世界科技全景百卷书（81）天文学家.pdf

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1、更多好书请点击 www.uus8.org天文学家更多好书请点击 www.uus8.org张衡勤学不倦张衡这个响亮的名字，至今仍回荡于宇宙。他就是我国 1 8 0 0 多年前出现 的一位伟大的科学家，是天文学的奠基者，是地震学的鼻祖。人民为了纪念 这位伟大的科学家，于 1 9 5 6年重新修复了“平子读书台”和张衡墓。1 9 7 0 年国际天文台把月球背面的一座环形山命名为“张衡山”，1 9 7 7 年又把太阳 系中一个编号为 1 0 8 2 的小行星命名为“张衡星”，以此来纪念张衡为人类做 出的重大贡献。然而，令人遗憾的是，这位伟大的科学家仅仅活了 6 2 岁，他 这短暂的一生是为科学奋斗的一

2、生。他给人类留下的不只是丰硕的科学成 果，而更珍贵的则是他那种身在逆境之中，置个人荣辱于不顾，冲破世俗观 念，为科学奋斗的精神，至今仍是鼓舞人们奋进的航标。 张衡，字平子， 东汉建初三年 （公元 7 8 年） 生于南阳郡西鄂县石桥镇 （今 河南省南阳县）。祖父张堪曾任过蜀郡太守和渔阳郡太守，为政清廉，劝民 耕种，发展农业，深受人民的爱戴，去职后家无余财。张衡虽然生在官宦之 家，但是，家境却很贫寒，生活清苦维艰，时常靠亲友的救济渡日。贫寒的 生活条件是磨炼坚强意志的最好武器，而成功往往产生于困苦的磨炼之中。 所以，贫苦的生活对张衡的成长不无益处，使他亲身体会到封建社会下层人 民的疾苦，从小养成坚

3、韧不拔的品格，为后来在逆境中奋斗打下了良好的基 础。张衡是乡里有名的聪慧好学的少年。他学习非常刻苦，在小油灯底下， 一学便是通宵，废寝忘食，不知疲倦，有人称赞他的学习精神“如川之逝， 不舍昼夜”。此时他喜爱文学，精读了许多儒学典籍。正是他这种刻苦追求 知识的精神，使他成为伟大的科学家。 张衡有着超出时人的苦心孤诣地追求真理的意志。他不满足书斋求知， 不效仿摇头晃脑地背诵教条，也不拘泥于经卷所云。当他十六七岁时便走出 “书斋”，辞别家人，开始游历，进行实际考察，以增强知识，开拓视野， 了解民情。他游历了京都“三辅”，踏遍名山大川，考察自然景物、风俗人 情。登骊山，观秦王墓，感慨万千。他对人民的饥

4、苦，时政的弊端，官吏的 骄奢，看在眼中，用心思索，仿照班固的两都赋精思十年，写出著名的 二京赋，以丹青妙笔揭露时弊，讽谏当朝。 张衡的求知欲驱使他去洛阳访各家名儒，参观太学。太学是封建社会的 最高学府，当时，若想上太学，必须由县令举荐才行。张衡则勇敢地跑到京 都毛遂自荐。因张衡求学心切，学识超群，又很谦虚，感动了各位名儒，便 破例收他就读于太学。张衡在太学府精心研读了“五经”、“六艺”。依照 当时读书人的惯例，学习了“五经”、“六艺”作官是足够用了，可是，张 衡有志，读书不为追逐高官厚禄，而是为寻求真理，追求知识。所以，他求 知的欲望永无满足，他又潜心研读了杨雄的太玄经。太玄经是一部 讲天、地

5、、人的道理并带有朴素的唯物主义观点的哲学著作，这涉及天文、 历法、数学等知识，这引起张衡的极大兴趣。其中，杨雄朴素的唯物主义观 点，对他的影响尤深，它改变了张衡的命运，从此，把他引上了科学之路。 他很崇拜太玄经，把它与圣人留下的经典相提并论，撰写了玄经注， 还绘制了玄经图，可见张衡对这本哲学著作研究之深湛。功夫不负有心 人，知识总是把最高的恩典赐给专心致志为它献身的人，所以张衡成为知识更多好书请点击 www.uus8.org全面而精深的人。他于黄老、儒墨、道家之外，自成一家，走上了为科学奋 斗的道路。尤致思于天文、阴阳、历法，时人称其为勤学不倦的 “南阳通人”。逆境中奋斗张衡的行动，已无声地宣

6、告他为科学献身的决心。他选择了一条艰难而 光明的道路。他的一生是处在“图谶”邪说盛行，世俗小人妒忌，宦戚权贵 们诬陷诽谤的逆境之中。由于张衡正直，聪慧的品格和渊博的学识给了他无 限的勇气和智慧，使他敢于向恶势力挑战。张衡作了二京赋之后，名声 大振，安帝（刘祜）听说张衡有才华，便下诏指名要张衡进京初任郎中。元 初三年（公元 1 1 5 年）又升为太史令。太史令负责朝廷观测星象，编制历法， 候望气象，调理钟率和编撰史书等工作。张衡在朝为官总是以求实的科学态 度对待一切事情，凡事都有独到的见解，不随波逐流，也不人云亦云。他冒 着犯上违背刘氏皇祖圣命的危险，向推崇“图谶”邪说的权势们挑战，凭借 他的渊

