作者：潘秀英
出版社：安徽美术出版社
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科学之光：探索科学的智慧试读：
前言
科技人才的培养，基础在于教育。谁掌握了面向未来的教育，谁就能在未来的国际竞争中处于战略主动地位。青少年是祖国的未来，科学的希望，担当着科技兴国的历史重任。因此，把科技教育作为一项重要的内容，从小学抓起，为培养未来的人才打下坚实基础是势在必行。
图解科技内容，进行科学普及，对培养广大读者学习科学方法，树立科学思想和科学精神，从面成为具有创造精神的，适应未来社会发展的建设人才打下基础具有十分重要的意义。
在新的世纪，随着科学技术日益渗透于经济发展和社会生活的各个领域，成为推动现代社会发展的最活跃因素，并且是现代社会进步的决定性力量。发达国家经济的增长点、现代化的战争、通讯传媒事业的日益发达，处处都体现出高科技的威力，同时也迅速地改变着人们的传统观念，使得人们对于科学知识充满了强烈渴求。
对迅猛发展的高新科学技术知识的普及，不仅可以使广大读者了解当今科技发展的现状，而且可以使我们树立崇高的理想：学好科学知识，为人类文明作出自己应有的贡献。
为此，我们特别编辑了这套丛书，知识全面、内容精炼、图文并茂，形象生动，通俗易懂，能够培养我们的科学兴趣和爱好，达到普及科学知识的目的，具有很强的可读性、启发性和知识性，是我们广大读者了解科技、增长知识、开阔视野、提高素质、激发探索和启迪智慧的良好科普读物。
免疫化学的奠基人兰德斯坦纳
20世纪以前，如果一个人不慎受外伤、大出血，或者患了严重的病症，需要补充血液，以提高身体抵抗力，或者补足失去的血量，以维持身体的生理活动的需要，那么，就要给病人输血，但输血的效果总是很不理想的。
经常发生这种情况，正在接受输血的病人，输着输着，突然病人发生剧烈头痛、腰痛，随后就呼吸困难、昏迷不醒，很快死亡；或者突然发生剧烈的胸痛或腹痛，呼吸困难，最后也死亡了。病人并不是由于原来所患的病症而死亡的，而是由于给他输血的缘故。
当然，不是每一个输血的患者都会发生这种情况，但是，由于输血不合适而导致死亡的病例，的确不少，百分比相当高。
对此，人们莫名其妙，也无可奈何。因为弄不清究竟是怎么一回事，所以也无从采取对策，只能碰运气，碰上“坏运气”，发生了输血反应，就只能坐以待毙了。
只是到了1900年，人们才发现这种反应是由于给血的人和接受输血的病人在血液的类型上不协调、不匹配，产生了反应，才导致死亡。
这个发现人体血液有血型之分的人，就是兰德斯坦纳。不同血液的互相反应，是一种免疫现象，兰德斯坦纳的发现，以后逐渐发展成为一门学科，即免疫化学。
热爱医学的少年
兰德斯坦纳生于1868年6月14日奥地利的首都维也纳。少年时代的兰德斯坦纳就非常热爱医学，希望将来成为一个医生。就在他家的附近有一所医学院，是附设于一个医院的。医学院里有各种实验室，其中有人体解剖实验室。
一般人，尤其是年青人，见着尸体就害怕，还躲得远远的。兰德斯坦纳却不同，他总是扒在实验室的窗口上，看人们在解剖尸体，观察人体的内脏构造，甚至看得入了迷。
他还十分喜欢读书，尤其喜欢读附有插图的医学图书，像解剖学教科书、胚胎学图书等等。凡是他看过后的图书，他都记得很牢，不会轻易忘掉。
他十分向往探索人体的奥秘。
1885年，兰德斯坦纳的理想实现了，他进入维也纳大学学习医学。由于他的聪明勤奋和具有丰富的科学知识，1891年，他以优异的成绩获得医学博士学位。他决心毕业后投入到医药工作中去，干出一番成绩来。
然而，事情并不一定按照他的理想那样进行。当时，奥地利是欧洲一个文化较发达的国家，人才云集。老科学家们并不把兰德斯坦纳放在眼里，他觉得有些“英雄无用武之地”。
但他并未灰心，相反，他仍然雄心勃勃，决心要干出一番事业来。
医生兼化学家
兰德斯坦纳在奥地利四处奔走。他一边行医，为人看病，给人解除痛苦，一边却如饥似渴地学习。他到处拜访名医、求师指点；还到当时各有名的学府收集资料，尤其是珍贵的学习材料。
当时，他曾到瑞士的苏黎士的罕特希实验室以及德国沃兹堡的埃米尔黄歇尔实验室和慕尼黑的巴姆伯格实验室努力攻读化学。以后，他转而攻研细菌学和病理学。而他在这方面所取得的进展是很可观的，这成绩应该归功于他前阶段在化学上所学习到的知识，以及在这门学科上的研究成绩。
兰德斯坦纳从化学的角度出发，研究人体的构造。当时，他专门研究蛋白质的构造。他知道，蛋白质是一种大分子、具有复杂的分子构造的物质。就当时的化学水平而言，要研究蛋白质的构造是非常困难的。他跳出当时一般化学家对普通物质的研究方法，转而研究人体血清，利用血清的种种试验来研究蛋白质的构造。血清中包含蛋白质，这是机体血液去掉红细胞、白细胞等成分之后的液体部分。通过对血清的种种试验，他认识到不管是动物还是植物，它们的蛋白质各不相同，各有自己的特征，这是构成不同动物、植物的基础。
