中外科学家发明家丛书:郭守敬-第4部分

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量的角度实际上只有1′25″。3的误差。不过，这样的观测，在郭守敬当时　

的时代，是很难能可贵的。　

　　　　　另一项观测就是28宿距度的测定。我国古代在测量28宿各个星座的距　

离时，要用一颗星作为标志，这颗星称为“距星”。因为要用距星作为标志，　

所以距星本身的位置一定要定得很精确。从这一颗距星到下一颗距星之间相　

距度数叫“距度”。这距度可以决定这两颗星之间的相对位置。28宿的距度，　

从汉朝到北宋，一共进行过五次测量。它们的精度是逐次提高的。最后一次　

是在宋徽宗崇宁年间（1102—1106年）进行观测的，这28距度数值的误差　

平均为0°。15′，到郭守敬时，经他测定的数据，误差平均值只有4′。5，　

比崇宁年间观测的误差降低了一半。这是一个了不起的成就。　

　　　　　为了测定制历所需的天文数据和以后进行经常性的天文观测并充实司天　

台的设备，光依靠简仪和高表，还是不够的。在许衡的帮助下，从至元　13　

年　（1276年）起到至元16年　（1279年）的这3年中，郭守敬一共设计制作　

了大大小小10多种天文仪器。据记载，除以上两件外，还有：候极仪、浑天　

象、玲珑仪、仰仪、立运仪、证理仪、景符、窥几、日月食仪、星晷、定时　

仪、正方案、丸表、悬正仪和座正仪等许多件。这些仪器有的还留下了一些　

较详细的关于其结构、形态与作用的记述，至今可想见其当时的功效和创造　

的匠心，但也有些不知其究竟了。除了仪器之外，郭守敬还复制了仰规复矩　

图、异方浑盖图和日出入永短图等一批天文图，辅助仪器的使用，使操作人　


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员得以与实测结果相印证。由于元代禁止民间学习和藏有天文典籍，这些天　