7、博知识，无情地揭露这股势力的虚伪性，以当时的事实批驳“图谶” 邪说。 “图谶”邪说兴起于西汉衰败之际，当时统治者日趋奢侈，朝政腐败， 对人民的剥削加重，加之自然灾害连年不断，致使民不聊生，起义时有发生。 统治者为了强化他们的统治，以挽救衰败局面，邪说四起，“图谶”邪说兴 于此时。谶有图有字，所以又叫“图谶”。它是鬼神学说，用它来解释书经 典籍，预卜吉凶，主要宣扬“王权神授”、“天人感应”等唯心思想，以此 欺骗人民，很受统治者的青睐，被尊为“朝章国典”。 东汉初年，汉光武帝刘秀也非常崇尚“图谶”邪说，奉为圣典，致使谶 学之说久兴不衰，直到安帝时这股邪说仍然盛行，把“图谶”之学说成是先 王的经典。

8、当时读书人要升官发财，除博贯五经以外，还要“兼明图谶”之 说，这是仕途的章法，可见“图谶”之学在宦海之中的价值。 张衡任太史令时，推行的是“四分历”，权贵们借“图谶”反对“四分 历”。张衡把自己的升迁置之度外，逆流而上，凭借他的学识和科学的态度， 勇敢地批驳了“图谶”邪说，揭露大肆宣扬“图谶”者虚妄，并向安帝提出 请禁绝图谶疏。他在上疏中以不可争辩的事实指出图谶学的虚伪之处： “图谶”不是圣人之法，而成于哀、平之际。指斥“图谶”是那些虚伪之徒 为了追求功名利禄编造出的谎言。严正指出，言谶学者，不研究实际学问， 只讲邪说诬语，就像画工不肯画犬马，只愿画鬼怪一样，因为犬马是实实在 在的实物，人人可

9、见，画得不象，就要受到指责。鬼怪无形，随意涂抹，谁 也无法挑剔，这是虚妄之徒的骗人术。张衡以形象的笔触深刻地揭露出谶学 及其推崇者的虚伪实质，并大胆提出废除“图谶”，“一禁绝之”。张衡有 根有据的批驳令皇帝折服，提升张衡为侍中。 张衡自永初五年（公元 1 1 4年）入朝为官，至顺帝阳嘉元年（公元 1 2 6 年）前后任郎中、太史令、公车司马令等中下官职。他不慕官位，也不投机 钻营巴结权贵，所以，多年不能晋职。对此有人就张衡下知人事，上知天命， 有能力辅佐皇帝治理百姓，作事忠实知理明德，应该想办法使职位不断腾达， 奉禄日增，高官厚禄，光宗耀祖才是大事业。另一些人说，撰写科学著作， 研究天文，对升

10、官晋职，谋取利禄毫无用处。更有甚者嘲讽张衡：你能命令 三轮自转，使木鸡独飞，可你自己却“垂翅故栖”，至今还是个史官，你何更多好书请点击 www.uus8.org不调其机关也高飞呢？为什么不让你自己飞黄腾达呢？面对世俗小人们的论 议与诽谤，张衡作应闲赋予以铿锵有力的回答：“君子不患位之不尊， 而患德之不崇；不耻禄之夥，而耻智之不博。”这有力地表现了张衡为科学 奋斗的坚强决心。对于高官厚禄他无所求，他说：“捷径邪至，我不忍以投 步；干进苟容，我不忍以歙肩，”即决不巴结权势，以不正当的手段谋取高 官厚禄。应闲赋是张衡一生不求功名利禄，为科学献身的伟大誓言。这 正是一个科学家的博大胸怀。没有这种博大的

11、胸怀，就不会干出宏伟的事业。 张衡鄙视权贵。早年掌握朝政大权的皇戚邓骘听说他有才华，为了笼络 士人，扩大自己的势力，多次派人请张衡做幕僚，都被张衡拒绝了。永初五 年应诏入朝出任郎中、太史令时，他对官戚倾轧，争权夺利，时政腐败等现 象，屡次上疏讽谏，提醒皇帝：宦戚分权，群臣作威作福，不顾人民的饥苦， 加上连年自然灾害，朝庭不思政事，如果不整敕，再不改变这种状况，是很 危险的。但是张衡的正确意见没有被采纳，皇帝昏庸，明暗不分；佞党对张 衡的记恨与诬蔑越来越猖狂，使张衡的处境更加困难，欲干不能，欲罢不忍， 非常苦闷。在愤懑之中，他又作思玄赋思索做人的道理，怀念先圣之德， 慕古人的节操，恨当时之人的虚

12、伪相互争斗，相互攻击，表明自己竭力守义， 贫穷不移的浩然正气。 东汉安、顺二帝无能，喜听谗言，在历史上是有名的。后汉书五行 志三中记载： “安帝信谗无辜死者多”。张衡被谗，于永和年间（公元 1 3 6 年）调离京都洛阳，任河间相。当时的河间王骄奢荒淫，勾结豪强，横行乡 里，为非作歹。百姓深受其苦。张衡到任后严惩不贷，捉拿惩办了一批豪强 奸党，为受迫害的人民昭雪申冤，释放无辜，深受人民的称颂。但是，不久 张衡便发现，被惩办者皆是从犯，而那些主犯、要犯都逃之夭夭，“多避帝 郡”。这使张衡认识到时政污浊，“天下渐弊”，豪强互相勾结，串通一气， 一时一地怎能解决朝政腐败呢？上疏讽谏政事不被采纳，开始感

