中外科学家发明家丛书:郭守敬-第3部分

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决定西起卫州，中以东平为枢纽，东连鲁中、南，南迄徐州，吕梁的黄河下　

游，北接运河直到杨村，建立水驿。这在相当程度上便利了元朝中央政府的　

指挥联系和军事运输，加强了伯颜南下攻宋的力量。　

　　　　　此后不久，都水监并到工部，郭守敬随之转入工部改任郎中官职，仍旧　

负责河工水利。尔后，他还对黄河中游地区的地形以及京汴沿途的大地水平　

进行了测量，这段时间，他在工作中的成绩是很突出的。　

　　　　　长期负责河工水利，使郭守敬思想中逐渐形成了一个地形相对高度的概　

念。测量地形高低需要一个基准，以作比较。郭守敬根据他所得的资料，曾　

经以大都东边的海平面为基准，将大都的水平高度与海平面作了比较。他进　

而又将大都至开封一线上的逐段与海平面作了比较。他所做的，确是一项重　

大而紧要的大地水平测量工作。他得出的结论是：开封离海很远，高程差的　

较多，致水湍急；大都距海极近，高程相差甚小，故水流缓慢，这是我国首　

次创设了用海平面以上的标高来表达地形高低的办法，在地理学与测量学上　

有重要的意义，即使在世界上亦远比西方早多了。　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　三、创制仪器观天文　



　　　　　我国是天文学很发达的国家之一。西汉以后，国家天文台的组织和设备　

已达到相当完善的地步。它的主要任务之一是编制历法。我国的古代历法，　

内容是十分广泛的。它包括日月运动及其位置的推算、逐年的日历编制、五　

大行星位置的预报、日食、月食的推算等等。历法关系到生产、生活甚至政　

治活动等很多方面。因此，对这项工作历来都是相当重视的。一种历法用久　

了，误差就会逐渐显著，因而需要重新修改。跟着每次重大历法的修改，总　

会带来一些创造革新的进步，象基本天文数据的精密化、天文学理论的新成　

就或计算方法上的新发明等等。历法的发展可以说是中国天文学发展史上的　

一条主线。　

　　　　　元朝初年沿用当年金朝的“重修大明历”。这个历法是1180年（金世宗　

大定20年）修正颁行的。几十年来误差积累日渐显著，发生过好几次预测与　

实际天象不符的事。再一次重修是迫切需要的事了。　

　　　　　元世祖迁都大都（今北京），采纳了已死大臣刘秉忠的建议，决定改定　

旧历，颁行元王朝自己的历法。于是，元政府下令在新的京城里组织历局，　

调动了全国各地的天文学者，另修新历。　

　　　　　忽必烈把建立太史局的具体工作，交给了当时负责教育工作的王恂，王　

恂认为当时的治历人员都只知编历的方法，不明制历的原理，在他的建议下，　

元政府把已告老回乡的许衡召回来，主持改历工作。为了郑重其事，又派昭　

文馆大学士张文谦，总管改历工作。郭守敬虽然在水利部门任职，但他精通　

天文历算，早已众所周知，在老同学王恂的推举下，忽必烈将郭守敬抽调出　

来，到太史局与王恂一起主办改历事宜。从此，在郭守敬的科学活动史上又　

揭开了新的一章，使他在天文学领域里有机会发挥出高度的智慧和才能。　

　　　　　治历一开始，郭守敬首先指出：“历之本在于测验，而测验之器莫先仪　

表”。就是说治历的根本在于实际观测，观测要有工具，就得先准备适用的　

仪表。这同许衡的见解是一致的。郭守敬首先与许衡到大都南城外金朝时期　


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的司天台，检查那里的仪器设备。其中浑仪还是北宋时代的东西，是当年金　

