六、天体测量　广博精深

郭守敬同王恂一道，于1276年主持修订历法的专门机构太史局之后，创制了许多天文仪表。那么他是不是等到新仪表制作完成以后再进行实测工作呢？不是的。他一面尽快筹划创制新的、更精密的仪表，一面因地制宜，马上利用并整修旧的仪器，昼夜进行天文观测，积极投入到科学实践活动中，为了编制准确的历法，需要扩大天文观测的规模并提高观测数据的精度。于是，他们上书元朝政府，请命在大都设置太史院，建造司天台，并提出在全国范围内设立测量站，进行大规模天体测量的方案，得到忽必烈的赞同。

设置太史院

郭守敬亲自选定京城东墙南端脚下为太史院院址（今北京建国门内明清古观象台北面一带），亲自设计太史院房屋的建筑式样。于1279年开始动工修建。竣工后的太史院建筑群，四周环绕着一周墙垣，长约150米，宽约100米，里面是个大庭院。中央矗立着的主体建筑物是一座台屋结合的综合性建筑——司天台，四周环以太史院的衙署房舍。

太史院设太史令一人，总管院务，最初由王恂担任。郭守敬先为副职，任同知太史院事，1286年升任太史令。同时还有一个金太史院事的职位，协助王恂、郭守敬的工作。我们先前提到过，王恂和郭守敬各有专长，因而分工不同，王恂擅长数学，凡日月五星的运行，四时昏旦中星宿的变易，均由他负责推导演算；郭守敬则精于仪象，凡表、漏、仪器的制作，时间的计量，日月星辰位置的测定，都由他负责规划办理。因此郭守敬的工作是十分重要的。

太史院还设有主事、令史、译史、通事、提学、教授、学正、管勾等各级官员，分管行政事务和教学工作。太史院的主要业务工作分属三个局，一为推算局，一为测验局，一为漏刻局。这种建制和规模的天文专门机构，在世界中世纪的历史上，堪称首屈一指！

建立司天台

太史院的主体建筑司天台，就是我国古代称为“灵台”的天文台。由郭守敬设计并主持建造的元司天台，是一座高达七丈（换算成米制为17.2米）的三层建筑物。最高处平台顶部作为主要观测场所，安放着简仪、仰仪和高表，天文学家们白天在这里观测太阳，夜间观测星月。中间一层按八卦方位分成八个大间，分别放置日晷、漏壶、水运浑天仪、浑天象以及盖天图等各种图书资料，是科研业务的工作室。下层是太史令和所属三局官员的行政办公室和仪器储存室。这座司天台建筑高大宏伟，设备齐全，但却十分严密，安排得井然有序，真可以跟现代天文台媲美呢！

可惜的是，经过元末明初的连年战争，这座司天台已经荡然无存。现在位于北京建国门立交桥西南的古观象台是明代建造的。原置于古观象台上的明制浑仪、简仪等天文仪器现存放于南京紫金山天文台。目前北京古观象台上陈列着的是清制八大铜仪。令人愤慨的是，这些明清天文仪器在20世纪初还经历过一场劫难呢！那是1900年，八国联军入侵北京，将北京古观象台洗劫一空。法国侵略军将明制简仪等五件仪器在光天化日之下搬到其驻华使馆，公然据为己有。后迫于舆论于1902年归还我国。更有甚者，德国侵略者竟将明制浑仪等五件仪器抢走，运回本国并陈列在柏林波茨坦离宫。直到1921年根据凡尔赛和约，这些国宝才重归故国。1931年“九一八”事变后，日本军国主义大举进攻，威胁华北。在那种恶劣的局势下，我国天文学者为防患于未然，保护国宝免遭敌人再次劫掠，于1933年将明制浑仪和简仪运到南京，陈列在紫金山天文台上。从中同学们应该体会到，我国近代的历史是一段充满了屈辱的历史。只有国家真正富强了，才会国泰民安。