13、到对纠正时 弊无能为力，忧愤不止，作四愁诗以宣寄苦闷和忧虑：“我所思兮在太 山，欲往从之梁父艰”；“我所思兮在桂林，欲往从湘水深”；“我所思兮 在汉阳，欲往从之陇阪长”；“我所思兮在雁门，欲往从之雪纷纷”。表明 张衡志向高迈，思虑深远，可是道路艰难，无法达到，只暗自悲伤。于是写 了归田赋，决心辞职还乡，撤出这块不洁之地。然而，皇帝未准辞职， 又将张衡调入京城任尚书。天文学和地震学上的成就张衡一生处有逆境之中，但他抱定为科学献身的远大志向。持之以恒， 致使他才思超群，成绩卓著，给后人留下了丰硕成果。在天文学上研究颇深， 他创制了“浑天仪”，撰写了浑天仪图注和著名的天文理论著作灵宪 等。 浑天仪是

14、张衡任太史令期间，认真研究前人留下来的天文学知识， 经长期观察、记录，反复推算制作出来的，是科学的结晶。浑天仪就是 水运浑象，恰似现代的天球仪。主体是球体模型，代表天体。球体表面列出 2 8 宿及其他恒星的位置。球绕轴转动一周便是一昼夜。浑在仪能形象地 演示出天体运动情形，人们在屋子里看着这个仪器便可知道某星在某时间所 处的方位。浑天仪的制造在我国天文学史上具有划时代意义。表明张衡更多好书请点击 www.uus8.org已精通天文，掌握了深湛的推算方法和科学的机械传动原理，浑天仪是 世界上第一架用水力发动的天文仪器。为了说明水运浑天仪的整个系统和作 用，张衡特意写了浑天仪图注。通过浑天仪计算时

15、间，测出“周天 为三百六十五度又四分度之一”，这与近代天文学家测定的 3 6 5 天 5 小时 4 8 分 4 6 秒的数据相近，可见张衡天文学研究的水平是很高的。 灵宪一部阐述天地日月星辰生成和它们运动的天文学理论性著作。 在灵宪中，第一次提出月亮不发光，月光是太阳光反照的结果，揭示了 月食的奥秘；提出了宇宙无限的伟大思想；测出太阳和月亮的角直径。“其 径当周天七百三十六分之一”，与现在测出的太阳的角直径平均是 3 1 5 9 2 6 ，月亮的直角径平均是 3 1 5 2 的误差不大；记录了当时在中原洛阳观察 到的恒星 2 5 0 0 颗与近代天文学家观测的结果也是相近的。 但必须指出的是张

16、 衡在灵宪中对天地日月星辰的起源问题的阐述犯了唯心主义的错误。 灵宪是张衡多年来对天文学呕心研究的结晶，是一部划时代的天文 学名著，代表了当时世界上天文学的最高水平，因此，张衡不愧为天文学的 奠基者。 东汉时期经常发生地震。根据后汉书五行志记载，从公元 9 2 年至 1 2 5 年的 3 3年中，就发生 2 6次较大的地震。张衡传记载：“时地震连 年，山崩地坼，江河泛滥，房屋倒塌，”它给人民的生命财产带来严重损失， 张衡对此有亲身感触。他以科学家的头脑研究地震灾害。他认为人是可以掌 握地震动向的，为测报地震动态，他决心研究地震学。于是，在顺帝元年公 元 1 2 6 年辞职回家，潜心研究长达 5

17、 年之久。顺帝阳嘉六年（公元 1 3 1 年） 张衡复职后的第一年制造出世界上第一台测报地震的仪器“地动仪”。 就地动仪的结构而言，张衡已经掌握了水平摆的原理，利用物体运动的贯性 来拾取地震的动波，进行测报远距离的地震，这具原理至今仍然被采用。从 当时测报地震的情形看，这架地动仪能测报千里之外，包括人毫无感觉的地 震（最低能测报地震烈度为 3 度左右的无感地震）。如在顺帝永和三年（公 元 1 3 8 年）二月初三地动仪报震，当时洛阳城内人们毫无感觉，于是一些人 议论纷纷，说地动仪不灵验。没过几天，陇西有人飞马来报，证实了二月初 三那里发生了地震，使朝人信服。陇西距洛阳千里之外，地动仪测报准确，

18、 表明这架地动仪测报灵敏和准确度都是比较高的。可见张衡在当时科学极不 发达的情况下，能制造出如此精密的仪器，真是奇迹，这在世界上也实属罕 见。直到一千多年后古波斯才制造出与“地动仪”相类似的仪器，1 8 8 0 年欧 洲才出现利用水银溢流来记录地震的仪器，人们称张衡是地震学的鼻祖是理 所当然的。 公元 1 3 8 年张衡与世长辞了。张衡的一生追求科学的意志坚韧不拔；贫 困不阿、蔑视贵权的精神难能可贵。人民怀念、称颂他，“数术穷天地，创 作造化。瑰辞丽说，奇技伟芳。磊落焕炳，与神合契”。这是当之无愧的。更多好书请点击 www.uus8.org郭守敬勤奋少年我国元朝大科学家郭守敬生于 1 2 3

