郭守敬
郭守敬字若思。順德邢台(今河北邢台)人。元太宗三年(1231年)生;1316年卒。天文學、水利工程學。
郭守敬出生在一個殷實的家庭,從小跟隨祖父郭榮長大,得到良好的教育。郭榮不但通曉《五經》,而且精通數學和水利之學,這對郭守敬產生了很大的影響。約1246年,郭守敬得到一幅拓印的北宋燕肅的蓮花漏圖,依圖他能將這一計時儀器的原理講得十分清楚。他還曾依據古圖用竹篾紮製成渾儀,並積土為台,用紮製的渾儀進行恒星觀測。這些都顯露出年輕的郭守敬對天文觀測的濃厚興趣,和在儀器製作方麵的才華。
約1247年,郭榮把郭守敬送到他的老朋友劉秉忠處學習深造。劉秉忠是當時著名的學者,深通天文、數學、地理等學問,這時正在磁州西紫金山(今河北武安),與另兩位學識淵博的學者張文謙、張易一起讀書並研討學術,參與其間的還有一位少年朋友,名叫王恂,他比郭守敬小四五歲,也是才華出眾。郭守敬與這些良師益友朝夕相處,經過數年的共同學習和鑽研,學問大有長進,尤其是在天算曆法方麵打下了堅實的基礎。這些人後來先後出仕元廷,張文謙、張易,特別是王恂又都是參與製定授時曆的重要人物,他們此時的聚會,很可能已經對曆法改革的問題進行了初步討論。
約1250年,郭守敬返回家鄉。1251年,受張文謙等人的邀請,他在邢台參與了一項河道疏浚的規劃工作,妥善地設計了其中的關鍵工程,已在水利工程上嶄露頭角。此後數年中,他一直在家潛心學習與研究,不斷增長自己的學識。
1260年,應張文謙的邀請,郭守敬到大名(今河北大名一帶)任職,協助處理有關政務。其間,他考察了該地區的水利狀況以及地形水勢,多有心得。他還曾仿製成燕肅的蓮花漏,以供城市計時之用。
1262年,張文謙正式將郭守敬推薦給忽必烈。晉見時,郭守敬依據多年對水利的考察與思考,向忽必烈提出了興修6項水利工程的建議,受到了忽必烈的重視和讚賞,被授予提舉諸路河渠的職務。自此到1276年的10餘年中,郭守敬一直在水利部門任職,先後升任副河渠使(1263)、都水少監(1265)、都水監(1271)、工部郎中(1276)等職,分管以至全麵負責全國河渠、水利的治理工作。其間,他先後完成了修複西夏古渠、興修北京地區若幹水利設施、黃河下遊諸水係的整治等重要工程。
1276年,忽必烈詔令編製新曆法,為此設立了專門機構太史局,並任命王恂和郭守敬二人為主要負責人,先後參與改曆工作的還有張文謙、張易、許衡、楊公懿等人,他們各盡所能,分工合作,終於在1280年編成了新曆法,即著名的授時曆。在4年的編曆過程中,郭守敬共創製了簡儀、高表等17種天文儀器,並主持開展了一係列卓有成效的天文觀測工作,他還積極參與對前代曆法的研究和新曆法的編修,為授時曆的製定做出了重大貢獻。其間於1279年,忽必烈改太史局為太史院,詔令王恂為太史令,郭守敬為同知太史院事,共同負責太史院這一規模宏大的皇家天文台的籌建工作,郭守敬為太史院的規劃和建設付出了大量心血。
1281年,授時曆頒行天下,但由於時間緊迫,授時曆所采用的天文數據、天文表格以及推算方法都還未經縝密的考定,隻是一堆未經整理的草稿。到1282年,編製授時曆的主要參與者王恂、許衡、張易先後去世,張文謙、楊公懿則隱退還鄉,因此,完成定稿的工作全部落在了郭守敬身上。又經過約4年的艱辛努力,郭守敬撰成了《推步》7卷,《立成》2卷,《曆議擬稿》3卷,《轉神選擇》2卷和《上中下三曆注式》12卷,共5種26卷,圓滿地完成了這項任務。
1286年,郭守敬升任太史令,繼續進行天文曆法的研究工作。又先後完成了一批重要的天文曆法著作:《時候箋注》2卷,《修改源流》1卷,《儀象法式》2卷,《二至晷景考》20卷,《五星細行考》50卷,《古今交食考》1卷,《新測二十八舍雜座諸星入宿去極》1卷,《新測無名諸星》1卷,《月離考》1卷,共9種79卷。其中有對日、月、五星運動以及二至晷影、交食等的詳細考證,有關於曆法改革源流的論述,有關於天文儀器製造方法、尺度的詳細說明,有恒星位置測量的最新成果,它們是郭守敬對1276年以來,特別是新近的天文曆法工作進行的總結。這些與前述5種26卷合計14種105卷,構成了一個十分嚴密、完整的天文曆法巨著。
1291年,郭守敬又向忽必烈提出了興修10餘處水利工程的新建議,其中以修建通惠河工程最為重要。同年,忽必烈複置都水監這一統理全國水利的機構,命郭守敬兼職主管其事。1293年,通惠河通航,郭守敬又被任命兼提調通惠河漕運事。
1294年,由於在天文曆法以及水利工程上的傑出貢獻,郭守敬被任命為昭文館大學士,並兼管太史院的工作。這一年,他製成了七寶燈漏和木牛流馬。次年,他又製成櫃香漏、屏風香漏、行漏等計時儀器。1298年,他還製成了靈台水渾運渾天漏,並曾對京郊的一項水利工程提出重要的建議。後又曾試圖仿製張衡地動儀,可惜未獲成功。
