第13章 天文学家郭守敬

郭守敬是我国元代的一位大科学家，他在我国天文科技方面作出了杰出的贡献，为纪念郭守敬在天文领域里的成就，人们将月球背面的一颗小行星命名为"郭守敬小行星"。

"莲花漏"计时法

元朝初年，北方的蒙古民族不断在边界进行骚扰和掠夺，当地的农田水利也遭到了严重的破坏，人口大量减少，农业生产急剧下降。这种状况，对于刚刚夺取政权的元朝统治者十分不利。他们实行了一些改革措施，首先强化边防，实行了一些鼓励农桑增产的办法。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。

当时农业生产技术落后，农民都靠天吃饭，农业生产必须适应天时。于是，天文历法和水利工程的研究，就成为迫切需要解决课题。

郭守敬正是在这个时期，在这两门科学领域作出了许多贡献的大科学家！他祖父是一位很有名望的学者，精通五经，熟知天文、算学，擅长水利技术。郭守敬就是在祖父的教养下成长起来的。年幼时，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。

由于祖父的言传身教，郭守敬从小就喜欢自己动手研究制作各种生活器具，十五六岁的时候就显露出非凡的科学才能。那个时候，人们计时没有钟表，往往不能知道准确的作息时间，不知道在一天里，该什么时间吃饭，该什么时间工作，该什么时候休息。后来，人们就想出种种方法来计算时间，好让一天的时光能有比较科学的分配。那时候的人，看日影作息，是当时十分流行的做法。早晨，太阳出来，人的影子是很长的，人们就开始吃早饭，开始一天的劳作。当太阳到了头顶，人的影子变短了，就开始吃午饭。下午，太阳慢慢西下，又把人的影子向东拉长了，天色渐渐暗了下来，人们就结束一天的劳作，收工休息。这种日出而作，日落面息的生活方式，一直沿用千百年。

到了元朝，郭守敬发明了一种新的计时法，叫作"莲花漏"计时法。有了这种"莲花漏"计时法，人们除了在外边看着日光作息，在室内同样能掌握时间。这种"莲花漏"计时法制作起来十分复杂，它由好几个部分配制而成，上面有几个漏水的水壶，水壶里的水面高度，要求配置得均衡。因为水面高度不变，往下漏水的速度也就保持均匀，水流速度均匀了，在一定时间内漏下的水量也不会变，不会忽多忽少。这样，就可以从漏下的水量指示出时间刻度来。

为了将这种新型的计算时间方法传播给更多的人便用，郭守敬还绘成一幅幅图纸，全国各地按照他的图纸，制作成无数个"莲花漏"，这给当时的人民生活、社会进步起到了极大的推动作用。

新的“量天尺”

1276年，元朝迁都北京后，迫切需要颁行元朝自己的历法，下令在新的京城里组织历法局。郭守敬通晓天文出了名，立即被朝廷召入京城，参加修订新历，在天文科学活动史上又揭开了他新的一页。

郭守敬召入京城后，首先亲自检查了京城里天文台的仪器装备，天文台所用的圭表因年深日久而变得歪斜不正，有的已经失灵。这些仪器终究是太古老了，修整了几次，仍无法适应天文观测精密度很高的要求。郭守敬不得不着手创制一套更精密的仪器。

除了这种难度极高的仪器必须首先攻克，还有两种迫切需要解决的难题，一个就是要重新测定二十四节气，特别是要确定冬至和夏至的时刻用的仪器"圭表"；还有一种是测定天体在天球上位置的"浑仪"。没有这两种仪器，制定新历法就无从谈起。

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。这是郭守敬要研制的当时世界上最先进一种天文仪器。"圭表"要能观测日影和星月的光线弱，旧圭表就不能观测星影和月影。对这些难题，唐、宋以来的天文科学家们已经做过很多努力，始终没有很好地解决。

现在，这些困难又摆在郭守敬的面前。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。他先设法把旧圭表的表竿加高到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。再就是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，郭守敬还改进测量长度的技术，使原来只能直接量到"分"位，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"进行了这一系列的重大改进，解决了许多关键性科学难题，他的观测技术取得了突破性的进展。

郭守敬的"圭表"改进工作，大致完成于1277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。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"。这座高台的一边作为表，台下用36块巨石铺成一条长十余丈的圭面。当地人民还给这"圭表"起了一个很豪迈的名称，叫"量天尺"。

奇怪的“仰仪”

"圭表"的改进，只是郭守敬开始天文工作的第一步，以后还有更多更新的创造发明。一个巨大的"浑仪"最迟在公元前第二世纪就已由我国天文家发明了，唐、宋以来历代都有发展。它的结构完全仿照当时人们心目中反映出来的那个不断转动的天体圆球而制造的。在这个圆球里有许多一层套着一层的圆环，圆环里有的可以转动，也有不能转，在这些层层叠叠的圆环中间，夹着一根细长的管子，叫做窥管，科学家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。在欧洲直到16世纪末，才有与我国北宋浑仪同样的天文仪器。

在元朝的新历编订中，郭守敬创造了近20种仪器和工具。其中一个铜制半球面，是当时最杰出的创造，它的形状像一口仰天放着的锅，郭守敬取名叫"仰仪"。半球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，人们就立刻可读出太阳在天球上的位置，避免用眼睛对着光度极强的太阳看，这是很巧妙的一项发明。而在发生日食时，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了。

郭守敬对天文学的贡献，不仅仅是他的个人兴趣，伟大之处在于他的创造精神和民族精神，可以说，郭守敬把自己毕生的精力都贡献在天文学研究上，他的科研成果令后人敬佩！为了纪念这位伟大的天文学家，他的出生地邢台市最主要的一条街，道命名为"郭守敬大道"，现更名为"守敬北路"和"守敬南路"，并在达活泉公园内建立了郭守敬纪念馆，郭守敬雕塑，观星台等。

1981年，为纪念郭守敬诞辰750周年，国际天文学会以他的名字为月球上的又一座小行星命名。使这位天文科学巨人，与星月同辉！与历史同行，与中华同在！