19、1 年 （元太宗三年、 金哀宗正大八年） 。 家乡在今河北省邢台县。 邢台地方本来属宋朝，1 1 2 8 年（宋高宗建炎二年）被金朝夺去，到 1 2 2 0 年（金宣宗兴定四年）又为后来建立元朝的蒙古贵族占领。所以郭守敬是在 元朝统治时期出生的。后来元朝在 1 2 3 4 年灭金，到 1 2 7 9 年又灭了宋，统一 中国，郭守敬也逐渐成长为一位杰出的科学家。 早些时候，金朝北边的蒙古人还过着游牧的生活，处在奴隶社会阶段。 那时他们在金朝北方一带骚扰，进行的战争具有极大的掠夺性和破坏性。当 地的农田水利遭到了严重的破坏，人口大量减少，生产急剧下降。这种状况 对于元朝的建立统治是十分不利的。以元

20、世祖为首的蒙古统治集团觉察了这 一点，于是在华北地区封建势力代表人物的支持下，逐步进行了一些改革， 改变了一些野蛮的杀掠方式，实行了一些鼓励农桑增产的措施。因此，在元 世祖的时代，华北一带的农业生产才逐渐恢复起来。农业生产必须适应天时， 农田排灌需要水利建设，于是对天文历法和水利工程的研究，就成为迫切的 要求。同时，国家统一了，中外交通范围比以前扩大了，更给科学技术的发 展提供了新的因素。因此，元朝的天文学和水利学，在金、宋两朝的基础上， 有了进一步的发展。郭守敬正是在这个时期，在这两门科学方面作出了许多 贡献。 郭守敬父亲的名字，从现有的历史记载中已查不出来。他的祖父倒还留 下名字，叫郭荣。

21、郭荣是金元之际一位颇有名望的学者。他精通五经，熟知 天文、算学，擅长水利技术。郭守敬就是在他祖父的教养下成长起来的。 老祖父一面教郭守敬读书，一面也领着他去观察自然现象，体验实际生 活。郭守敬自小就喜欢自己动手制作各种器具。有人说他是“生来就有奇特 的秉性，从小不贪玩耍”。其实，由于他把心思用到制作器具上，所以就不 想玩耍了。 郭守敬在十五六岁的时候就显露出了科学才能。那时他得到了一幅“莲 花漏图”。他对图样作了精细的研究，居然摸清了制作方法。 莲花漏是一种计时器，是北宋科学家燕肃在古代漏壶的基础上改进创制 的。这器具由好几个部分配制而成。上面有几个漏水的水壶。这几个水壶的 水面高度配置得经常

22、不变。水面高度不变，往下漏水的速度也就保持均匀。 水流速度保持均匀了，那就在一定时间内漏下的水量一定不变，不会忽多忽 少。这样，就可以从漏下的水量指示出时间来了。燕肃留下的莲花漏图，就 画着这样的一整套器具。 配制这套器具的原理不很浅显。燕肃所画的图，构造也不很简单。仅仅 依据一幅图就想掌握莲花漏的制造方法和原理，对一般成年学者来说也还不 是一件容易的事情。年纪才十几岁的郭守敬居然把它弄得一清二楚，这就足 以证明郭守敬确是一个能够刻苦钻研的少年。 在邢台县的北郊，有一座石桥。金元战争的时候，这座桥被破坏了，桥 身陷在泥淖里。日子一久，竞没有人说得清它的所在了。郭守敬查勘了河道 上下游的地形，对

23、旧桥基就有了一个估计。根据他的指点，居然一下子就挖更多好书请点击 www.uus8.org出了这久被埋没的桥基。这件事引起了很多人的惊讶。石桥修复后，当时一 位有名的文学家元好问还特意为此写过一篇碑文。这时候，年青的郭守敬已 经能对地理现象作颇为细致的观察了。那一年，他刚刚 2 0 岁。 郭荣为了让他孙儿开阔眼界，得到深造，曾把郭守敬送到自己的同乡老 友刘秉忠门下去学习。刘秉忠精通经学和天文学。当时他为父亲守丧，在张 有读书。郭守敬在他那儿得到了很大的教益。更重要的是，郭守敬在他那儿 结识了一位好朋友王恂。王恂比郭守敬小四五岁，后来也是一位杰出的数学 家和天文学家。这一对好朋友后来在天文历法工

24、作中亲密合作，做出了卓越 的贡献。修水利显身手郭守敬在刘秉忠门下学习的时间不长。1 2 5 1 年，刘秉忠被元世祖忽必烈 召进京城去了。刘秉忠离开邢台之后，郭守敬的行踪如何，史书上没有明白 的记载。只知道后来刘秉忠把他介绍给了自己的老同学张文谦。1 2 6 0 年，张 文谦到大名路（他河北省大名县一带）等地作宣抚司（管理地方行政的官署） 的长官，郭守敬也跟着他一起去了。在那儿，他把少年时代试作过的莲花漏 铸了一套正规的铜器，留给地方上使用。后来，元朝政府里的天文台也采用 了这种器具。 郭守敬跟着张文谦到各处勘测地形，筹划水利方案，并帮助做些实际工 作。几年之间，郭守敬的科学知识和技术经验更丰富