四海大测验

郭守敬继承和发扬了我国古代天文学家“观象授时”的传统，即注重天象观测，从大自然的运行中发现规律，借以确定二十四节气，指导农事活动及时进行。1279年，他向忽必烈进言，提出了要在全国范围内进行大规模天文测量的宏伟打算。他指出，唐代的天文学家一行在制定大衍历之前在全国选了13个点进行过一次规模宏大的天文大地测量；而如今元代的疆域比唐代大得多，若不派遣历官分赴各地进行实测，就不能了解各地昼夜时间长短的不同，日月星辰位置高下的差异，以及日月食的时刻差别等情况，因而就不能制定出精确的历法。忽必烈十分欣赏这个意见，立刻批准付诸实施。于是郭守敬同王恂等人经过仔细规划，在全国各地定下了27个观测点，派了14个监侯官，“分道而出”，开始进行了规模空前的“四海测验”。

郭守敬本人在忽必烈批准此事后不到一个月，就亲自带领人马从大都出发。先北上上都，再折返向南，经过阳城等处，一直到达广州和南海，历时整整一年。他不辞辛劳，一路亲自动手观测天象，还在沿途建设观测站，前面提到的著名的河南登封观星台就是他途经阳城之时设计建造的。

在27个观测点中，郭守敬重点选取了6个点，观测的项目同大都的观测站一样，都比较多。其余21个点，则有选择地遍布于全国各地，主要观测夏至的日影长度和二分（春分秋分）二至（冬至夏至）日昼夜的时刻数；并测定了北极的出地高度，即当地的地理纬度。

这次“四海测验”不仅涉及范围广，而且测量精度高。从史书记载的当时所测地理纬度来看，对比现在可确定的数据，其绝对平均误差只有0.35°，这样的精确度实在是非常惊人。特别是当时陕西行省的2个点，河南行省的4个点和中书省直辖地的8个点，其误差大大低于平均值，还有2处几乎没有误差。《元史·天文志》称“是亦古人亦所未及为者也。”也就是说，郭守敬的测验确乎已达到了登峰造极的地步了。

1631年，明徐光启上疏朝廷预告推算日食时陈述了四件事情，其中第三件便是说明测日食自古至今，由粗入精，而以后的“四海测验”，更须按地区“详求经纬之法”。郭守敬之后三四百年，徐光启仍然沿用“四海测验”的传统名称，可见元代所创“四海测验”的影响是多么深远！

郭守敬领导的这次著名的四海测验，从南中国海到西伯利亚，从朝鲜半岛到川滇与河西走廊。南北总长5000多千米，南起北纬15度，北至北纬65度，比唐代一行的测量范围北纬17度到40度高出一倍还多。东西绵延2500千米，东至东经128度，西到东经102度。这次四海测验的地域之广、规模之大、测量数据之精准，不但在我国历史上是空前的，在世界范围内，也是中古时代无可比拟的一次大规模大范围的天文测量壮举！难怪法国著名数学家、天文学家拉普拉斯（1749—1827）在其著名的《宇宙体系论》一书中的天文史部分，特别提到了这次测量，并给予了高度的评价，认为这次测量的精度是卓越超群的。这项重大成就，与郭守敬的努力是密不可分的。

恒星大观测

如果说，规模宏大的“四海测验”，反映了郭守敬天体测量工作的广度，那么，周密细致的恒星坐标观测，则代表了他天体测量工作的深度。

首先让我们来看一看我国古代天文学中的两个基本数据的含义，即去极度和入宿度的概念，去极度是星星距离北极的度数，而谈到入宿度，就不是三言两语能解释得清楚的了。我国古代劳动人民，在日复一日年复一年的劳作中，与大自然朝夕相处，逐渐熟悉了天空的星象。发现了星象循环往复变化的自然规律。早在3000多年前，商代的甲骨文中就有了对星辰日月变化的记述。大约在周朝初期，形成了二十八宿的星辰格局。人们在赤道与黄道附近，月亮行经的路程上，从不计其数的繁星中选出28个标准星座。因为月亮每晚都要经过其中一个星座，就像是月亮每个晚上都要按次序停歇留宿一样，人们便形象地将这28个星座称为二十八宿。由此，二十八宿成为确定星星位置的标准，所测星星与二十八宿距星的经度差，便是入宿度。二十八宿距星与北极连接形成的二十八宿度线，就像今天地球仪上的经度一样。入宿度与去极度也类似于现代数学上的坐标体系，应该说，这种测量标准体系在那个时代而言，是非常科学和先进的，体现了我国古代科学技术的高超水平。