兵攻入北宋的京城汴京　（今河南开封）以后，从那里搬运燕京来的。这台浑　

仪当年远道颠沛，在转运途中免不了有些损伤，加上长期放置，更是环圈锈　

结，转动不灵。而且，这座浑仪原是在开封使用的，仪器的北极出地高度是　

当时所测得的地理纬度35度。大都的地理纬度比开封高得多。金朝将这座仪　

器运到中都后，并没有把仪器指向天球南北极方向的轴的位置很好加以调　

整。如果仍使用这座旧浑仪，测得的数据自然不会准确。郭守敬通过夜晚的　

观测来检验这座浑仪，查得其南北极轴的方向，与天球北极差了大约四度。　

按地理位置，中都与开封的北极出地高度，相差应有五度多，可见仪器已经　

走了样。郭守敬就把它加以改造，暂时使用。台上的圭表也由于年久失修，　

变得倾侧歪斜，不成样子。使用这样的仪器，怎样测得制历所需的大量天文　

数据呢？郭守敬对这些旧仪器一件件做了仔细的检查，并加以必要的校正和　

修复。经过一番修整之后，必需的测量工作，总算可以进行了。但是，在实　

际观测中，郭守敬感到这些陈旧的仪器操作起来很不方便，存在着好些不足　

之处，测量的精度又很不准，不能满足他的严格要求。他对浑仪原是颇有研　

究的，年少时还亲自做过一架竹篾扎的浑天仪。在对旧仪器的缺点作了深入　

的分析之后，他下决心按照自己的理想重新设计和制造新的天文仪器。以适　

应实际观测的需要。那时郭守敬已经46岁了，职位也相当高了，可是他依旧　

象以前那样，积极从事实际具体工作。在许衡的赞助下，他殚精竭虑设计出　

一件又一件新仪器，太史局又招进了一批技术优秀的工匠，以便进行冶铸和　

制作。　

　　　　　自古以来，人们就注意到冬至那天，太阳在南天的位置最低，正午时投　

射在地面上的影子也最长。人们根据冬至前后影子的长短来定出冬至的日子　

和时刻，而测太阳影长的仪器就是圭表。它是我国最古老也是最简单的天文　

仪器之一。“表”并不是我们现在用的钟表，而是一根直立的铜制标竿。早　

先曾用过木竿，更原始的还有采用石柱的。“圭”是从表跟向北方延伸的一　

条石板，上面有着读数用的刻度，实际上是一条正南北方向的长尺。它是以　

古代早期量地以及夏至日正午日影用的尺演变而来的，古代称之为土圭。每　

天正午，当太阳走到天空正南方时，表的影子刚好落在圭面上。一年中，日　

影最长的那天是冬至，日影最短的那天是夏至。多少年来，我们的历算家就　

是从仔细测量冬至与夏至前后若干天的日影长短变化，推算出每年冬至与夏　

至的准确时刻。接连测量若干年的冬至时刻，就可算出一年的回归长度。回　

归年就是太阳从天上的冬至点（或春分点）运行到下一年冬至点（或春分点）　

所需的时间。用圭表测量的日影长度，说起来简单，做起来却不那么容易。　

要得到比较精确的数据，也不那么简单。　

　　　　　首先是表影边缘不那么清晰。阴影越靠近边缘越淡，到底什么地方才是　

影子的尽头，这条界线很难分清楚。影子的边界不清楚，影子就量不准确。　

　　　　　使用圭表时的第二个难题就是测量影长的技术不够精密。古代量长度的　

尺只能量到分，往下可以估计到厘，即1/10分。按照千年来的测量方法，测　

定冬至时刻表影的长，如果量错一分，就足以使按比例推算出来的冬至时刻　

有一个或半个时辰的出入。这个误差是很大的。　

　　　　　还有，旧圭表只能观测日影。星、月光弱，旧圭表就不能观测星影和月　

影。　

　　　　　郭守敬凭着他深厚的数学基础与渊博的科学知识，仔细探讨了前人的成　


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果，深入思考了这些问题。他一边使用传统的圭表进行观测，一边在实践中　