25、了。张文谦看到郭守敬 已经渐趋成熟，就在 1 2 6 2 年，把他推荐给元世祖忽必烈，说他熟悉水利，聪 明过人。元世祖就在当时新建的京城上都（今内蒙古多伦附近）召见了郭守 敬。 郭守敬初见元世祖，就当面提出了六条水利建议。第一条建议修复从当 时的中都（今北京）到通州（今通县）的漕运河道；第二第三条是关于他自 己家乡有地方城市用水和灌溉渠道的建议；第四条是关于磁州（今河北磁 县）、邯郸一带的水利建议的意见；第五第六条是关于中原地带（今河南省 境内）沁河河水的合理利用和黄河北岸渠道建设的建议。这六条都是经过仔 细查勘后提出来的切实的计划，对于经由路线、受益面积等项都说得清清楚 楚。元世祖认为郭守敬

26、的建议很有道理，当下就任命他为提举诸路河渠掌管 各地河渠的整修和管理等工作，下一年又升他为银符副河渠使。 1 2 6 4 年（元世祖至元元年）张文谦被派往西夏（今甘肃、宁夏及内蒙古 西部一带）去巡察。那里沿着黄河两岸早已修筑了不少水渠。宁夏地方（今 银川一带）的汉延、唐来两渠都是长达几百里的古渠，分渠纵横，灌溉田地 的面积很大，是西北重要的农业基地之一。当年成吉思汗征服西夏的时候， 不知道保护农业生产，兵马到达的地方，水闸水坝都被毁坏，渠道都被填塞。 这种情况，张文谦当然是知道的。他巡察西夏，一方面要整顿地方行政，另 一方面也想重兴水利，恢复农业生产。所以他带了擅长水利的郭守敬同行。 郭守敬到

27、了那里，立即着手整顿。有的地方疏通旧渠，有的地方开辟新 渠，又重新修建起许多水闸、水坝。当地人民久旱望水，对这样具有切身利 害关系的大事自然尽力支持。由于大家动手，这些工程竟然在几个月之内就 完工了。开闸的那一天，人们望着那滚滚长流的渠水，心里有多么喜悦啊。 修完了渠，郭守敬就离开了西夏。在还京之前，他曾经逆流而上，探寻更多好书请点击 www.uus8.org黄河的发源地。以往史书上虽也有些河源探险的记载，但都是些将军、使臣 们路过这个地区，顺便查探，写下的一些记述，并不是特意进行的科学考察 结果。有些记载只是从传闻得来，还不免失实。以科学考察为目的，专程来 探求黄河真源的，要推郭守敬是第一个

28、人。很可惜，郭守敬探查河源的结果 没有记载流传下来。后来到了 1 2 8 0 年，又有一位探险家都实奉元世祖之命专 程前去考察河源。这次探索的经过记录在一部河源记的专著里，其中有 着不少有价值的结果。毫无疑问，作为先驱的郭守敬考察对于都实是有相当 影响的。 1 2 6 5 年，郭守敬回到了上都。同年被任命为都水少监，协助都水监掌管 河渠、堤防、桥梁、闸坝等的修治工程。1 2 7 1 年升任都水监。1 2 7 6 年都水监 并入工部，他被任为工部郎中。巧制天文仪器我国是天文学发达的国家之一。西汉以后，国家天文台的设备和组织已 经达到相当完善的地步。它的主要任务之一是编制历法。我国古代的历法， 内

29、容是十分广泛的。包括日月运动及其位置的推算、逐年日历的编制、五大 行星的位置预报、日食月食的预推等等。历法关系到生产、生活甚至政治活 动等很多方面。因此，历来对这项工作都是相当重视的。一种历法用久了， 误差就会逐渐显著，因而需要重新修改。跟着每次重大的历法修改，总带来 一些创造革新的进步，像基本天文数据的精密化、天文学理论的新成就或计 算方法上的新发明等等。历法的发展可说是中国天文学发展史中的一条主 线。 元朝初年沿用当年金朝的“重修大明历”。这个历法是 1 1 8 0 年（金世宗 大定二十年）修正颁行的。几十年以来，误差积累日渐显著，发生过好几次 预推与实际现象不符的事。再一次重新修改是迫切

30、需要的事了。 1 2 7 6 年（至元二十年），元军攻下了南宋首都临安（今浙江杭州），全 国统一已成定局。就在这一年，元世祖迁都大都，并且采纳已死大臣刘秉忠 的建议，决定改订旧历，颁行元朝自己的历法。于是，元政府下令在新的京 城里组织历局，调动了全国各地的天文学者，另修新历。 这件工作名义上以张文谦为首脑，但实际负责历局事务和具体编算工作 的是精通天文、数学的王恂。 当时，王恂就想到了老同学郭守敬。虽然郭守敬担任的官职一直是在水 利部门，但他的长于制器和通晓天文，是王恂很早就知道的。因此，郭守敬 就由王恂的推荐，参加修历，奉命制造仪器，进行实际观测。从此，在郭守 敬的科学活动史上又揭开了新的一

