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        郭守敬:七百年前的中國科學之星

        2022-03-23 21:49:10李興濂
        同舟共進 2022年2期
        關鍵詞:西夏水利

        李興濂

        郭守敬,字若思,邢州邢臺縣(今河北省邢臺市)人,元朝天文學家、水利學家。1970年,國際天文學會將月球背面的一座環(huán)形山以“郭守敬”命名。1977年7月,經(jīng)國際小行星組織批準,中國科學院紫金山天文臺把1964年發(fā)現(xiàn)的太陽系的一顆小行星命名為“郭守敬”。

        郭守敬少有奇志,不喜玩樂,對數(shù)學、天文、水利有著濃厚興趣。少年時代的他,曾根據(jù)書上的一幅插圖,用竹篾扎出一架渾儀,還做了一個土臺階,把竹制渾儀放在上面,進行天文觀測。他還根據(jù)北宋科學家燕肅拓印的石刻蓮花漏圖,弄清了這種在當時最先進的計時儀器的工作原理。

        郭守敬十多歲時,祖父郭榮聽聞好友、大學問家劉秉忠因守父喪,正在邢臺西南的紫金山中結廬讀書,便把郭守敬送到劉秉忠的門下。劉秉忠也是邢臺人,郭守敬在他的指導下,專心地學習了三年,還結識了學者張文謙、張易、王恂等人,他們聚在一起研究探討天文歷法等,時人稱之為“邢州五杰”。后來,劉秉忠、張文謙和張易都成為元朝的開國重臣,對郭守敬的事業(yè)多有提攜,王恂則成為郭守敬終身摯友和同事,在《授時歷》的編制工作中,王恂的貢獻與郭守敬齊名。

        中統(tǒng)三年(1262年),張文謙向忽必烈推薦了郭守敬。郭北上應召時,把剛鑄好的一套蓮花漏運到燕京,取名為“寶山漏”。這套計時器構造精巧,水流均勻,計量時間很準確,后來成為元代司天臺(即國立天文臺)的計時工具。

        在邢臺縣的北郊,有一座石橋。金元戰(zhàn)爭時,這座橋被毀壞了,橋身陷在泥淖里。日子一久,竟沒有人說得清它的所在。郭守敬勘察了河道上下游的地形,對舊橋基有了判斷,根據(jù)他的指點,一下就挖出了被埋沒已久的橋基,此事在當?shù)匾鹆瞬恍∞Z動。石橋修復后,四方游民紛紛歸附,邢臺戶口增加了十倍。當時的文學家元好向還特意為此寫過一篇碑文——那一年,郭守敬剛剛20歲。

        元朝初年的歷法是遼金以來的歷法,已經(jīng)使用了200多年,誤差很大。至元十三年(1276年),元世祖決定設立“太史局”,重新修訂歷法,并任命郭守敬和王恂率領南北觀測天象的官員進行觀測和推算工作。

        在觀測天象中,首先需要解決儀表問題,郭守敬創(chuàng)制了簡儀、高表、候極儀、立運儀、仰儀、景符、窺幾等16種儀表,數(shù)量之多、質(zhì)量之精巧準確都超過前人。簡儀中使用了滾柱軸承,西方的類似裝置,是在200年后才由達芬奇發(fā)明出來。

        郭守敬在景苻、仰儀等儀器中運用了“針孔成象”的原理,這在中國光學史上是罕見的成就。300年后,利瑪竇在南京看到這幾件明初時從北京運到南京的天文儀器,贊嘆說:“其規(guī)模和設計的精美遠遠超過曾在歐洲看到和知道的任何這類東西。這些儀器雖經(jīng)受了二百五十年的雨、雪和天氣變化的考驗,卻絲毫無損于它原有的光榮?!?/p>

        郭守敬、王恂與尼泊爾建筑師阿尼哥合作,在大都興建了一座新的天文臺,這是當時世界上設備最完善的天文臺之一。郭守敬用創(chuàng)制的天文儀器進行了許多精密的天文觀測,從而使《授時歷》的編制有了可靠的觀測基礎。他測出一個回歸年數(shù)值為365.2425日,并派出14個觀測隊,到全國27處地點進行了天文觀測,史稱“四海測驗”。

        郭守敬從上都、大都開始經(jīng)河南轉(zhuǎn)抵南海,跋涉數(shù)千里,親自參與其中。他根據(jù)“四海測驗”的結果,參考了一千多年的天文資料,七十多種歷法,按照日月五星在太空運行的自然規(guī)律,終于在至元十七年(1280年)編制成新歷法。

