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學(xué)究天人的大科學(xué)家——郭守敬

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月球上有一座“郭守敬環(huán)形山”,我國有一架“郭守敬望遠(yuǎn)鏡”,你知道郭守敬是何許人也嗎?今天,我們就來講講郭守敬的故事。

篤學(xué)好思,嶄露頭角郭守敬是我國元代著名的科學(xué)家,他在天文學(xué)、數(shù)學(xué)、地理學(xué)、機械制造學(xué)、水利工程學(xué)等方面都做出了卓越貢獻(xiàn),為了紀(jì)念他的功績,我國目前最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡——LAMOST就以他的名字命名。

郭守敬出生在公元1231年河北邢臺的一個書香世家。自幼喪父的郭守敬由祖父郭榮撫養(yǎng)長大。祖父郭榮是一位讀書人,不僅通曉四書五經(jīng),還精通數(shù)學(xué)、天文學(xué)和水利工程,結(jié)交了一批知名的學(xué)者。耳濡目染之下,郭守敬也十分熱愛科學(xué)技術(shù),十歲時就能自己動手制作一些有趣的小玩具。十五歲時,他發(fā)現(xiàn)了一本深奧的天文學(xué)著作——《璇璣圖》。通過認(rèn)真研讀,他弄清楚了書中的一個個原理,用竹篾(miè)制造了一架“渾天儀”。他還在院子里修筑了一座高臺,把渾天儀架于其上,并在旁邊放上一個小小的寫字臺,掛上一盞小燈籠。到了夜晚,他登上高臺,慢慢轉(zhuǎn)動儀器上的“窺管”,瞄準(zhǔn)星星,測量它們的位置和運行路線,然后再伏案記錄。就這樣,少年郭守敬已初步掌握日月星辰的運行規(guī)律,長大后逐漸成為遠(yuǎn)近聞名的年輕學(xué)者,每天都有許多仰慕者前來訪問和求教。

在郭守敬的青年時代,我國北方還在金國的統(tǒng)治下,后來塞北的蒙古國大軍跨過萬里長城,大舉南下打敗了金國,統(tǒng)治了北方,建立了元朝。因為北方經(jīng)常鬧水災(zāi),元世祖忽必烈在公元1260年召集水利專家整治河道。29歲的郭守敬和他的老師張文謙被朝廷授予官職,到河北、河南一帶監(jiān)督、指導(dǎo)河道整治工作。郭守敬非常認(rèn)真,通過廣泛的考察,對河道的走向、水利設(shè)施情況、泛濫的原因等都做了詳細(xì)記錄,并繪制成地圖。忽必烈非常賞識郭守敬的才干,給予了嘉獎。

臨危受命,編制歷法公元1276年,郭守敬45歲的時候,元朝的軍隊攻下了南宋的首都臨安(現(xiàn)今的杭州)。南宋滅亡了,元朝統(tǒng)一了中國。忽必烈把元朝的京城從燕北大草原遷移到了燕京(現(xiàn)今的北京),定名為大都。

國家統(tǒng)一后,人們急需一部全國統(tǒng)一的歷法,用以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn),而且此時距離一行編制《大衍歷》已經(jīng)過去五百多年,舊的歷法也早已不適用。在忽必烈的敦促下,朝廷建立了一個編制歷法的“太史局”。郭守敬被招入京,進入太史局專門負(fù)責(zé)編制歷法。

編制新的歷法,從何處入手呢?郭守敬提出“歷之本在于測驗,測驗之器先于儀表”,也就是說要編歷法首先要進行觀測,在觀測之前必須先制造好觀測工具。郭守敬召集了幾十名匠人,在寬大的場院里搭起了一座大棚,棚底下修起了一座座大大小小的冶煉爐。郭守敬忙著設(shè)計觀測儀器、繪制圖紙,工匠們則按圖制造。郭守敬精通數(shù)理、天文學(xué)、機械制造,又有實際的觀測經(jīng)驗,深厚的學(xué)養(yǎng)使他迸發(fā)出無窮的創(chuàng)造力,他先后制造出15種以上的新儀器,解決了許多觀測難題。他發(fā)明的“候極儀”,解決了給北天極定位的難題;他發(fā)明的“仰儀”能精確測量太陽方位,把太陽的影像投在一個“大鍋”內(nèi)就可以測定日食從開始到結(jié)束的時刻;他發(fā)明的“玲瓏儀”能夠隨時測到每一顆星星在天空中的位置。這些儀器的復(fù)制品如今大都陳列在邢臺市的“郭守敬紀(jì)念館”里。

