第一章 时代、生平及师友（1）
1213年春到1214年春，蒙古成吉思汗亲率三路大军南掠，席卷金朝统治下的黄河以北各府路州县，大肆劫抢人口、 牲畜、财物后北返，打破了华北地区的平静。之后，蒙古军队不断侵扰，在这种情况下，金朝委派的各地官员或弃职而逃，或叛金降蒙，地主武装也纷纷兴起，各据 一方，且在金、蒙之间或叛或降，互相攻战不已，极大地破坏了正常的社会秩序与生产活动，百姓苦不堪言。郭守敬于蒙古汗国太宗三年（1231，亦即金哀宗正 大八年、宋理宗绍定四年）出生在"顺德邢台"（苏天爵：《元文类·卷五十》，齐履谦：《知太史院事郭公行状》以下径称齐履谦：《知太史院事郭公行状》）。 齐履谦（1263～1329）是郭守敬的学生，又是郭守敬在天文历法与天文仪器制造领域的得力助手，他在郭守敬1321年去世后不久为其师立此传，既翔实 又可信，是为后续许多郭守敬事迹史料的重要依据，明初宋濂等所撰《元史·郭守敬传》也主要依之写成。本书对郭守敬生平和有关科技工作与思想的评价，也主要 以此为据而展开。该地在金时属河北西路邢州辖，元世祖中统三年（1262），忽必烈改邢州为顺德府，后又改为顺德路，即郭守敬为今河北省邢台市人。有人进 一步指出，今邢台旧县城西北三十里左右皇寺乡之郭村，当是郭守敬故里之所在。
元太宗六年（1234），金亡，长江以北尽归蒙古统治。 起初，蒙古统治者并不知道如何对中原汉族地区进行统治，他们不择手段地巧取豪夺，对人民进行竭泽而渔式的搜刮，致使民不聊生，四处逃亡，遂使华北地区的经 济继续处于大衰败、大倒退之中。关于当时邢台地区的状况，元平章政事宋子贞有如下具体的描述："邢州九县，为户凡一万五千，皆属达赖罕部，每城置达鲁花赤 一人，译言监视之人也。其人武并不习吏事，重以求取为念。故奸吏乘之，肆为割，始于贫民下户，次则中人富家，末则权贵势要，削肤椎髓，唯恐不竭。至无所 取，则求贷于贾胡，以供日用。累息既多，乃质民以偿之，束缚笞榜，无所不至。百姓始大骇，散而之四方矣，千里萧条，为之一空。郡城中才百余家，皆以土塞 门，穴地出入，望见马尘则匿至丛薄间矣。"（《古今图书集成》卷一百一十七，《顺德道·艺文》，《改邢州为顺德府记》。）郭守敬正是在如此水深火热的动乱 年代与地点出生，并度过他的少年时代。
郭守敬，字若思，出身于一个书香门第。他的父母亲可能早丧，史籍未见关于他们的记载。郭守敬从 小就跟随祖父郭荣生活。郭荣"通五经，精于算数、水利"，号鸳水翁。元代王恽在赞颂郭荣祖孙的一首诗的前言中称：郭荣"善推步算数，隐德君子也。"王恽的 这首诗是题在关于郭荣的一篇传记之末的，可惜这篇传记今已不传。其诗曰：
天元章会到玄机，星历推来一理齐；
襄国至今传异事，门前鸳水亦曾西。
龙岗洪水秋风老，燕处犹怀隐德尊；
黄极不穷身后数，青云今见起家孙。
"天元章会"是古代历法中常用的术语，"天元"指历法计算起点的上元，"章"与"会"指日月运行的某种周期，它们通指天体运动内部存在的可以用数学表达 的某种机理。"襄国"即指邢台，系因战国时赵国的赵襄子曾受封于此而得名。"鸳水"系指流经郭守敬故里的一条河流，郭荣、郭守敬的故居就在鸳水的岸边。而 被传为鸳水西流的"异事"，应是说郭荣曾导鸳水向西流，以灌溉其故里周边的农田，这同郭荣兼通水利之学的记述是彼此相应的。2001年4月初，笔者曾到邢 台市皇寺乡郭村访问，在郭村之南有一条现已干涸的河流，河道故迹仍明晰可见，跨越河道的两座石桥（一建于明代、一建于清代）犹存，据村民介绍，20世纪 50年代，河道中仍有水长流，该水原名鸳水。更值得注意的是，村民还介绍说，这条鸳水先是在郭村的西北方向自西往东流到郭村的东北方向，而后又向西偏南 流，到郭村之西又南流，再到郭村之南向东流去，正和"门前鸳水亦曾西"之说相吻合。这些情况更进一步说明郭村是为郭守敬故里之说是可信的。郭荣所主持的这 项水利工程对郭守敬的影响是极其巨大的。在第四章中，我们将要论及郭守敬在主持通惠河的引水工程时，曾导引原本东南流的神山等泉水向西流，这应是对其祖父 当年治水经验、思想和方法的直接继承与发展。
如上所述，郭荣是一位精通四书五经的儒者，并兼通天文、历法、数学与水利之学，曾有所造 诣，而且是一位道德高尚的君子。但由于身逢乱世，虽满腹经纶，却报国无门，今垂垂老矣，只好隐逸而居。于是，他把全部的希望完全寄托在小孙子郭守敬身上， 亲自给他以良好的教育。上引王恽的诗篇，在称颂郭荣的道德学问的同时，也正是表述了郭守敬不负所望，秉承家学，并发扬光大的意境。郭守敬"生有异操，不为 嬉戏事"。这是说，郭守敬自幼便聪颖好学，珍惜时间，向学好思，不像一般小儿喜好嬉戏玩耍。这在郭荣看来，自是一个可锻造的良才，身传面提之举愈勤，而郭 守敬则虚心求教，深受祖父的熏陶与教诲，渐得其传。
