創(chuàng)制儀器

我國古代以農(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。

對歷法的改革，劉秉忠曾上書忽必烈，只因當(dāng)時元朝統(tǒng)一中國的戰(zhàn)爭尚在進行，難以實現(xiàn)。不久劉秉忠去世了。1276年，元軍攻陷南宋國都臨安，至此，長江南岸全部歸順元朝，天下一統(tǒng)。這時，忽必烈才采納劉秉忠改制歷書的建議，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：“歷之本在于測驗，而測驗之器莫先儀表”。他曾焚毀陰陽偽書，破除迷信，堅持科學(xué)態(tài)度，集中精力研制新的觀測儀器，并本著簡化、實用兩條原則，在1276年—1279年間，先后研制出簡儀、高表、候極儀、渾天象、仰儀等十八種天文儀器。《元史·天文志》稱這些儀器“臻于精秒，卓見絕識，蓋有古人所未及者”。其中最重要的是簡儀和高表。

高表，是在我國傳統(tǒng)八尺圭尺的基礎(chǔ)上，增高5倍，又稱四丈高表。河南登封告城鎮(zhèn)的觀星臺，就是郭守敬親自設(shè)計，主持建造的建筑式高表，它是用來觀測日影長短，推算回歸年長度和二十四節(jié)氣時刻的天文觀測儀器。簡儀是一大創(chuàng)造，它是在我國傳統(tǒng)觀天儀器渾儀的基礎(chǔ)上，創(chuàng)制的一種新型的觀天儀器，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。簡儀比1598年丹麥天文學(xué)家第谷制造的同類儀器早300余年。明末來中國的德國傳教士湯若望曾贊揚郭守敬為“中國的第谷”。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、行漏等多件天文觀測、計時儀器。

四海測驗

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

1279年，郭守敬又上書忽必烈，要求在全國建立天文觀測站進行長期觀測。上奏時間從早晨到傍晚，忽必烈細(xì)心傾聽，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)立了二十七個測量所（即天文觀測站），分別測量當(dāng)?shù)囟梁拖闹寥沼伴L度、晝夜時刻數(shù)及北極出地高度。這就是著名的四海測驗。郭守敬對這次觀測進行了總體規(guī)劃，合理布局，科學(xué)選擇觀測站的位置。他為了掌握第一手資料，跋涉千里，領(lǐng)導(dǎo)了大都——河南——南海方面的實施觀測工作。通過長期的天文觀測，得到了大量、精密的天體運行相關(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年開始，到1280年，經(jīng)過了四年多時間完成。忽必烈取“敬授民時”之意，為新編歷法賜名《授時歷》。1281年正月初一，新歷法正式在全國頒布實行。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。

《授時歷》有許多獨到之處，它采用的一些數(shù)據(jù)，由實際觀測得出，其精密程度，堪稱當(dāng)時世界之最?！对贰贩Q：“郭守敬等遍考?xì)v書四十余家，晝夜測驗，創(chuàng)立新法，參以古制，推算極為精密”。比如它測定一回歸年長度為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)家牛頓提出的同類公式早396年。還廢除了歷代編算歷書中的分?jǐn)?shù)計算，采用百進位制，使計算工作大為簡化。由于郭守敬等人的開創(chuàng)性工作，使得《授時歷》成為我國古代最優(yōu)秀的歷法，它從元初一直使用到清初，長達364年之久，并且還傳到朝鮮和日本等國。

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)時民間傳說，灤河自開平至永平河段，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，也會因缺乏水源，難以通行船只,建議元世祖忽必烈放棄這一計劃。郭守敬的真知灼見，避免了一次勞民傷財?shù)拇罄速M，元世祖深為贊賞。與此同時，郭守敬建議開挖北京至通縣的運河，這樣可把通過南北大運河從江浙運到通縣的官糧，直接運到北京城。

以前，從通縣到北京，全靠陸運，花費大量金銀不說，而且一遇大雨陸運非常困難。牲畜死傷，不計其數(shù)。元世祖采納郭守敬建議，令“當(dāng)速行之”。經(jīng)過兩年挖鑿，1293年，運河通航，長26公里。為了解決運河的水源問題，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，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)計出一條沿西山山麓長達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)計在河渠東岸修筑了一條大堤，史稱“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。使南來的船只一路北上直達大都城內(nèi)積水潭。運河開通后，元世祖從上都返回北京，見到積水潭上“舳艫蔽水”，盛況空前，十分高興，欣然親自賜名為“通惠河”。

著書立說

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

1280年，在《授時歷》剛剛編制完成，王恂去世。但歷書編算公式、計算方法及其精化工作，還沒有最后定稿。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、《新測二十八舍雜座諸星入宿去極》一卷、《新測無名諸星》一卷、《月離考》一卷等七十九卷。著書總共一百零五卷。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內(nèi)。由于封建社會的禁錮，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。邢臺城西北三十里，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)激勵后人。