創(chuàng)制儀器

我國(guó)古代以農(nóng)為本，農(nóng)事與歷法密切相關(guān)。元朝初年，沿用金朝的重修《大明歷》，誤差日增，“前日中秋節(jié)，今霄月方圓”，尤其嚴(yán)重的是連農(nóng)事活動(dòng)所遵循的二十四節(jié)氣的推算也失準(zhǔn)，影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，在人民生活中也造成了某些紊亂。為此，重新修改歷法已是迫切需要的。

對(duì)歷法的改革，劉秉忠曾上書(shū)忽必烈，只因當(dāng)時(shí)元朝統(tǒng)一中國(guó)的戰(zhàn)爭(zhēng)尚在進(jìn)行，難以實(shí)現(xiàn)。不久劉秉忠去世了。1276年，元軍攻陷南宋國(guó)都臨安，至此，長(zhǎng)江南岸全部歸順元朝，天下一統(tǒng)。這時(shí)，忽必烈才采納劉秉忠改制歷書(shū)的建議，在北京設(shè)立太史局，由張文謙、張易牽頭領(lǐng)導(dǎo)，王恂、郭守敬等具體負(fù)責(zé)新歷的編算工作。

改歷之初，郭守敬首先指出：“歷之本在于測(cè)驗(yàn)，而測(cè)驗(yàn)之器莫先儀表”。他曾焚毀陰陽(yáng)偽書(shū)，破除迷信，堅(jiān)持科學(xué)態(tài)度，集中精力研制新的觀(guān)測(cè)儀器，并本著簡(jiǎn)化、實(shí)用兩條原則，在1276年—1279年間，先后研制出簡(jiǎn)儀、高表、候極儀、渾天象、仰儀等十八種天文儀器?！对贰ぬ煳闹尽贩Q(chēng)這些儀器“臻于精秒，卓見(jiàn)絕識(shí)，蓋有古人所未及者”。其中最重要的是簡(jiǎn)儀和高表。

高表，是在我國(guó)傳統(tǒng)八尺圭尺的基礎(chǔ)上，增高5倍，又稱(chēng)四丈高表。河南登封告城鎮(zhèn)的觀(guān)星臺(tái)，就是郭守敬親自設(shè)計(jì)，主持建造的建筑式高表，它是用來(lái)觀(guān)測(cè)日影長(zhǎng)短，推算回歸年長(zhǎng)度和二十四節(jié)氣時(shí)刻的天文觀(guān)測(cè)儀器。簡(jiǎn)儀是一大創(chuàng)造，它是在我國(guó)傳統(tǒng)觀(guān)天儀器渾儀的基礎(chǔ)上，創(chuàng)制的一種新型的觀(guān)天儀器，在結(jié)構(gòu)上屬于赤道坐標(biāo)系。

因此，郭守敬又是赤道裝置的創(chuàng)始人。簡(jiǎn)儀比1598年丹麥天文學(xué)家第谷制造的同類(lèi)儀器早300余年。明末來(lái)中國(guó)的德國(guó)傳教士湯若望曾贊揚(yáng)郭守敬為“中國(guó)的第谷”。另外，郭守敬還創(chuàng)制了玲瓏儀、寶山漏、大明殿燈漏、屏風(fēng)香漏、行漏等多件天文觀(guān)測(cè)、計(jì)時(shí)儀器。

四海測(cè)驗(yàn)

為了提高新歷法的精密程度，在儀器研制工作即將完成時(shí)，王恂、郭守敬聯(lián)名上書(shū)忽必烈，提出重建司天臺(tái)（即天文臺(tái)）。忽必烈采納了他們的意見(jiàn)，改太史局為太史院（即北京司天臺(tái)）。大都司天臺(tái)不僅建筑宏偉，設(shè)備完善，而且網(wǎng)羅人才眾多，是當(dāng)時(shí)世界上最大的天文臺(tái)。