        忽必烈對新歷法極為滿意,他按照《尚書·堯典》中“敬授民時”一語,將新歷法定名為《授時歷》,此后通用了360年?!妒跁r歷》推算出一個回歸年為365.2425日,即365天5時49分12秒,與地球公轉(zhuǎn)的實際時間只差26秒鐘,和現(xiàn)在世界通用的《格里高利歷》(比《授時歷》晚了三百多年)的周期一樣。

        從20歲開始邢臺治水,郭守敬的宦海生涯中2/3的時間都奔波在水利工地上。元世祖中統(tǒng)三年(1262年)春,張文謙向忽必烈推薦郭守敬,郭一連提出六項水利工程計劃。忽必烈當即任命郭守敬為“提舉諸路河渠”,掌管各地河渠的整修和管理工作。次年,他又被升任為副河渠使。元朝北部地區(qū)的水利建設和南北大運河的貫通,基本上都是郭守敬的功勞。其中,最能體現(xiàn)郭守敬非凡才能的工程,是修復西夏水利和開鑿通惠河。

        西夏水利是指原西夏興慶府(今寧夏銀川)一帶黃河兩岸的水利設施。早在秦漢時,這一帶就開鑿了許多河渠系統(tǒng),引入黃河水灌溉,成為西北地區(qū)的重要糧倉。但在蒙古滅西夏戰(zhàn)爭中,水利設施損壞殆盡,致使九萬多頃良田荒蕪。

        1264年,郭守敬在西夏深入考察實地資料,親率民工開挖疏浚,對原有的正渠、大小支渠“因舊謀新,更立閘堰”,使之煥然一新。整個工程在地方官民的支持下,不到一個季度就完成了。數(shù)萬項農(nóng)田得到了及時灌溉,渠水四達,稻菽豐收,使西夏再現(xiàn)了“塞北江南”的景象。當?shù)厝藶榇私⒘恕肮仙簟保⒘⒈约o其事。

        1265年,郭守敬自西夏返京途中,乘舟順黃河而下,行至東勝(今內(nèi)蒙古托克托),發(fā)現(xiàn)此段河可通漕運。他還考察了査泊、兀剌海一帶,認為這里的許多古渠修復后可再用。兩年后,忽必烈采納了郭守敬的建議,下令在此段黃河中開辟漕運,設置水上驛站,方便了西夏糧食外運,加強了西夏與元朝中央的聯(lián)系。這一年,郭守敬被任命為都水少監(jiān),協(xié)助都水監(jiān)掌管水利工程。

        從西夏回來后,郭守敬開始著手解決大都漕運的問題。由于設計周密科學,開挖的河道經(jīng)受了多次洪水的考驗,成功地使用了近三十年,特別是通過這些河道將西山大量的石料、木材運抵城內(nèi),有力支持了元大都的建設。但因通州地勢較低,大都附近水源有限,不能負擔起運河水量,郭守敬經(jīng)過反復實踐,設計出一套復雜而又精巧的水利系統(tǒng)。1293年,總長160多里的京通運河終于開通,實現(xiàn)了從杭州至大都的全線通航,漕運的糧食由每年幾萬石猛增到一百幾十萬石。忽必烈欣然將其命名為“通恵河”——郭守敬治水成功,才有了北京城700多年的定都史。

        此外,郭守敬還開建了甕山泊、積水潭兩座水庫,使運河中的水位保持相對穩(wěn)定的高度。為使引水平緩東流,保證漕運水量,郭守敬在運河上每十里設一閘,這些閘壩解決了因地勢落差大,水流容易一泄而過的難題,使運河保持了足以行舟的水量。這一創(chuàng)舉是郭守敬在水利史上的奇跡,如今的巴拿馬運河、長江三峽、葛洲壩等水利工程,仍采用這種方法解決行船的航運問題。郭守敬還提出以海平面作為基準,比較大都和汴梁兩地地勢高低的差別,這是世界上首次提出“海拔”的概念;他還曾溯黃河而上探尋黃河發(fā)源地,由此成為科學考察黃河源頭的先驅(qū)者。

        1298年,元成宗要在上都西北鐵幡竿嶺下開渠,郭守敬經(jīng)過實地勘查,了解到該地雨量集中,易發(fā)山洪,建議修建50至70步寬的大渠,然而,主管此事的官員認為沒有必要,施工中把寬度縮小了1/3。次年,大雨驟至,山洪溢出河渠泛濫成災,淹沒人畜、田地無數(shù),差點沖毀了皇帝行宮。元成宗不得不避水而走,他對大臣感嘆:“郭太史真神人也!”后來元成宗下詔,官員年滿70才可以退休,但郭守敬不能退休,此后元朝形成了天文官員不退休的制度。

        郭守敬的一生,歷經(jīng)四朝皇帝,足跡踏遍大半個中國,為我國的水利和天文事業(yè)作出了不可磨滅的貢獻。

        (作者系文史學者)

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