中古時代的天文學巨星郭守敬
在世界曆史的中古時代，歐洲正處於中世紀時期，古希臘天文學的光輝被淹沒了，天文學似乎出現了千年沉寂。當時，亞洲的中西部、埃及和西班牙是阿拉伯帝國的統治區，天文學還比較發達。而在世界的東方，中國天文學在上古時代誕生後一直沿著自己的道路獨立地發展著，在這過程中出現過許多著名天文學家，本文所介紹的郭守敬則是其中最傑出的一位。在世界上同一時期，他的天文學成就也是極其突出的，他不愧被譽為中古時代的天文學巨星。與此同時，他還以治水方麵的卓越貢獻而彪炳史冊。
少年顯天賦
13世紀初至30年代，中國的南方由南宋王朝統治，而北方由日益沒落的金朝和日益強盛的蒙古汗國統治。金哀宗天興三年(1234年)，成吉思汗之子、蒙古大汗窩闊台滅金朝，統一了中國北方。在這之前三年，即金哀宗正大八年(1231)，本文主人公郭守敬出生於邢州的邢台縣(今河北省邢台縣)。他出生時邢台已為蒙古汗國所轄。
郭守敬號若思，其父親大概在他出生後不久便去世了，所以郭守敬由其祖父郭榮撫養長大。郭榮粗通五經，熟諳數學、天文、水利等多種學術，給郭守敬以深刻的影響。少年的郭守敬不愛和年歲相若的孩子們嬉戲，而熱衷於讀書和觀察周圍的自然現象。據記載，他在十五六歲時曾獲一幅《蓮花漏圖》，蓮花漏是當時計時儀器壺中較先進的一種。因戰亂，那時已很難見到實物，郭守敬僅憑此圖加以琢磨，很快弄懂了它的原理。後來，在他31歲那年，據少年時的記憶獨立研製出一台蓮花漏。
郭榮有位老朋友劉秉忠博學多才，深通天文、算學、音律、術數等各種學問，受到成吉思汗之孫忽必烈親王的器重，把他留在親王府內當謀臣。大概在郭守敬十七八歲的時候，劉秉忠回家鄉邢州奔喪。3年服喪期間，他帶了一位名叫王恂的少年到邢台縣以西100多裏的紫金山閉門讀書。郭榮聽到這個消息，立即把郭守敬送至劉秉忠門下進修，王恂比郭守敬略小幾歲，他們兩人成了師兄弟和好朋友。3年後兩人的學業都大有長進，劉秉忠對他們很賞識。
大概正當劉秉忠3年服喪期間，忽必烈親王聽取了另一謀臣張文謙的意見，派良吏去治理地處南北要衝但因長年戰亂而農業凋零的邢州地區。張耕、劉肅被派到了邢州，他們采取了多種措施恢複農業生產，其中整治水道也為措施之一。邢州城的北郊有3條河流順著地勢從西向東流，最北的一條河道因泥沙堆積而淤塞，河水破堤泛濫，形成一片泥淖，中間的一條連河上架的石橋都陷於淤泥中，日子一久，連橋的所在處也找不到了。張耕、劉肅打算治理河道、修複石橋，便命年方21歲、剛師從劉秉忠3年後回家不久的郭守敬負責勘查和工程的治理設計工作。郭守敬通過現場實地勘測，提出了治理設計方案。根據他的方案，官府征調400多民工，挖出淤泥，疏通河道，使3條河流各有歸宿，通行無阻，連埋沒多年的舊石橋也被順利地挖了出來，重新架設在河上。去往北方的大路上，過往行人再也不用艱難跋涉於泥淖之中了，河流也得以通航，農田又得到了灌溉之利。這項工程的順利完工，首次顯示了郭守敬在治水工程方麵的傑出才華。
治水專家
蒙古蒙哥汗元年(1251)，蒙古王公大臣擁立成吉思汗之孫、窩闊台之侄蒙哥為大汗，於是蒙哥成了蒙古汗國的最高統治者。蒙哥把包括邢州一帶的廣大漢族居住地區的軍政大事全部交給其胞弟忽必烈親王掌管。為鞏固自身的統治，忽必烈采取了籠絡漢族士大夫階層和發展農業生產的方針。他召來在家鄉守喪的劉秉忠。蒙哥汗三年(1253)，他又讓19歲的王恂擔任其次子的伴讀。郭守敬暫未進入仕途，他留在家鄉潛心研究學問。
蒙哥汗九年(1259)秋，蒙哥汗在攻打四川合州的戰役中陣亡。翌年，忽必烈在一些蒙古軍事首領的支持和漢族謀臣的策劃下，打破大汗應由王公大臣推選的蒙古傳統，搶先自立為大汗，建都於開平(後稱上都，在今內蒙古多倫縣西北上都河北岸)，並參照中原傳統，下詔用年號紀年，這年便是中統元年(1260)。張文謙被封為“左丞”，不久又特派他兼任大名路(今河北省西南部地區)和彰德路(今河南省東北部地區)宣撫使。張文謙來到自己家鄉邢州，誠懇邀請郭守敬出山做他的助手。
當時，忽必烈的軍事力量主要用於蒙古族居住地區，與他的汗位爭奪者阿裏不哥和海都等人打內戰。忽必烈十分需要一個鞏固且能保障軍需供應的後方。因此，發展農業生產成了大名路、彰德路宣撫使張文謙的主要任務。郭守敬認為，治水是恢複和發展農業的一個根本問題。在張文謙的支持下，郭守敬在大名路、彰德路兩地區的各處奔波，認真勘察河流水渠分布，仔細研究地勢地形，周密考慮引哪條水、修哪些渠、能增加多少灌溉耕地的麵積等問題，最後逐漸在頭腦中醞釀出一套整治水利的地區規劃設想。