文图也未能流传下来。现在我们再介绍一下一种较为重要的仪器。　

　　　　　　“仰仪”，是个铜制的中空半球，形状象一口仰天放着的锅。半球的口　

上刻着东西南北方向。半球上面刻着与观测地纬度相应的纵横线网格。半球　

口上用一纵一横的两根竿子架着一块小板，板上开一小圆孔，孔的位置正好　

在在半球的球心上。太阳光通过小孔，在球面上投下一个圆形的象，映照在　

所刻的线格网上，立刻就可读出太阳在天球上的位置。人们可以避免用眼睛　

逼视那亮度极高的太阳本身，就能确定太阳的位置，这是很巧妙的。更妙的　

是在发生日食时，仰仪面上的日象也发生相应的亏缺现象。这样，从仰仪就　

可直接测出日食的方向，亏缺部分的多少，以及发生各种食象的时刻等等。　

虽然伊斯兰天文家在公元11世纪时就已经利用日光通过小孔成象的办法来　

观测日食的亏缺，但他们只是利用一块有洞的板子来观测，帮助测定各种食　

象的时刻罢了，还没有象仰仪这样可以直接读出数据的仪器。　

　　　　　王恂、郭守敬等同一位尼泊尔的建筑师阿你合作，在大都兴建了一座新　

的天文台，台上就装备着郭守敬所创造的那些仪器。这座天文台是当时世界　

上最完善的天文台之一。　

　　　　　在郭守敬的建议下，元世祖派了14位天文学家，到当时国内26个地点　

　（大都不在之内），进行了几项重要的天文观测。在其中的几个地点，特别　

测定了夏至日的表影长度和昼、夜的时间长度。这些观测结果，为编制全国　

适用的历法提供了科学的数据。这一次观测的规模之大，在世界天文学史上　

也是少见的。　

　　　　　经过王恂、郭守敬等人的共同努力，到1280年　（元世祖至元17年）春　

天，一部新的历法宣告完成，取名“授时历”。同年冬天，正式颁发了根据　

　《授时历》推算出来的下一年的日历。　

　　　　　很不幸，　《授时历》颁行不久，王恂就病逝了。那时候，有关这部新历　

的许多算草、数表还都是一堆草稿，不曾整理。几个参加编历的主要人员，　

退休的退休，病逝的病逝，于是最后整理定稿工作全部落到郭守敬的肩上。　

他又花了两年多的时间，把数据、算表等整理清楚，写出定稿。其中的一部　

分就是《元史、历志》中的《授时历》。　

　　　　　在《授时历》里，有许多革新和创造。第一，废除了过去许多不合理不　

必要的计算。例如，避免用很复杂的分数来表示一个天文数据的尾数部分，　

改用十进制小数等。第二，创立了几种新的算法，例如插入法及球面三角法　

则等。第三，总结了前人的成果，使用了一些较为进步的数据，例如采用南　

宋杨忠辅所定的回归年，以一年为365。2425日，与现行的公历的一年时间完　

全一致。《授时历》是1281年颁行的；现行的公历却是1576年才由意大利　

人利里奥提出来。《授时历》确是我国古代一部很进步的历法。郭守敬把这　

部历法写成定稿，流传到后世，把许多先进的科学成就传授给后人，这件工　

作，对后人来说是很有意义的。　

　　　　　王恂去世不久，郭守敬升为太史令。在以后的几年间，他又继续进行了　

天文观测，并陆续地把自己制造的天文仪器、观测天象的经验和结果等编写　

成为宝贵的书籍。他的天文著作共有百余卷之多。然而封建帝王元世祖虽然　

支持了改历工作，却并不愿把真正的科学知识流传到民间去，就把郭守敬的　

天文著作统统锁在了深宫秘府中。那些科学遗产几乎全都被埋没了，这是多　

么令人痛惜的事！　


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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　四、设计制造“七宝灯漏”　



　　　　　　《授时历》完成，以及大量有关新历的资料整理结束，这已是至元后期　

了。也就是到了忽必烈晚年时期，此时，朝政腐败，民不聊生，暴动和起义　

相继而起。在这种形势下，太史院和司天台的业务当然难于继续有所做为，　

只是奉行着逐年编历与日常观测的例行公事。但是，郭守敬具有多方面的才　

能，除了当时政府又要他参与都城的水利工程外，他还在机械制造和机械传　

动装置等方面下功夫，特别是在同天文学有密切联系的计时仪器制造上，进　

行了辛勤的工作。虽然这里也有继承前人的创造，但是它们也反映出中世纪　

时代我国机械制造的水平。　

　　　　　这时期，郭守敬制作过一座“七宝灯漏”。那是一座时钟。虽然主要是　

为了取悦于元世祖忽必烈，给其享乐的生活添加一件富丽堂皇的摆设，但它　

的构造确是不简单的。　

　　　　　这“七宝灯漏”，实际上是一架原动力为水力的精密的机械时钟。整个　

灯漏高1丈7尺，约5。3米。它的主体是一个大“灯球”，内部分成4层，　

各起各的作用。　

　　　　　顶部最高一层内，四方环列着“四神”，即代表日、月以及天上列宿中　

在天球上相差半周的参宿与辰宿。它每天自东向西转动一周，表示天体在做　

周日运动。第三层，按东、西、南、北方向布置着苍龙、白虎、朱鸟、灵龟，　

即代表　28宿的四象的活动模型。它们按一定的时刻跳跃，舞蹈和鸣叫，与　

周日旋转运动相呼应。第二层四周刻有每日一百刻度的度数，又团团排列着　

代表12时辰的木制“12神”。每神手中各执一块写明时辰名称的“时牌”，　

按时在一定门口出现，报告那时正是什么时辰。另外再有一个木人，立在门　

口，一直用手指明着刻数；当时是何时何刻一望便知。底层四角又是四个各　

执乐器的木人。每个时辰分“初”和“正”两段，每段各有四刻。这一层的　

木人，逢初刻鸣钟，到二刻打鼓，至三刻敲锣；最末四刻时击铙钹。一般说，　

在日常生活中，白天六辰还较容易区分，而每辰再细分的八刻则往往吃不准。　

以时牌报时，配以不同的声响报刻，这样巧妙的一具时钟，确是相当完美。　

　　　　　灯漏的动力装备，是一组水力机械。用水车注入水壶，通过类似漏壶的　

一组水箱，使一个水位恒定的漏壶中的水均匀地流出，依次冲击激动一个枢　

轮。枢轮旁边装有一套轮轴装置。利用凸轮机构与齿轮系统，使轮轴传动装　

置的一重重机轮带动灯球内四层中不同的物象，作出不同的反应。尤其是第　

三层内的四象模型，能按时鸣叫与舞跃，这是前所未曾有过的。　

　　　　　毫无疑问，机械传动装置内装有控制速度的擒纵器，使走速均匀，计时　

准确；并且还装有相当复杂的凸轮机构和齿轮系统，以带动这一整套的传动　

装置。　

　　　　　灯球上面，有一道“中梁”；中梁之上还设有一道“曲梁”。　

　　　　　曲梁上面刻有水槽，用以定水准。中部安设“云珠”一颗。左右两旁，　

分别布置“日球”与“月球”各一颗。曲梁两端用龙首作装饰，梁摆动时，　

能够口吻张开，目珠转动，好似凝视着曲梁架上的水平位置是否左右平准。　

云珠下面另挂一颗“大珠”，位于其下的中梁上左右盘旋着两条龙，成双龙　

戏珠之象。两龙又能随大珠的摇摆而俯仰转动，好象是在昂首察看水槽内的　

水是否平均稳定。这两根梁，两个龙头和两条龙都非为了单纯装潢而虚饰的，　


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而是供校正这座水力机械时钟的水平状态之用的。它好象具有自动反映校正　