郭守敬从小就爱观测星空，因而具备了观测二十八宿及众多星星的丰富经验。他知道，要准确观测星象，二十八宿距度非常重要。二十八宿的距度是指一宿的距星与它东侧一宿距星在赤道上相差的度数，是一项非常重要的基本数据。自战国以来，这就成了天文工作中的主要工作之一。早期的单位是度，到北宋度下附有少度（1/3度）、半度（1/2度）、太度（2/3度），但所得数据仍不够精密准确。郭守敬决心重新测定更为精准的二十八宿距度及由此而得的诸星入宿度。这一次，郭守敬将数据精确到了1/20度，即百分制下的5分，所测二十八宿距度的平均误差仅为0.07度，这是多么惊人的精确度啊！值得一提的是，郭守敬之所以取得如此的成就，他所创制的浑仪等新仪器发挥了很大的作用。这应了我国一句古语：“工欲成其事，必先利其器”。就是说一个人如果要办什么事情，事先必须作好充分的准备工作，这样做起事情来才会有效率。俗语中的“磨刀不误砍柴工”说的也是这个道理。

郭守敬在大大提高了二十八宿距度精确度的基础上，又进而测量了全天的恒星。春秋战国时期，许多恒星都被测量并命了名。战国时期，魏国的石申夫编著过世界上最早的星表。汉初司马迁所著的《史记》中便已描述了500多颗星。三国时代的吴末晋初，太史令陈卓汇总古人著作确定下来的283个星座，1464颗星，在很长一段时间里成为典范。随后仍有不少天文学家投入到这项工作，例如唐代的著名天文学家一行，就重新进行过测定。而后宋朝皇祐年间又进行过一次较完备的测定工作，但也只是测量了每个星座的距星以及少部分星的入宿度和去极度。直到那时，测有数据的星的总数没有超过400个。然而，郭守敬对全天的恒星进行的不懈观测，大大超过了这个规模。据史书记载，他写过两本专业论著，一本叫《新测二十八宿杂坐诸星入宿去极》，一本叫做《新测无名诸星》。从中可以看出，郭守敬不仅对我国传统的业已命名的那1464颗星都重新予以测量，还对历史上从未起过名字的星星，也选了相当数目进行测量。可以说，这是中世纪最为详细而准确的星表。可惜的是，郭守敬写的这两本书未能传诸后世，现在已不在了。但经过历学家们的查考，从不完全抄本中得到的数据进行分析，郭守敬观测到的这么多星星的入宿度和去极度，误差十分微小，不仅远远超过了我国历史上著名的皇祐星表（12世纪初），同15世纪中叶闻名于世的兀鲁伯星表和16世纪末西方著名的第谷星表相比，是有过之而无不及。

《三恒列舍入宿去极集》为郭守敬所著《新测二十八宿杂坐诸星入宿去极》一书的不完全抄本，书中在星座图形的星圈旁标注入宿度与去极度。熔星图星表为一炉，是恒星图表表达方式的一种创新，可谓独树一帜。它标志着我国古代的恒星图表，已可从现存的石氏星表、宋代各星表至元代的星表，以及从敦煌星图到元明诸星图，贯串成一条有机的链索，反映了我国古代星象观测较完整的面貌和在世界恒星观测史上的高水平。令人遗憾的是现在已无法见到堪称巨著的星表的全貌了，但愿有一天我国考古工作者能重新发现它吧。