1279年，郭守敬又上書(shū)忽必烈，要求在全國(guó)建立天文觀(guān)測(cè)站進(jìn)行長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)。上奏時(shí)間從早晨到傍晚，忽必烈細(xì)心傾聽(tīng)，興致勃勃，十分贊賞。于是立即派十四名監(jiān)候官，分幾路出發(fā)，在“東至高麗（今朝鮮），西極滇池（今云南），南逾朱崖（今西沙附近），北盡鐵勒（今俄羅斯的東西伯利亞）”的廣大區(qū)域內(nèi)，設(shè)立了二十七個(gè)測(cè)量所（即天文觀(guān)測(cè)站），分別測(cè)量當(dāng)?shù)囟梁拖闹寥沼伴L(zhǎng)度、晝夜時(shí)刻數(shù)及北極出地高度。這就是著名的四海測(cè)驗(yàn)。郭守敬對(duì)這次觀(guān)測(cè)進(jìn)行了總體規(guī)劃，合理布局，科學(xué)選擇觀(guān)測(cè)站的位置。他為了掌握第一手資料，跋涉千里，領(lǐng)導(dǎo)了大都——河南——南海方面的實(shí)施觀(guān)測(cè)工作。通過(guò)長(zhǎng)期的天文觀(guān)測(cè)，得到了大量、精密的天體運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)，為編制新歷法創(chuàng)造了條件。

編制歷法

編歷工作從1276年開(kāi)始，到1280年，經(jīng)過(guò)了四年多時(shí)間完成。忽必烈取“敬授民時(shí)”之意，為新編歷法賜名《授時(shí)歷》。1281年正月初一，新歷法正式在全國(guó)頒布實(shí)行。它雖然是多數(shù)人的集體創(chuàng)作，但郭守敬卻是擔(dān)任了主要的工作，起了決定的作用。

《授時(shí)歷》有許多獨(dú)到之處，它采用的一些數(shù)據(jù)，由實(shí)際觀(guān)測(cè)得出，其精密程度，堪稱(chēng)當(dāng)時(shí)世界之最?！对贰贩Q(chēng)：“郭守敬等遍考?xì)v書(shū)四十余家，晝夜測(cè)驗(yàn)，創(chuàng)立新法，參以古制，推算極為精密”。比如它測(cè)定一回歸年長(zhǎng)度為365.2425日，與現(xiàn)在通行的《格里歷》（即公歷）回歸年數(shù)值一致，但《格里歷》頒布于1582年，比《授時(shí)歷》晚了301年。

郭守敬等人創(chuàng)立了相當(dāng)球面三角公式的算法，用于計(jì)算天體的黃道坐標(biāo)和赤道坐標(biāo)及其相互換算；創(chuàng)立了三次差內(nèi)插法，使天體位置算得更精確，比世界著名科學(xué)家牛頓提出的同類(lèi)公式早396年。還廢除了歷代編算歷書(shū)中的分?jǐn)?shù)計(jì)算，采用百進(jìn)位制，使計(jì)算工作大為簡(jiǎn)化。由于郭守敬等人的開(kāi)創(chuàng)性工作，使得《授時(shí)歷》成為我國(guó)古代最優(yōu)秀的歷法，它從元初一直使用到清初，長(zhǎng)達(dá)364年之久，并且還傳到朝鮮和日本等國(guó)。

大都治水

1291年，郭守敬年逾花甲，又轉(zhuǎn)而從事水利建設(shè)。當(dāng)時(shí)民間傳說(shuō)，灤河自開(kāi)平至永平河段，瀘溝河自麻峪至尋麻林河段，加以整治疏浚后，即可通行船只。元世祖一時(shí)不能決斷，便委派太史令郭守敬去考察。郭守敬沿兩河的新舊水道，仔細(xì)勘測(cè)后，認(rèn)為，兩條河道流域面積小，降雨量少，即使投入大量人力挖深河道，也會(huì)因缺乏水源，難以通行船只,建議元世祖忽必烈放棄這一計(jì)劃。郭守敬的真知灼見(jiàn)，避免了一次勞民傷財(cái)?shù)拇罄速M(fèi)，元世祖深為贊賞。與此同時(shí)，郭守敬建議開(kāi)挖北京至通縣的運(yùn)河，這樣可把通過(guò)南北大運(yùn)河從江浙運(yùn)到通縣的官糧，直接運(yùn)到北京城。

