古代科学家郭守敬与他的事业

  京杭大运河今年将实现全线通水,千年运河生机再现。在大运河的历史上,郭守敬是一位重要人物,而这位博学多才的科学家的贡献并不止于水利。

  北京二环内,有一片较大的水面——什刹海。暮春时节花正浓,每到周末,都有不少市民来到什刹海休闲。什刹海是前海、后海、西海的统称。西海北沿有一座小山,山上有一座汇通祠,郭守敬纪念馆就设于此。

  汇通祠的原址并不在此。历史地理学家侯仁之在《什刹海记》中提到“汇通祠旧址正当昔日德胜门水关引水入城咽喉,淙淙清流,潆洄寺屿,下注什刹海,其地理位置至关重要,且为人民群众游憩胜地。”在上世纪70年代修造地铁2号线时,汇通祠被拆除,后复建于今址。

  在汇通祠中纪念郭守敬,在侯仁之看来是“饮水思源,不忘前贤筚路蓝缕之功”。这位13至14世纪中国杰出的科学家,整理了北京城水系,较好解决了当时北京城的供水与漕运问题。他不仅是一位水利学家,还是一位天文学家,研制了多种观星仪器,参与制定了《授时历》。

  1231年,郭守敬出生在邢州,今天河北邢台市有以他的名字命名的道路。关于郭守敬的家庭,传记资料中几乎没有提到他的父亲,郭守敬很有可能是由祖父郭荣抚养成人的。郭荣“通五经,精于算数、水利”,日后郭守敬能在天文、历法、水利等领域取得不俗成绩,与其深厚的家学渊源是分不开的。

  郭守敬自幼就表现出一种与众不同的气质,他“不为嬉戏事”,悟性极高,动手能力强。15岁时,郭守敬从古书上看到了浑仪的画像,浑仪是古代用来模拟日月星辰的位置、观测天体运行过程的测天仪器,构造并不简单,他照着画像用竹篾做出了一个浑仪,尝试用它来观测天象。

  可造之材必得良师指导才能有所成就。大概在郭守敬17岁时,祖父将他送去紫金山书院,拜刘秉忠为师。紫金山书院是当时邢台人文荟萃之地,刘秉忠、张文谦、张易、王恂、郭守敬先后在此研学,他们均入仕元朝,在不同领域取得很大成绩,被后人尊为“紫金山五杰”。刘秉忠年长郭守敬15岁,他是奠定元朝一代典章制度的重要人物,也是元朝兴建大都城的规划师。他以儒家经典为依据,结合北京的山川形势,规划了一座气势恢宏的大都城。

  郭守敬的故乡邢州城北有潦水、达活泉、野狐泉,金元之际,由于战事的破坏,三条河流堤坝受损,河水泛滥,冲毁了架设在河上的桥梁,百姓只能靠简陋的木桥过河,木桥“规制俭狭,随作随坏,行者病涉久矣”。1251年,21岁的郭守敬受命负责疏浚河道,这可难不倒他,没过多久便使“三水各有归宿”。更令人叫绝的是,在他指定筑桥的地方,工人在深厚的淤泥中发现了旧桥。当时著名文学家元好问,也就是那位写出“问世间情为何物”的元好问,为此写了一篇文章《邢州新石桥记》,提到“里人郭生立准计工”,“郭生”就是郭守敬。

  郭守敬32岁时,经中书左丞张文谦的推荐,得到面见元世祖忽必烈的机会,他提出“水利六事”,忽必烈每听完一事便点头称赞,评价“此人真不为素餐矣”,任命郭守敬提举诸路河渠。就这样,郭守敬开始了在元朝任官的历程。

  今天我们能够读到的关于郭守敬的传记,最重要的一篇是齐履谦的《知太史院事郭公行状》。郭守敬在太史院工作多年,这是一个“掌天文历数之事”的机构,在1278年元朝成立太史院时,郭守敬获任同知太史院事,后来升为太史令。

  河渠之事与天文历数之事都是郭守敬的专业领域。如果说通惠河是他在水利领域的得意之作的话,那么在天文历数领域的得意之作便是《授时历》,这是他50岁时取得的成就。

  太史院成立之初,一项紧急任务是编制新历法。元朝初期沿用的是《重修大明历》,又称《知微历》,因为该历是金朝的赵知微编制的。金朝从1182年启用该历,到1276年元世祖忽必烈下令编制新历时,《重修大明历》已经用了94年,近百年的误差积累导致天象预测与实际不符。

  接到编制新历法的任务后,郭守敬用了三年时间创制与改良了13种观天仪器。1279年的一天,郭守敬带着自己创制的仪表上朝,向忽必烈一件一件介绍,从早上一直介绍到日落时分,两人都不觉疲倦。有了精良的观天仪器,就可以展开天文观测,获得创制历法需要的数据。

  在元朝广袤的疆域中,郭守敬主持了一次规模空前的大地测量,27个观测点东起朝鲜半岛,西至河西走廊,南到西沙群岛,北至西伯利亚。七百多年前郭守敬主持“四海测验”的遗迹,我们还能在河南登封观星台看见。据说这里是周公用圭表测正午日影之地,周公测得此处为天地之中,遂修造了洛邑,这就是“建中立极”的道理。郭守敬对圭表做出改革,所谓观星台就是他改良后的圭表,比一般圭表高大得多,而观测精度也大大提高。