郭守敬制造的最著名的儀器當(dāng)數(shù)“簡儀”。在郭守敬以前,歷代天文學(xué)家都使用渾儀測定星辰的位置,渾儀的經(jīng)度環(huán)、緯度環(huán)、黃道環(huán)、白道環(huán)、子午環(huán)、地平圈環(huán)環(huán)相套、復(fù)雜多變,轉(zhuǎn)動起來非常困難,各環(huán)之間還互相遮擋,常會掩蓋住要觀測的天體,給測量工作帶來很多麻煩。郭守敬用思辨哲學(xué),反其道而行,將這些環(huán)一個個地分開,安裝在一個支架上,每個環(huán)都可以獨立旋轉(zhuǎn),分別完成不同的觀測項目,不會互相干擾。這樣,他就把這種化繁為簡的儀器取名為“簡儀”。郭守敬設(shè)計的簡儀測量精度很高,代表了當(dāng)時世界最高水平。英國的科學(xué)史專家李約瑟曾說:“對于現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡廣泛使用的赤道裝置來說,郭守敬的簡儀堪稱‘先驅(qū)’?!?/p>

巧用工具,躬身觀測公元1279年,簡儀制造成功后,朝廷在大都建造了一座司天臺(現(xiàn)北京古觀象臺前身)。郭守敬就在這座司天臺上成年累月地進行天文觀測,他測量的黃赤交角度數(shù)為23°33′5.3″,與后來測得的當(dāng)時真實的黃赤交角相比僅有1′6.8″的誤差。18世紀(jì),法國著名的天文學(xué)家拉普拉斯在論述黃赤交角逐漸變小的理論時,引用了郭守敬的測定值,并對郭守敬的觀測給予高度評價。

通過測量每一年的冬至?xí)r間,郭守敬算出了一個回歸年的長度——365.2425日。三百年后,歐洲出現(xiàn)的《格里歷》采用的也是這個數(shù)據(jù),非常接近當(dāng)今的365.2422日。不僅如此,郭守敬還對1 000多顆恒星位置進行了測定,編制成了星表。這些都為制定新的歷法打下了堅實的基礎(chǔ)。

除了在司天臺進行觀測外,他還組織了全國范圍的四海測量,從東到西、從南到北,設(shè)立了27個觀測點,其中一個觀測點就是如今的河南登封觀星臺。這個觀星臺于公元1279年建成,臺高9.46米,量天尺長31.19米。每當(dāng)正午時分,太陽光將臺頂?shù)挠白油渡湓诹刻斐呱希瑥挠白拥拈L度就可以確定二十四節(jié)氣,冬至日影子最長,夏至日影子最短。郭守敬不辭辛勞,親自到南海、北疆去測量,取得了豐富的資料。

公元1280年,郭守敬已近50歲。這一年的二月,他和同事們根據(jù)累積的觀測數(shù)據(jù),進行了精密籌劃,編制出一部嶄新的歷法——《授時歷》。從公元1281年起《授時歷》正式在全國頒行,且在此后一直沿用了三百六十多年。這部歷法匯集了我國古代歷法的精華,較前人的舊歷也更加精準(zhǔn)。

公元1286年,郭守敬升為太史令;公元1301年,郭守敬年滿70歲,按照當(dāng)時的官方規(guī)定,郭守敬已經(jīng)可以退休了。他提出申請,可是皇帝并沒有批準(zhǔn),一直讓他連任到86歲去世。

明朝時,德國傳教士湯若望把郭守敬稱為“中國的第谷”。第谷(1546—1601)是丹麥的天文學(xué)家,比郭守敬晚生315年,他在汶島上建立了一座邊長為75米的正方形“觀天堡”,制作了13架觀測儀器,其中的渾儀直徑3米,精確度達(dá)到了1″。他觀測20年,測定了777顆恒星的位置,出版了《魯?shù)婪蛐潜怼?,?6世紀(jì)歐洲大航海的船只定位打下了基礎(chǔ)。1601年第谷去世后,他的學(xué)生開普勒根據(jù)他的觀測資料發(fā)現(xiàn)了行星運行的三大定律,也就是著名的“開普勒定律”。

第谷與郭守敬所做的貢獻(xiàn)有許多相似之處,他們也同為世界一流的天文學(xué)家,不過比較起來,第谷比郭守敬晚出生了300余年,湯若望應(yīng)該反過來說第谷是“歐洲的郭守敬”才對!