)船競(jìng)渡的熱鬧、繁盛的場(chǎng)面。

通惠河的開(kāi)通，給北京城帶來(lái)了富庶、繁華，它無(wú)疑成了北京城建史上重要的里程碑。

著名科學(xué)家侯仁之指出，通惠河修建中，郭守敬在世界首次運(yùn)用了以海平面為基準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量方法，顯示了當(dāng)年郭守敬在勘測(cè)設(shè)計(jì)施工的高超水平。

郭守敬還是以科學(xué)考察為目的探尋黃河源頭的第一人，只是他的考察結(jié)果未能保存下來(lái)。

遺憾的是，在郭守敬晚年，元代統(tǒng)治者迅速腐敗，他們忙于享受和爭(zhēng)權(quán)奪利，早已失去了當(dāng)初積極進(jìn)取的精神，郭守敬也因此失去了潛心科研的政治和社會(huì)環(huán)境，合作伙伴王恂也在制定出《授時(shí)歷》不久病逝，合作團(tuán)隊(duì)離散，郭守敬也再也沒(méi)有什么重大的科研創(chuàng)制。但不甘寂寞的他，又開(kāi)始埋頭著書立說(shuō)，完成了《推步》、《月離考》等105卷科學(xué)著作。

1316年，郭守敬這位元代的科技巨星殞落了，享年86歲，他為我國(guó)科研事業(yè)整整工作了60多年。

漫步展館，睹物思人，感慨萬(wàn)端，“天地有正氣，雜物賦流形。下則為河岳，上則為日星……”南宋著名詩(shī)人文天祥的詩(shī)句驀然涌上心頭，這正是郭守敬吞吐日月，經(jīng)緯山河，甘于奉獻(xiàn)、勇于創(chuàng)新精神的真實(shí)寫照。他的精神已化為以他的名字命名的星月，與天地共存，與日月同輝。

（編輯/于翔漢）