31、章，他在天文学领域里发挥了高度的才 能。 郭守敬首先检查了大都城里天文台的仪器装备。这些仪器都是金朝的遗 物。其中浑仪还是北宋时代的东西，是当年金兵攻破北宋的京城汴京（今河 南开封）以后，从那里搬运到燕京来的。当初，大概一共搬来了 3 架浑仪。 因为汴京的纬度和燕京相差约 4 度多，不能直接使用。金朝的天文官曾经改 装了其中的一架。这架改装的仪器在元初也已经毁坏了。郭守敬就把余下的 另一架加以改造，暂时使用。另外，天文台所用的圭表也因年深日久而变得 歪斜不正。郭守敬立即着手修理，把它扶置到准确的位置。更多好书请点击 www.uus8.org这些仪器终究是太古老了，虽经修整，但在天文观测必须日益

32、精密的要 求面前，仍然显得不相适应。郭守敬不得不创制一套更精密的仪器，为改历 工作奠定坚实的技术基础。 古代在历法制定工作中所要求的天文观测，主要是两类。一类是测定二 十四节气，特别是冬至和夏至的确切时刻；用的仪器是圭表。一类是测定天 体在天球上的位置，应用的主要工具是浑仪。 圭表中的“表”是一根垂直立在地面的标竿或石柱；“圭”是从表的跟 脚上以水平位置伸向北方的一条石板。每当太阳转到正南方向的时候，表影 就落在圭面上。量出表影的长度，就可以推算出冬至、夏至等各节气的时刻。 表影最长的时候，冬至到了；表影最短的时候，夏至来临了。它是我国创制 最古老、使用最熟悉的一种天文仪器。 这种仪器看起来极

33、简单，用起来却会遇到几个重大的困难。 首先是表影边缘并不清晰。阴影越靠近边缘越淡，到底什么地方才是影 子的尽头，这条界线很难划分清楚。影子的边界不清，影长就量不准确。 使用圭表时的第二个难题就是测量影长的技术不够精密。古代量长度的 尺一般只能量到分，往下可以估计到厘，即十分之一分。按照千年来的传统 方法，测定冬至时表影的长，如果量错一分，就足以使按比例推算出来的冬 至时刻有一个或半个时辰的出入。这是很大的误差。 还有，旧圭表只能观测日影。星、月的光弱，旧圭表就不能观测星影和 月影。 对这些困难问题，唐、宋以来的科学家们已经做过很多努力，始终没有 很好地解决。现在，这些困难又照样出现在郭守敬的面

34、前了。怎么办呢？郭 守敬首先分析了造成误差的原因，然后针对各个原因，找出克服困难的办法。 首先，他想法把圭表的表竿加高到 5倍，因而观测时的表影也加长到 5 倍。表影加长了，按比例推算各个节气时刻的误差就可以大大减少。 其次，他创造了一个叫做“景符”的仪器，使照在圭表上的日光通过一 个小孔，再射到圭面，那阴影的边缘就很清楚，可以量取准确的影长。 再其次，他还创造了一个叫做“窥几”的仪器，使圭表在星和月的光照 下也可以进行观测。 另外，他还改进量取长度的技术，使原来只能直接量到“分”位的提高 到能够直接量到 “厘”位，原来只能估计到 “厘”位的提高到能够估计到 “毫” 位。 郭守敬对圭表进行了这

35、一系列的改进，解决了一系列的困难问题，他的 观测工作自然就能比前人做得更好。 郭守敬的圭表改进工作大概完成于 1 2 7 7 年夏天。 这年冬天已经开始用它 来测日影。因为观测的急需，最初的高表柱是木制的，后来才改用金属铸成。 可惜这座表早已毁灭，我们现在无法看到了。幸而现在河南省登封县还保存 着一座砖石结构的观星台，其中主要部分就是郭守敬的圭表。这圭表与大都 的圭表又略有不同，它因地制宜，就利用这座高台的一边作为表，台下用 3 6 块巨石铺成一条长 1 0余丈的圭面。当地人民给这圭表起了一个很豪迈的名 称，叫“量天尺”。 圭表的改进只是郭守敬开始天文工作的第一步，以后他还有更多的创造 发明呢

36、！现在就来谈谈他对浑仪的改进。 浑仪至迟在公元前第二世纪就已由我国天文家发明了，唐、宋以来历代更多好书请点击 www.uus8.org都有发展。它的结构完全仿照着当时的人们心目中反映出来的那个不断转动 着的天体圆球。在这圆球里是许多一重套着一重的圆环。这些圆环有的可以 转动，也有不能旋转的。在这些重重叠叠的圆环中间夹着一根细长的管子， 叫做窥管。把这根细管瞄准某个星球，从那些圆环上就可以推定这个星球在 天空中的位置。因为这个仪器的外形像一个浑圆的球，所以称为浑仪。它是 我国古代天文仪器中一件十分杰出的创作。在欧洲，要到 1 6 世纪左右，才有 与我国北宋浑仪同样精细的仪器。 但是，这种浑仪的结

37、构也有很大的缺点。一个球的空间是很有限的，在 这里面大大小小安装了七八个环，一环套一环，重重掩蔽，把许多天空区域 都遮住了，这就缩小了仪器的观测范围。这是第一个大缺点。另外，有好几 个环上都有各自的刻度，读数系统非常复杂，观测者在使用时也有许多不方 便。这是第二个大缺点。郭守敬就针对这些缺点作了很大的改进。 郭守敬改进浑仪的主要想法是简化结构。他准备把这些重重套装的圆环 省去一些，以免互相掩蔽，阻碍观测。那时候，数学中已发明了球面三角法 的计算，有些星体运行位置的度数可以从数学计算求得，不必要在这浑仪中 装上圆环来直接观测。这样，就使得郭守敬在浑仪中省去一些圆环的想法有 实现的可能。 郭守敬只