摸索改进其不足之处。他终于取得了成功。　

　　　　　为了解决误差大这个问题，他首先想办法把圭表的表竿加高到五倍于原　

来的高度，因而观测的表影也加高到五倍于原来的高度，因而观测的表影也　

加长到五倍。表影加长了，按比例推算各个节气的误差就大大减少了。　

　　　　　其次，他创造了一个叫“景符”的仪器，使照在圭表上的日光通过一个　

小孔，再照射到圭面上，这样，阴影的边缘就很清楚，可以量取准确的影长，　

比以前测量的结果又增加了两位有效数字，因而他的工作是极为精密的。　

　　　　　郭守敬的圭表改进工作大概完成于　1277年，这年冬天已由它来观测日　

影。因观测的急需，最初的表竿是木制的，后来才攻成用金属制的。可惜，　

这座圭表已毁灭，我们已无法再看到它了。幸而现在河南省登丰县还保存着　

一座砖石结构的观星台，其主要部分是郭守敬制造的圭表。这圭表与大都的　

圭表又略有不同，它因地制宜，就利用这座高台的一边作为表，台下用　36　

块巨石铺成一条长10多丈的圭面。当地人给这圭表起了一个很豪迈的名字，　

叫“量天尺”。　

　　　　　圭表的改进只是郭守敬开始天文工作的第一步，以后他还有更多的创造　

和发明！下面就谈一谈他对浑仪的改进。　

　　　　　早在战国时代，我国便已有了自己的测天仪器——浑仪。浑仪也叫浑天　

仪，是由7、8层环圈套叠起来的一种大型仪器，形状象征着天球。天球是什　

么东西呢？当人们抬头观看四周天空时，天穹似半个圆球覆盖着大地，地平　

线下似乎还有半个圆球。太阳和月亮好象在这个圆球上东升，西落，并且不　

断地在星空背影上交换着位置，星星也好似是缀附在这个圆球面上转动。这　

种从视觉反映出来的表面现象，并不代表着实际运动。为了便于记录、计算　

和探讨天体运行的现象，就把这天穹叫天球，实际上是不存在的。浑仪便是　

模拟天球的测天仪器。仪器上的各个环，有的代表地平线和南北子午线，有　

的代表着赤道和黄道等等。仪器中心有轴，两头指向天球的北极和南极。这　

些环，有些是固定的，有些则能转动。有的环上刻有刻度、时刻或方位。最　

里面的一道叫四游环，能围绕南北极的枢轴旋转。双环中间夹着一根空长管，　

外方内圆，能在环缝之间转动，叫做窥管。窥管犹如近代的天文台上的望远　

镜，只是没有透镜罢了。若是东西转动四游环，同时南北向转动窥管，能从　

窥管中瞄准天球上的任何一点，随便观测哪个天体。　

　　　　　浑仪的作用虽大，却美中不足。用它进行观测，主要靠那根窥管和四游　

环。然而，这内环之外，还有6、7道重重套叠围箍着的外环！外层几道环称　

为6合仪，中层几道环称为三辰仪，最里面的四游环亦叫四游仪。这些环都　

有1、2寸的宽度。人在窥管下好端端地观测时，常常发现要瞄准的天体被一　

道环挡住了，实在不方便。有时，会把一个难得的或很巧的观测机会错过去，　

那是很遗憾的。这种仪器自发明以来，由简单趋向复杂，已经有着大约　16　

个世纪之久。郭守敬根据自己的实际观测经验，针对浑仪的不足之处做了大　

胆的革新创造。　

　　　　　郭守敬改造浑仪的主要想法是简化结构。他把这些重重叠叠套装的圆环　

省去一些，以免互相掩蔽，阻碍观测。那时候已发明了球面三角法的计算，　

有些星体的运行位置可以从数学计算求得，不必在这浑仪中装上圆环来直接　

观测。这样，就使得郭守敬在浑仪中省去一些圆环的想法得以实现。　

　　　　　郭守敬只保留了浑仪中最主要也是最必需的两个圆环系统；并且把其中　


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的一组圆环系统分出来，改成另一独立的仪器；把其它圆环完全取消。这样　

就根本改变了浑仪的结构。再把原来罩在外面作为固定支架用的那些圆环完　

全撤除，用一对弯拱形的柱子和另外四条柱子承托着留在这个仪器上的一套　

主要的圆环系统。这样，圆环就四面凌空，一无遮拦了。这种结构，比起原　

来的浑仪来，又实用，又简单，所以取名叫“简仪”。简仪的这种结构，同　

现代称为“夹图式望远镜”的结构基本上是一致的。在欧洲，象这种结构的　

测天仪器，要到18世纪以后才开始从英国流传开来。　

　　　　　郭守敬简仪的刻度分化也空前精细。以往的仪器只能读到一度的　1/4，　

这简仪却可读到一度的1/36，精度一下子提高了好多。这架仪器一直到清初　

还保存着，可惜后来被在清朝钦天监　（掌管天文历法的官署）中任职的一个　

法国教士纪理安拿去当废铜销毁了。　

　　　　　郭守敬用这架简仪作了许多精密的观测，其中的两项对新历的编纂具有　

重要的意义。　

　　　　　一项是黄道和赤道的交角的测定。赤道是指天球的赤道。地球是悬在空　

的天球之内，设想地球的赤道面向四周伸展出去，和天球的边缘相割，割成　

一个大圆圈，这个大圆圈就是天球的赤道。黄道是指地球绕太阳作公转的轨　

道平面延伸出去，和天球相交所得的大圆。天球上黄道和赤道的交角，就是　

地球赤道面和地球公转轨道面的交角。这是一个天文学基本常数。这个数值　

从汉代以来一直认为是24°，1000多年来，始终没有人怀疑过。实际上这个　

交角年年都在不断地减少，只是每年减少的数值很小，只有半秒，短期时间　

察觉不到罢了。可是变化虽小，积累了一千多年也会显出影响来的。黄、赤　

交角的数值的精确与否，对其它计算结果的准确与否很有影响。因此，郭守　

敬首先对这沿用了千年的数据进行了检查。果然，经过他实际测定，当时的　

黄、赤交角只有二十三度九十分。这是用古代角度制算出的数值。根据现代　

天文学理论的推算，当时的这个交角实际上应该是23°31′58″。郭守敬测　

量的角度实际上只有1′25″。3的误差。不过，这样的观测，在