中华上下五千年-237郭守敬编订《授时历》
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忽必烈自登上汗位后,财政困难的问题就一直在困扰他。平定叛乱,攻打南宋,赏赐皇亲臣属,都需要大笔的钱,可朝廷的收入却很有限,他急需会当家理财的人。就在这样的情况下,公元1262年春,中书省左丞(中央政府机关中的最高负责长官)张文谦,向忽必烈举荐了郭守敬。
郭守敬,字若思,顺德邢台(今河北邢台)人。是我国杰出的天文学家、数学家和水利工程专家。
郭守敬从小是由祖父郭荣抚养长大的。郭荣也是个极有学问的人,尤其精通数学和水利。在祖父的教导下,郭守敬从小勤奋好学,并且培养了很强的动手能力。北宋的科学家曾在古代漏壶的基础上,改制了一种计时比较精确的计时器“莲花漏”。但到郭守敬时,莲花漏已经失传,只有从石碑上拓印下来的图样,可以知道它的外部形状。当时仅十五六岁的郭守敬,根据这样一幅图就弄清了莲花漏的工作原理。忽必烈召见郭守敬时,郭守敬刚好把莲花漏仿制成功。大约因为他把作为装饰的莲花作了改动,这个漏壶被改称为“宝山漏”。献给朝廷后,元代的司天台(国家天文台)将它作为计时器而采用。
忽必烈召见郭守敬之前,郭守敬已在邢台地区从事了一段时间的水利整治工作,并且取得了很好的成效。见到忽必烈后,他提出了六项水利工程计划,其中最重要的就是修复燕京到通州(今北京通州)的河道,接通大运河,以节省到京都的漕运费用。
由于郭守敬的计划资料可靠、筹划翔实,能为元政府带来大笔赋税,因此忽必烈当即同意了他的计划,并任命他为提举诸路河渠,掌管各地的河渠整修和管理工作。第二年,他又升任银符副河渠使。
公元1276年,元军攻下南宋的京城临安,全国统一已成定局。忽必烈下令设立太史局(后改称太史院),负责改革历法,编修元朝自己的历法。负责太史院的王恂是郭守敬的老同学,他聘请当时已任工部郎中的郭守敬负责制造仪器和观测天文的工作。
仪器和观测,是编修新历法的最基本的工作。可是经郭守敬检查发现,当时司天台上的天文仪器,大多是金朝遗留下来的。浑天仪是最重要的天文观测仪器,可司天台上的浑天仪还是金兵攻下北宋京都汴梁后抢来的。由于燕京和汴梁的纬度不同,这架仪器无法直接使用。其他仪器也大多破损,不能使用了。为此,郭守敬制作了十二件在司天台上使用的仪器,四件可搬运到野外使用的仪器。其中,最著名的就是“简仪”。
简仪是将传统的浑天仪简化、改造而成的。浑天仪是测定星球在天体中位置的仪器,由七八个同心圆环套叠组成。在这些圆环中夹着一根细长的“窥管”,把窥管对准哪个星球,就可以推定这个星球在天体中的位置。但由于圆环有七八个之多,每个都有一两寸宽,观测时这些圆环挤在一起,很不方便,甚至会错失观测机会;而且读数也不太精确,只达到四分之一度。
郭守敬对这些圆环作了分析,他发现有些星体的运行位置的度数,可以用数学方法来计算,相应的圆环可以撤消。此外,他又把测读地平方位角的圆环分离出来,另外建了一架独立运用的“立运仪”。经他改造后的简仪,运用起来既方便又清晰,精密度也达到了三十六分之一度。
郭守敬运用简仪对天体作了观测。他测定了黄道与赤道的交角,以及二十八宿(星座)的距度,其精确度都大大提高。这为编制一本高精确度的历法,奠定了科学的基础,而简仪的装置原理,后来则在现代天文望远镜中得到了广泛的运用。
为了编好新历法,他还主持了大规模的天文观测活动,在全国建立了二十七个观测点。其中最南端的观察点在南海(今西沙群岛),最北端的观察点在北海(今西伯利亚)。公元1280年,新历法初步编成,被定名为《授时历》。《授时历》以365.2425天为一年,与地球绕太阳一周的实际时间相比,仅仅只差了二十六秒钟。《授时历》同我们现在使用的公历周期相同,但比现行公历要早了三百年。
1291年,六十岁的郭守敬再次主持开通大都到通州的运河工程。
其实,在忽必烈召见郭守敬后不久,开通燕京到通州的运河工程就开工了。当时引的是燕京城西北玉泉山的水,但玉泉山的水量有限,对恢复航行作用不大,第一次开通工程失败了。第二次,他考虑利用京郊水流量最大的浑河水。但浑河泥沙较多,为了泥沙淤积问题,他没有在运河上建立闸或坝。可是浑河的河道坡度较大,水流又急,没有河闸控制,运粮船无法逆流而上。结果运河只对农田灌溉有用,仍解决不了漕运问题。
这次,郭守敬经过详细的勘察,在离大都西北三十公里处的神山(今凤凰山)脚下,发现了水流量较大的白浮泉。如果引白浮泉向南流,沿途可拦截其他泉水,使水量增大。山泉清澈,也没有泥沙淤积问题。忽必烈很高兴,立刻批准了这个方案,并重设都水监管理工程。
开工后,郭守敬没有直接开渠将白浮泉向东南引,而是先把泉水引向西边的西山,然后再回东南。原来,从神山到大都,当中有不少地区的海拔都比大都低,直接往东引,水就进不了运河了。而迂回到西山,可保持河道始终高于大都,并能拦截更多的泉水。
1293年秋,从神山到通州全长一百六十多华里的运河,全程贯通,忽必烈将它命名为“通惠河”。