从以下两件少年郭守敬在天文仪器和天文观测方面的作为，即可见祖孙两人一教一学的初始成果。
第一件事是："公（郭守敬）年十五六，得石本莲花漏图，已能尽究其理。"（齐履谦：《知太史院事郭公行状》。）即在1245年至1246年间中国古代言 人岁数均以虚岁计，如郭守敬1231年生，当年即为1岁，1232年为2岁，云云。本书中，凡提及某人岁数，均依此例。郭守敬得到了一幅北宋燕肃莲花漏图 的拓片，便能依图将其原理说清楚。又一说认为，当时郭守敬"即能准式为之"，就是能依图复原制出莲花漏来。
燕肃（961～1040） 是在宋仁宗天圣八年（1030）献"上莲花漏法"的，该法首次采用了漫流式系统，巧妙地解决了水位变化对古代最主要的计时器漏壶流量的影响，大大提高了计 时器的准确度，在中国古代计时期史上占有重要的地位。该法随后不久即在北宋各地被广泛采用，燕肃则利用四出为官的机会，"所至，皆刻石以记其法，州郡用之 以候昏晓，世推其精密。"
由之可见，莲花漏有大小相同、上下差置于一平台上的"上柜"和"下柜"，以及上部形似莲花的受水壶（莲花漏 即因此而得名）。"上柜"的水经上渴乌（虹吸管）注入"下柜"，又经下渴乌转注入受水壶。在"上柜"的水流出一定数量后，需由人工及时添水。由于上渴乌的 口径略大于下渴乌，于是，"下柜"的受水量总大于排水量，因而始终保持漫溢状态；当然，漫溢出来的水并非任由其流到平台上，因在"下柜"上部开有小孔，多 余的水实际上由此漫溢出来，再经由"竹注筒"等导入"减水盎"中。这样既基本保证了起量度作用的"下柜"水位的稳定，亦即基本消除了因"下柜"水位变化对 水流量的影响。受水壶上部的莲花形设计方案，一是取其美观，二是为使置于受水壶中起量度时间标尺作用的"浮箭"垂直而稳定地上升。"退水孔"是当受水壶需 要排水时预留的孔道，而"退水盆"则承受所排之水。这是一种相当巧妙而周到的设计。
对此，一般少年读者似难理解其中奥妙，而郭守敬却 能"尽究其理"，这应是凭借郭守敬平日对有孔容器水流状况的细心观察，并由之得到的水位高低和流量大小之间内在规律的感知，也凭借他对图像的理解与很强的 形象思维能力，当然也不排除郭荣的点拨，才得以实现的。至于郭守敬这时是否还动手复制成了莲花漏，尚难断言，我们只能说制成了的可能性是存在的。
第二件事是：郭守敬"又得《尚书璇玑图》，规竹篾为仪，积土为台，以望二十八宿及诸大星"。所谓"尚书璇玑图"，应指古代的浑仪，它一般是用铜制成黄 道、赤道等环圈，并装有窥管以观测天体的位置。对这些环圈，郭守敬因陋就简、就地取材用竹篾编成，并依《尚书璇玑图》所示的构造模式，制成了一座虽简易但 可用的浑仪。为扩大视野，他还将所制浑仪安置在土台之上，用以观测中国古代传统的特定星座二十八宿诸星和二十八宿之外的其他亮星。显然，郭守敬是在郭荣的 指点下，熟知全天星座的相对位置、名称等之后，意犹未尽，不满足于对诸星座位置的定性了解，而希望进一步认知其定量关系，而有此举的。还有，郭守敬也显然 读懂了《尚书璇玑图》的含义，理解了浑仪之理，这同他对莲花漏的认识是一样的。应该说浑仪之制较莲花漏之作要复杂和困难得多，既已有他这时制成了简易浑仪 的明确记载，我们也更倾向于认为，他这时也曾制成了莲花漏。
从这两件事，不难得知少年郭守敬对天文学产生了极其浓厚的兴趣，而且跟一 般对天文学产生兴趣的儒生大不相同的是：郭守敬并不只是停留在对天文学内涵的书面了解之上，而是更注重于付诸实践；郭守敬还不是对古代盛行的天文与祸福相 关的说辞有兴趣，而是更关注与人们的生产、生活密切相关的计时仪器，以及天体运动的规律本身。此外，从中更可看到，少年郭守敬对天文仪器具有很强的理解能 力和动手制作的能力，在可能条件下的变通能力和对天体进行实际观测的能力，在郭守敬后来的一系列科技活动中，这些都得到了更加充分的体现。由小看大，莫若 于此。
少年郭守敬的这些科学活动是在十分困难的条件下进行的，是在如上所述的险恶的社会环境中进行的，所以更为难能可贵。还要指出的 是，少年郭守敬对科学技术的兴趣并不只限于天文学与仪象之学，从郭荣的志趣看，数学与水利之学也理当是教授的重点，这对郭守敬的影响是不言而喻的，此外， 当然还有关于为人处世、道德品质的教育。质言之，郭守敬从小受到了相当全面的素质教育，特别在科学方法与科学精神上得到很好的训练，并有所作为，且志向远 大，我们看到，一颗科学技术的新星正在冉冉升起。
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