  郭守敬在大都司天台中收集观测数据,与他的同事共同创制出了《授时历》。1280年,《授时历》由朝廷颁布天下,它与后来世界通用的《格里高利历》精确度相当,但颁行时间却要早三百年以上。值得一提的是,大都司天台既是元朝太史院的办公地点,也是一个设备齐全的天文台,它的位置就在今建国门旁北京古观象台附近。在元明易代时,大都司天台被毁,今天我们看到的古观象台是明清两代的国家天文台,观象台上陈列的天文仪器凝聚了包括郭守敬在内的古代天文学家千百年的智慧结晶。

  今天,中国科学院国家天文台研制出的LAMOST望远镜(大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜)凝聚了现代天文学家的智慧结晶,它还有一个更容易记忆的名字——郭守敬望远镜。

  从建国门南行不到一公里,一条向东奔流的河流出现在眼前。这就是通惠河。通惠河是元朝大运河的一部分。通过运河将粮食等物资运送到都城,在中国有上千年的历史。隋唐修成的大运河,以洛阳为中心,向东南到杭州是一条线路,向西北到北京是一条线路。元朝定都北京,大运河不必绕道中原,应裁弯取直,从江南直上北京。

  能不能裁弯取直,如何裁弯取直,这都需要经过实地测量才能得到答案。1275年,担任都水监的郭守敬在北以山东德州为顶点、南至江苏徐州、西至河北大名、东到山东宁阳的这一大片地方进行了测量工作,得到的结论是大运河可以南北连通。

  1276年,元朝军队攻入南宋都城、大运河起点城市杭州,三年之后,南宋灭亡。富庶的江南归入元朝的版图,大运河的意义无疑更加重要。1283年,元朝修成了从济州(今山东济宁)到须城安山(今山东东平西南)的济州河。1289年,元朝修成从安山到临清的会通河,从临清到通州的河道在隋唐时期就已修好。元朝改造大运河的前两部曲完成,从杭州到通州一线贯通。

  漕船北上到了通州后,如何进入北京城内?打开今天的北京城市地图,可以发现通惠河北有一条几乎与之平行的东西走向河流——坝河。坝河原是高梁河的一脉,金朝曾利用这条河道通行漕船,但苦于水源不足,不能长期稳定通航。郭守敬32岁时向忽必烈提出的“水利六事”中,第一件事就是“中都旧漕河东至通州,权以玉泉水引入行舟”,如此可省下一笔巨额的车费。这项工程取得成功,是郭守敬为整理北京水系立下的头功。后来,由于开金水河引入皇城,分去了一部分玉泉水,导致坝河水源紧张。为了解决这一问题,1279年,郭守敬在河道上修了七座坝用来蓄水,这就是坝河一名的由来。

  尽管采取了建坝蓄水的措施,但漕船在坝河的通行仍然效率低下。只靠坝河无法满足大都巨大的漕运需要,这时通惠河登场了。

  修建通惠河是元朝改造大运河的最后一部曲,它凝聚了郭守敬三十年的治水经验,当通惠河工程于1293年完成时,郭守敬已63岁。元朝的通惠河比明清以至今日的通惠河都更长,它起于昌平白浮泉,这是郭守敬选定的水源,河道沿着西山山麓转了大半圈到瓮山泊(颐和园昆明湖的前身),而非直接从白浮泉南引到瓮山泊。之所以如此,原因之一是接引沿途的泉水,让水源更加充足。通惠河出瓮山泊,入积水潭,在万宁桥出积水潭,之后沿着大都皇城东城墙向南流,从丽正门(元大都城正南门)东水关出城,一路东奔,在通州里二泗村注入北运河。通惠河修好后,江南漕船可以直入积水潭码头。

  通惠河从白浮泉到瓮山泊的这一段,是郭守敬的独特构想,最可见其对水的性格的掌握。这一段沿途要与多条山溪交汇,夏秋时节,山溪易发洪水,可能会将渠道冲毁。为了解决这一问题,处理好引水与防洪的关系,郭守敬在渠道上设置了12处“清水口”,在山溪入口处把堤坝修得很低,这样山溪来水可直接流入渠道,而在修建入口对面也就是山溪下游方向的堤坝时,用到了一种特殊的材料,即用篱笆编成狭长的笼子,里面塞满石头,洪水发生时,堤坝会被冲毁,这样洪水能很快排到下游,不影响渠道引水功能,待到洪水过去后,又十分容易修复堤坝。

  郭守敬在晚年曾请求退休,但朝廷没有批准,1316年,86岁的郭守敬卒于任上。元朝名儒、郭守敬在太史院的同事许衡说,上天保佑让我们有了郭守敬这样的人才,这样的人才岂是容易得到的?后世的科学史家对郭守敬也有很高的评价。郭守敬当年对北京水系的整理仍存遗迹可以追寻,而大运河的生命力近年也逐渐得到恢复。今年,大运河将实现全线通水。千里通波再现,拱宸桥下,舳舻相连,燃灯塔旁,桨声灯影。(罗慕赫)

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