1303年,郭守敬請求退休,但沒有得到批準,一直到1316年,卒於任上。
縱觀郭守敬的一生,他對科學技術的貢獻是令人讚歎不已的。在31歲以前,是他勤奮學習、增長才幹並在天文和水利方麵初露鋒芒的時期。31歲至45歲和60歲至62歲這兩個階段,他在水利工程方麵大顯身手,前後向朝廷提出了興修20多項水利工程的建議,治理了大大小小數百處河渠泊堰工程,其中有不少是高質量的水利工程,在中國古代水利史上寫下了光輝的一頁。46歲至59歲和63歲至67歲這兩個階段,他在天文曆法領域大放異彩,在天文儀器製造、天文觀測和曆法編算諸方麵都碩果累累,在中國古代天文學史上寫下了輝煌的篇章。史籍沒有關於郭守敬在去世前10多年時間裏的科技活動的記載,這可能是他的科技活動的休止期,一個創造欲望如此熾熱的科學家為什麼突然中止了他的求索,至今仍是一個謎。
郭守敬一生中創製的天文儀器不少於22種,其中有17種是他在參與編製授時曆的數年中創製的,它們分別是:
簡儀這是一種嶄新的測量天體位置的儀器,它是為克服傳統渾儀環圈繁多、眾環圈同心安置在技術上的困難以及運轉不夠靈活等弊病而精心設計的。它由兩組彼此獨立的儀器組合而成,第一組由赤經環、赤道環和百刻環組成,其中赤道環和百刻環重疊安置,二者之間平放四個圓筒形的短銅棍,這是世界上滾筒軸承的最早利用,可使赤道環靈活地沿固定的百刻環轉動;第二組由陰緯環和地平環組成。赤經環(或陰緯環)垂直安置於赤道環(或地平環)的環心之上,均可繞環心自由轉動,采取的是環圈垂直安置法。兩組儀器又均以線照準替代傳統窺管的小孔照準法。第一組儀器是赤道坐標裝置,可用於測量天體的去極度(沿赤經環)、入宿度(沿赤道環)和地方真太陽時(沿百刻環),這是世界上最早的大赤道儀;第二組儀器是地平坐標裝置,可用於測量天體的地平高度(沿陰緯環)和地平方位角(沿地平環),這與近現代的地平經緯儀相當。這兩組儀器具有統一的底座,又相距甚近,二者錯落有致,渾然一體。這就是著名的簡儀,它設計新穎、合理,結構嚴整、牢固,功能多樣,應用靈便。
候極儀它安置在簡儀赤經環轉軸的頂端,是一與赤道環遙相平行的小環圈。用它觀測北極星,令北極星在該小環圈內運轉,運轉的圓心即天北極的方向,使赤經環轉軸沿此方向安置。所以,它是使簡儀的赤道坐標裝置校正到正確位置上的重要儀器。由於它與簡儀組裝在一起,也可視作簡儀的一個構件。
立運儀即簡儀上的地平坐標裝置。
高表這是為提高晷影測量的精度而設計的,傳統的圭表表高一般為8尺,郭守敬將表高增至4丈,圭長亦相應增加。在北京,郭守敬先以木為表,後又以銅鑄表,表端均為一懸空的橫梁。而在河南登封縣,郭守敬建造了城牆式高表,係以磚砌為台,其中起高表作用的是台麵正中的垂直凹槽,橫梁置於凹槽的頂端,橫梁的中軸與圭麵垂直距離為4丈,圭麵自南向北延伸,圭麵中軸線兩側開有兩條平行的水槽,用於校正圭麵處於水平麵上。這一設計既十分別致,又十分合理和科學。
景符這是依小孔成象原理設計成的測影器具,它由一個2寸見方的框子和一片4寸長、2寸寬的銅葉組成,銅葉的一邊用樞紐與框子的一邊連接,可隨意轉動,銅葉的中間開一小孔。測影時將景符在圭麵上移動,令銅葉麵與陽光垂直,又令高表橫梁的影子正好平分米粒大小的太陽像圓麵,此時橫梁影子所指處,就是4丈高表的影長。從理論上講,高表比8尺表增長5倍,其測影精度應提高5倍,但由於表高影淡,在圭麵上很難看清楚橫梁的影子,景符的創造,則使影子清晰可見,所以,景符是保證高表測影精度得以提高的關鍵性器具。
窺幾其形製類似於幾案,在幾麵的正中開一長方形的缺口,與缺口相垂直裝有兩根中間帶有刀口的小木條。夜間觀測時,將窺幾置於高表圭麵上,沿南北方向移動,觀測者位於窺幾下,通過缺口移動幾麵上的兩根小木條,令它們的刀口分別與高表橫梁的上、下邊緣同所觀測的天體處於一條直線上。然後,在幾麵上取這兩根小木條所處位置的中點,由鉛垂線讀取圭麵上的圭長值,再用一定的數學方法便可求出天體南中天時的地平高度值。
仰儀它是一銅製的中空半球,宛如一銅釜,直徑約10尺,釜口向上,平放嵌入磚砌的台座中。取一根小木條讓其一端架在釜口的正南邊緣上,另一端附一銅片,中間開孔,令小孔正與半球心相重合。又取一根較短的小木條,令與前一根小木條垂直,兩端分別平放在釜口的東南和西南邊緣。通過釜口正南點和半球心在釜內壁作一大圓,由正南點向下沿該大圓弧40.75度(北京北極出地高度)處取一點,以此點為極心,在釜內壁繪出一極坐標網格,這就是與北京相應的赤道坐標網格。觀測時,令太陽光通過銅片小孔,成象在釜內壁上,由網格可以直接讀取太陽的赤緯值和地方真太陽時刻。若遇日食,食相可以連續在釜內壁成象,由此可以測定日食的初虧、食甚、複圓等的時刻和方位,以及食分的大小等等。