38、保留了浑仪中最主要最必需的两个圆环系统；并且把其中的一 组圆环系统分出来，改成另一个独立的仪器；把其他系统的圆环完全取消。 这样就根本改变了浑仪的结构。再把原来罩在外面作为固定支架用的那些圆 环全都撤除，用一对弯拱形的柱子和另外四条柱子承托着留在这个仪器上的 一套主要圆环系统。这样，圆环就四面凌空，一无遮拦了。这种结构，比起 原来的浑仪来，真是又实用，又简单，所以取名“简仪”。简仪的这种结构， 同现代称为“天图式望远镜”的构造基本上是一致的。在欧洲，像这种结构 的测天仪器，要到 1 8 世纪以后才开始从英国流传开来。 郭守敬简仪的刻度分划也空前精细。以往的仪器一般只能读到一度的 1 4 ，而简

39、仪却可读到一度的 1 3 6 ，精密度一下子提高了很多。这架仪器一 直到清初还保存着，可惜后来被在清朝钦天监（掌管天文历法的官署）中任 职的一个法国传教士纪理安拿去当废铜销毁了。现在只留下一架明朝正统年 间（1 4 3 6 1 4 4 9 年）的仿制品，保存在南京紫金山天文台。 郭守敬用这架简仪作了许多精密的观测，其中的两项观测对新历的编算 有重大的意义。 一项是黄道和赤道的交角的测定。赤道是指天球的赤道。地球悬空在天 球之内，设想地球赤道面向周围伸展出去，和天球边缘相割，割成一个大圆 圈，这圆圈就是天球赤道。黄道就是地球绕太阳作公转的轨道平面延伸出去， 和天球相交所得的大圆。天球上黄道和赤道

40、的交角。就是地球赤道面和地球 公转轨道面的交角。这是一个天文学基本常数。这个数值从汉朝以来一直认 定是 2 4 ，1 0 0 0多年来始终没有人怀疑过。实际上这个交角年年在不断缩 减，只是每年缩减的数值很小，只有半秒，短期间不觉得。可是变化虽小， 积累了 1 0 0 0 多年也就会显出影响来的。黄、赤道交角数值的精确与否，对其 他计算结果的准确与否很有关系。因此，郭守敬首先对这沿用了千年的数据 进行检查。果然，经他实际测定，当时的黄、赤道交角只有 2 3 9 0 。这个 是用古代角度制算出的数目。古代把整个圆周分成更多好书请点击 www.uus8.org3651 411002390度， 度分作

41、分，用这样的记法来记这个角度就是。换成现代通用的 3 6 0 制，那就是 2 3 3 3 2 3 . 3 。根据现代天文学理论推 算，当时的这个交角实际应该是 2 3 3 1 5 8 . 0 。郭守敬测量的角度实际还 有 1 2 5 . 3 的误差。不过这样的观测，在郭守敬当年的时代来讲，那已是 难能可贵的了。 另一项观测就是二十八宿距度的测定。我国古规代在测量二十八宿各个 星座的距离时，常在各宿中指定某处星为标志，这个星称为“距星”。因为 要用距星作标志，所以距星本身的位置一定要定得很精确。从这一宿距星到 下一宿距星之间的相距度数叫“距度”。这距度可以决定这两个距星之间的 相对位置。二十八宿

42、的距度，从汉朝到北宋，一共进行过五次测定。它们的 精确度是逐次提高的。最后的次在宋徽宗崇宁年间（1 1 0 2 1 1 0 6 年）进行的 观测中，这二十八个距度数值的误差平均为 0 . 1 5 ，也就是 9 。到郭守敬 时，经他测定的数据，误差数值的平均只有 4 . 5 ，比崇宁年间的那一次降 低了一半。这也是一个很难得的成绩。 在编订新历时，郭守敬提供了不少精确的数据，这确是新历得以成功的 一个重要原因。 在改历过程中，郭守敬创造了近 2 0 种仪器和工具。我们再介绍一件郭守 敬独创的仪器，来看看他的技术成就。 这件仪器是一个铜制的中空的半球面，形状像一口仰天放着的锅，名叫 “仰仪”。半球

43、的口上刻着东西南北的方向，半球口上用一纵一横的两根竿 子架着一块小板，板上开一个小孔，孔的位置正好在半球面的球心上。太阳 光通过小孔，在球面上投下一个圆形的象，映照在所刻的线格网上，立刻可 读出太阳在天球上的位置。人们可以避免用眼睛逼视那光度极强的太阳本 身，就看明白太阳的位置，这是很巧妙的。更妙的是，在发生日食时，仰仪 面上的日象也相应地发生亏缺现象。这样，从仰仪上可以直接观测出日食的 方向，亏缺部分的多少，以及发生各种食象的时刻等等。虽然伊斯兰天文家 在古时候就已经利用日光通过小孔成象的现象观测日食，但他们只是利用一 块有洞的板子来观测日面的亏缺，帮助测定各种食象的时刻罢了，还没有像 仰仪