以前，從通縣到北京，全靠陸運(yùn)，花費(fèi)大量金銀不說(shuō)，而且一遇大雨陸運(yùn)非常困難。牲畜死傷，不計(jì)其數(shù)。元世祖采納郭守敬建議，令“當(dāng)速行之”。經(jīng)過(guò)兩年挖鑿，1293年，運(yùn)河通航，長(zhǎng)26公里。為了解決運(yùn)河的水源問(wèn)題，郭守敬不辭勞苦，走遍大都西北郊，查勘地形，尋找水源，選擇路線(xiàn)，最后他選擇了大都西北昌平神山腳下白浮、一畝等十多處泉水作為水源。為使泉水順利引入大都城，他設(shè)計(jì)出一條沿西山山麓長(zhǎng)達(dá)30公里的河渠，即著名的“白浮甕山河”。

為防止引水東泄，郭守敬設(shè)計(jì)在河渠東岸修筑了一條大堤，史稱(chēng)“白浮堰”，這樣將西山大部分地面水和地下水引入河渠。大致沿著50米等高線(xiàn)平穩(wěn)順利引入甕山泊，再注入大都城內(nèi)的積水潭。使南來(lái)的船只一路北上直達(dá)大都城內(nèi)積水潭。運(yùn)河開(kāi)通后，元世祖從上都返回北京，見(jiàn)到積水潭上“舳艫蔽水”，盛況空前，十分高興，欣然親自賜名為“通惠河”。

著書(shū)立說(shuō)

郭守敬博學(xué)多識(shí)，才華橫溢。一生中，他不僅腳踏實(shí)地做了大量實(shí)際工作，并且還嘔心瀝血寫(xiě)了大量科學(xué)巨著。

1280年，在《授時(shí)歷》剛剛編制完成，王恂去世。但歷書(shū)編算公式、計(jì)算方法及其精化工作，還沒(méi)有最后定稿。郭守敬隨即竭盡全力，精心整理，編成了《推步》七卷、《立成》二卷、《歷議擬稿》三卷、《轉(zhuǎn)神選擇》二卷、《上中下三歷注式》十二卷等二十六卷天文著述。1286年，郭守敬繼為太史令，仍埋頭研究天文、整理資料，續(xù)著《儀象法式》二卷、《時(shí)候箋注》二卷、《修改源流》二卷、《二至晷景考》二十卷、《五星細(xì)行考》五十卷、《古今交食考》一卷、《新測(cè)二十八舍雜座諸星入宿去極》一卷、《新測(cè)無(wú)名諸星》一卷、《月離考》一卷等七十九卷。著書(shū)總共一百零五卷。當(dāng)郭守敬把這些歷稿上奏朝廷后，即被全部深藏于宮庭以?xún)?nèi)。由于封建社會(huì)的禁錮，可惜的是，致使這些燦爛的科學(xué)文化大多失傳了。但郭守敬孜孜不倦，勤奮好學(xué)的精神卻永遠(yuǎn)流傳民間。

1316年，為祖國(guó)的科學(xué)事業(yè)辛勞了大半生的郭守敬去世了，享年八十六歲。他的遺體歸葬故鄉(xiāng)邢臺(tái)。邢臺(tái)城西北三十里，曾有郭守敬墓。郭守敬的一生，是勇于探索，在科學(xué)事業(yè)上不斷做出貢獻(xiàn)的一生。他的輝煌成就，將永遠(yuǎn)為我中華民族所驕傲；他那科學(xué)精神將永遠(yuǎn)激勵(lì)后人。