水平的工作过程的性能。　

　　　　　　“七宝灯漏”框架用的材料是以金子为主要成份的合金。灯球的四面都　

点缀着各种珠宝与金银饰物，华丽非凡。忽必烈得到它，非常高兴，将它安　

放在皇宫正殿大明殿上，因而又称为“大明灯漏”。元代，每逢皇帝即位、　

元旦朝贺、生日祝寿，册立皇后或太子，诸王与外国使节来朝及其它重大庆　

典，都在大明殿举行仪式。最高封建统治者，就是用点燃这座辉煌的灯漏来　

烘托那盛大典礼气氛的。　

　　　　　这种水力传动的机械装置，创始于2世纪前半期的张衡。经过唐代较多　

的改进，11世纪末，北宋苏颂，韩公廉等人曾制造过一座雄伟高大的水运仪　

象台，高近12米。它上层安装浑仪，中层设浑象，底层有一座五层木阁，通　

过水力传动机构，能自动报时、报刻和夜漏更等，并能摇玲、扣钟、击鼓、　

打锣，以声响报道时刻。七宝灯漏，自然是承唐宋旧制而作，它基本上同水　

运仪象台下部木阁内的计时机制相同。可是，北宋复灭以来，南宋初年在临　

安考虑重作一座时，已无人能理解苏、韩二人的构造原理，也没有人能够看　

懂苏颂的遗著。苏、韩原器在金初迁燕京后早已毁损。郭守敬能重新制造出　

来，还增添新的内容，这是不简单的。况且，比欧洲1386年方出现的第一台　

机械时钟，终究还要早一个世纪。不难看出，郭守敬确实具有卓越的才能，　

对数学和机械学都有着深厚的基础。　

　　　　　这段时期，郭守敬还试制过木牛和流马，进呈给忽必烈。凡看过小说《三　

国演义》的，都知道诸葛亮六出祁山伐魏的末期，曾制造过木牛、流马的故　

事。据史书记载，诸葛亮于蜀汉建兴9年　（231年）第五次出兵时，开始以　

木牛试作运输工具，下一年制造更多的流马和木牛。至建兴12年　（234年）　

他去世那年，第六次再出祁山，在艰险难行的栈道上使用大量木牛、流马，　

运送粮草及军用器材。但是这种木牛、流马的形状到底是怎样的？它的构造　

和性能又如何？却一向缺乏详细的记述。宋代，曾有人阐释道，木牛就是前　

面有两条车杠的小车子，流马即独轮推车。因为蜀道的山路崎岖险阻，大车　

难行，用这类小车子运粮，行动反倒便捷灵活，易于控制掌握。郭守敬进献　

的木牛流马，当时看到的人说，它们“虽不尽得诸葛旧制，亦自机妙”，使　

用起来甚为灵巧方便吧！　

　　　　　时光流逝，至元年间的末期，郭守敬已经六十岁左右了。回顾他的壮年　

时代，他曾在河工水利上作出过一番成就；中年以后，相当一段时间内，又　

在天文历法与仪器制造上做出了划时代的贡献。授时历的制订工作告一段落　

后，在负责太史院日常业务之外，他的精力又投入到大都城市建设的水道工　

程方面。这工作，即使到今天，仍有一定的参考价值。　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　五、让船舶驶入大都城　



　　　　　大都的城市变迁，亦有一段历史。早在金朝初期，金主完颜亮贞元元年　

　（1153年）从上京会宁府　（今黑龙江阿城之南白城）迁来燕京，作为首都，　

称为中都大兴府。北方蒙古族进入中原，忽必烈于中统元年12月曾进驻燕京　

的近郊，以后又在燕京“分立省部”，并于至元元年改燕京为中都，在旧城　

东北陆续营建新都。至元4年，正式迁都新城；至元9年，又改中都为大都。　

大都的规模宏大，名副其实地成为全国政治、经济的中心。但美中不足的是，　


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它的水源问题一直未得到彻底的解决。　

　　　　　金朝的中都故址，原是古代蓟城；那时是将辽代的南京析津府加以扩建　

而成。金建都后，封建统治阶级为了满足其生活享受，于建造宫苑园林时，　

曾考虑到用水的需要。同时，为了维持其宠大的统治机构，每年要从它统治　

的华北平原地区输送粮食到京师，水运问题也得认真考虑。北京地区在地理　

构造上三面环山，犹如海湾，称为北京湾。它的地形，从西部山区逐渐向东　

倾斜下降。地区的降水量甚是充沛，可又缺少天然的大河和湖泊，所以地下　

渗积水颇为丰富，而地面上却缺乏适当的水系可资利用。　

　　　　　金代，曾把今莲花河水通入凉水河的中间一