張文謙任大名路、彰德路宣撫使僅一年左右，便奉忽必烈之召返回都城開平。中統三年(1262)，張文謙向忽必烈推薦了郭守敬，稱許他“習知水利，且巧思絕人”。忽必烈很快召見了郭守敬。郭守敬向忽必烈彙報了自己在大名路、彰德路兩地區的水利勘察情況，提出了6條治水建議，並詳細闡述了每條建議中的工程方案及其效用。這些建議的實施，將對發展燕京(今北京市)以南、黃河以北的大片地區的農田水利灌溉和水上運輸帶來極大的好處。忽必烈對此深感興趣，他當即派郭守敬擔任提舉諸路河渠的職務，讓他經辦各地河道水利事宜。翌年，郭守敬又被提升為佩帶銀符的副河渠使。
郭守敬的6條治水建議未能一一得以實施，原因是在他的第一條建議獲準付諸實施之後，朝廷又派他去執行別的任務。中統五年，忽必烈更改年號，改稱這年為至元元年(1264年)。這年初夏，郭守敬被派到西夏一帶去視察河渠水道。幾個月後，忽必烈決定建都燕京，並將其改稱為中都。接著張文謙被派任西夏地區行政長官。西夏位於沿黃河的河套平原，一向是西北重要農耕地帶，很早就開鑿了許多灌溉渠道，但那時這些河渠大多已年久失修。在張文謙的領導下，郭守敬以副河渠使的職銜負責籌劃整修西夏古渠，計劃製定後，得到許多當地官員的支持，民眾也踴躍參加。不到一年時間，不僅疏浚了舊有河渠，還開辟了幾條新渠，同時設計修建了許多水壩、水閘來控製和調節河渠的水量。於是這一帶出現了渠水四達、稻麥豐收的景象。後來，西夏人民特意在當地建了一座生祠，來紀念他的功績。
至元二年(1265)，郭守敬回到中都，忽必烈升他為都水少監，這是掌管全國治水的中央官署的副長官。郭守敬升任都水少監時期，中都日益成為蒙古汗國的政治中心。但從華北平原利用天然水道和運河隻能到達離中都四十多裏的通州(今北京市通縣)，從通州到中都原先雖有一條運河，但因所引水源太小，流量有限，無法通航，有時甚至河水幹枯，因此通州和中都兩地間隻能依靠陸路運輸。郭守敬提出改引盧溝河之水為運河水源的方案，為防河水暴漲，還提出了開鑿減弱水勢的減水口的補充建議。經忽必烈批準，此計劃得以實施。但在至元三年(1266)完工後，並未完全解決水路運輸問題，主要原因是盧溝河挾帶泥沙太多，運河上不能加設可調節流量卻會阻礙泥沙衝走的水閘，同時由於引水後水流湍急，巨大的糧船無法逆流而上。但它對兩岸農田的灌溉則起了很大的作用。
至元八年(1271)，忽必烈建國號大元，中國曆史上的元朝便從這一年正式開始起算。翌年，忽必烈將中都改稱大都，成為元朝的統治中心。郭守敬於至元八年升任為都水監，即掌管全國治水的中央官署的正職長官。至元十三年(1276)，忽必烈將治水部門並入工部(掌管各種工程、水利等事務的中央官署)，郭守敬被封為工部裏的高級官員工部郎中，仍分管河工水利事務。郭守敬在任都水監和工部郎中任內，做了大量工作，勘察和治理過的河、渠、泊、堰以數百計，他還奉命沿著黃河和黃河故道測量地形，掌握了黃河以北縱橫數百裏地區內地勢的起伏變化，並繪出地圖，注明情況。
在長期負責河工水利工作中，郭守敬逐漸形成了地形相對高度的概念。元代齊履謙著的郭守敬傳記《知太史院事郭公行狀》中說，郭守敬“又嚐以海麵較京師至汴梁(今河南省開封市)地形高下之差”，即嚐試拿海平麵作標準來比較大都到汴梁不同地方的地勢高低之差，這是當今地理學中“海拔”概念的最早應用，也是他長期水利工作中的一項創造性成就。這一概念的提出遠比西方為早。
研製天文儀器
在金朝滅亡之後的三四十年中，南宋王朝與蒙古汗國處於南北對峙的局麵。但南宋王朝腐敗沒落，軍力衰弱，而忽必烈在一些漢族士大夫的謀劃下，治國有方，軍事強盛。至元十二年(1275)，忽必烈發兵攻打南宋王朝，軍事行動節節勝利，大軍直逼宋都臨安(今杭州市)。翌年，南宋恭宗趙投降。這以後，雖然宋室在文天祥、陸秀夫等人領導下，相繼擁立趙正曰、趙奮力抵抗了三年多，但大勢已去。至元十六年(1279)，南宋王朝完全覆滅，元朝政權一統全國的局麵形成。
中國曆代封建王朝都把製定和頒布曆法視為皇權的象征，忽必烈和他的謀臣們當然也這樣認為，再加當時舊有曆法錯誤甚多，的確也迫切需要一部準確的新曆。至元十三年(1276)，元軍一占領臨安，忽必烈就下令成立專門機構太史局(掌管天文、曆法的中央官署)，籌劃編訂新曆。此事起初由王恂具體負責，不久忽必烈又同意王恂等人的建議，把郭守敬從工部調到太史局來，負責儀器製造和天文觀測工作。兩年後太史局擴大為太史院，張文謙任該院最高領導人太史院事，王恂為太史令，郭守敬為同知太史院事。太史院還集中了全國許多天文學者和曆法工作人員。