44、这样可以直接读出数据的仪器。 王恂、郭守敬等同一位尼泊尔的建筑师阿你哥合作，在大都兴建了一座 新的天文台，台上就安置着郭守敬所创制的那些天文仪器。它是当时世界上 设备最完善的天文台之一。 由于郭守敬的建议， 元世祖派了 1 4 位天文家， 到当时国内 2 6 个地点 （大 都不算在内），进行几项重要的天文观测。在其中的 6 个地点，特别测定了 夏至日的表影长度和昼、夜的时间长度。这些观测的结果，都为编制全国适 用的历法提供了科学的数据。这一次天文观测的规模之大，在世界天文学史 上也是少见的。 经过王恂、郭守敬等人的集体努力，到 1 2 8 0 年（元世祖至元十七年）春 天，一部新的历法宣告完成

45、。按照“敬授民时”的古语，取名“授时历”。 同年冬天，正式颁发了根据授时历推算出来的下一年的日历。 很不幸，授时历颁行不久，王恂就病逝了。那时候，有关这部新历 的许多算草、数表等都还是一堆草稿，不曾整理。几个主要的参加编历工作 的人，退休的退休，死的死了，于是最后的整理定稿工作全部落到郭守敬的更多好书请点击 www.uus8.org肩上。他又花了两年多的时间，把数据、算表等整理清楚，写出定稿。其中 的一部分就是元史历志中的授时历经。 在授时历里，有许多革新创造的成绩。第一，废除了过去许多不合 理、不必要的计算方法，例如避免用很复杂的分数来表示一个天文数据的尾 数部分，改用十进小数等。第二，创立

46、了几种新的算法，例如三差内插内式 及合于球面三角法的计算公式等。第三，总结了前人的成果，使用了一些较 进步的数据，例如采用南宋杨忠辅所定的回归年，以一年为 3 6 5 . 2 4 2 5 日，与 现行公历的平均一年时间长度完全一致。 授时历是 1 2 8 1 年颁行的；现行 公历却是到 1 5 7 6 年才由意大利人利里奥提出来。 授时历确是我国古代一 部很进步的历法。郭守敬把这部历法最后写成定稿，流传到后世，把许多先 进的科学成就传授给后人，这件工作，就称得起是郭守敬的一个大功。 王恂去世不久，郭守敬升为太史令。在以后的几年间，他又继续进行天 文观测，并且陆续地把自己制造天文仪器、观测天象的

47、经验和结果等极宝贵 的知识编写成书。他写的天文学著作共有百余卷之多。然而封建帝王元世祖 虽然支持了改历的工作，却并不愿让真正的科学知识流传到民间去，把郭守 敬的天文著作统统锁在深宫秘府之中。那些宝贵的科学遗产几乎全都被埋没 了，这是多么令人痛惜的事！开凿水道从 8 0 0 多年前的金朝起，北京就成了国家的首都。元朝时候，它称为大 都，更成为当时全国政治经济中心的大城市。 大都城内每年消费的粮食达几百万斤。这些粮食绝大部分是从南方产粮 地区征运来的。为了便于运输，从金朝起，在华北平原上利用天然水道和隋 唐以来修建的运河建立了一个运输系统。但由于自然条件的关系，它的终点 不是北京，而是京东的通州，

48、离开京城还有几十里路。这段几十里的路程只 有陆路可通。陆路运输要占用大量的车、马、役夫；一至雨季，泥泞难走， 沿路要倒毙许多牲口，粮车往往陷在泥中，夫役们苦不堪言。因此在金朝时 候，统治者就力图开凿一条从通州直达京城的运河，以解决运粮问题。 通州的地势比大都低，因此要开运河，只能从大都引水流往通州。这样， 就非在大都城周围找水源不可。大都城郊最近的天然水道有两条：一条是发 源于西北郊外的高梁河，另一条是水源从西南而来的凉水河。然而这两条河 偏偏都水量很小，难以满足运河的水源需要。大都城往北几十里，有清河和 沙河，水量倒是较大，却因地形关系，都自然地流向东南，成为经过通州的 温榆河的上源。水量最

49、大的还数大都城西几十里的浑河（今永定河）。金朝 时候，曾从京西石景山北面的西麻峪村开了一条运河，把浑河河水引出西山， 过燕京城下向东直注入通州城东的白河。但这条运河容纳了浑河水中携带来 的大量泥沙，容易淤积。到夏、秋洪水季节，水势极其汹涌，运河极易泛滥。 这样，运河对于京城反是一个威胁。开凿之后只过了 1 5 年，就因山洪决堤， 不得已又把运河的上游填塞了。这是一次失败的经验。 然而，陆运耗费的巨大，始终在促使着人们去寻求一条合适的水道。这 个任务，到郭守敬的时候才得到完成。 郭守敬的开河事业也不是一开始就顺利进行的。他也经过了多次的失 败，最后才找到了正确解决的办法。更多好书请点击 www.uus8.org金朝开挖的那条运河，正流经大都城城墙的南面。利用这条被废弃的运 河，当然是最经济最简捷的办法。至少，大都城以东的那一段是完全可以利 用的。因此，摆在郭守敬面前的问题就是如何解决这段运河的水源。 郭守敬提出的第一个方案就是他在 1 2 6 2年初见元世祖时所提出来的六 条水利建议中的第一条。 在大都城的西北，有座玉泉山。玉泉山下迸涌出一股清泉。这股清泉流 向东去，并分成