兰德斯坦纳更进一步指出，生物有机体内部不同器官的蛋白质，更是多种多样，一种器官含有的蛋白质，与另一种器官含有的蛋白质就是不一样。他指出，生物的多样性与蛋白质的多样性关系密切，它与机器一般不同。因为机器只消用有限的几种不同的材料，比如钢、铁、木材……就能做成性能不同的各种机器。而有机体的各类器官却不是这样，它是由千变万化的蛋白质构成的。
兰德斯坦纳原来的目的，是想了解各种不同物种之间蛋白质构造的不同，同时也研究同一物种的不同个体之间，是否也存在一些不同。由于他是利用对血液的研究来进行的，这最终就导致了他发现人体的血型。
奇异的人体血型
在研究动物血液的过程中，兰德斯坦纳发现，当把不同种的动物血放在一起时，会出现凝集现象。所谓凝聚现象，就是指血液中的红细胞失去平时单独存在的特点，而互相粘集在一起，变成一堆一堆。
兰德斯坦纳还发现，人体内的血液有时也会发生凝集现象。奇怪的是，这种凝集现象有时发生，有时却不发生。
兰德斯坦纳对这个问题做了深入的研究。他认真地把发生凝集现象和不发生凝集现象的血液分别进行认真的检查，结果发现，人类的血液可以分成几种不同的类型。他的研究方法是把血液中的红细胞和血清分开来，然后把红细胞与血清混在一起，观察其反应。每一个人自身的红细胞与血清不发生凝集反应，这是自然的。再把这种红细胞与别人的血清混在一起，结果是：有的发生凝集，有的不发生凝集。
兰德斯坦纳认为，问题就出在红细胞与血清不协调上，如果是协调的，就不会有凝集了。经过认真分析和无数次的试验，兰德斯坦纳利用他坚实的化学知识，终于得出结论：人的红细胞内，含有一些化学物质，而血清中也含有一种与它相应的化学物质，相应的两种物质碰在一起，就会发生凝集现象。他把红细胞所含的这种物质，称为凝集原，血清中的那种化学物质叫凝集素。
研究终于发现，人体的凝集原有两种，分别叫A凝集原和B凝集原；而相应的凝集素也有两种，即a凝集素和b凝集素。兰德斯坦纳在当时把人的血液按所含的这些物质分成不同类型，他提出共有三种血型。后来，他的助手斯特里和另一个研究人员德卡斯特罗又补充了另一种，这就是说，当时能分辨出四种血型来。
血型的分类是根据红细胞所含的凝集素来定的，即A型的人含有A凝集原；B型人含有B凝集原。如果红细胞中两种凝集原都有，即是AB型；如果两种凝集原都没有，就叫做O型。所以四种血型分别是A型、B型、AB型和O型。
不消说，一个人的红细胞中的凝集原，不应该与自己血清中的凝集素相抵触，否则，血液就会凝集，人就活不下去。因此，如果一个人的血型是A型，他的血清中只能有抗B的凝集素，而不可能有抗A的凝集素。同样的道理，B型血的人，其血清中只有抗A的凝集素，而没有抗B凝集素。AB型人的血清中，没有任何凝集素，而O型人血清中既有抗A，也有抗B的凝集素。这个情况用下表列出，就比较清楚了：
兰德斯坦纳发现血型，是他32岁时就已经完成的。当时，人们对这个发现在医学上的意义认识并不清楚，因此，他仍然默默无闻地在做他的实验，也给病人看病。当时他在医学界仍然是个“无名小卒”。
1908年的春天，对兰德斯坦纳是一个具有重要意义的日子。当时，他在病理研究所当韦色巴姆教授的助手。一天，他刚授完病理课，走出教室，突然听到从医院里传来的妇女哭声。这阵阵哭声打动了他的心。
兰德斯坦纳一打听，才知道那位妇人因为刚生下来不久的幼儿患了瘫痪症。据医生们诊断，这种病无法治疗，只能坐以待毙。出于医生神圣的责任感和同情心，兰德斯坦纳自告奋勇，愿为这孩子治疗。
妇人抱着一线希望的心情，对兰德斯坦纳表示衷心的感激，并愿意让他来治疗。
原来，兰德斯坦纳正在试验用免疫血清来治病的方法。所谓免疫血清治疗，就是把致病因子注射到动物的体内。动物体内对致病因子产生一种抗体，然后，再把动物的血液取出，利用其血清中的抗体注射到病人身上，从而达到治疗的目的。
令人惊奇的结果出现了，被宣判为患“不治之症”的孩子竟然被他治好了。“无名小卒”一下子变成了“神医”，他的名声大振。
兰德斯坦纳的这种血清治疗，也是他坚实的化学基础给他带来的好处。这些都属于早期的免疫化学的内容。
血型的发现，成为人类在当时治疗许多严重疾病的得力帮手，使无数病人获得救治。
有许许多多疾病需要输血来急救，如果不及时输血，病人会马上死亡；如果能及时输血，病人就会得救，输血真有起死回生之功哩！需要输血治疗的疾病不少，比如：
因为受伤，发生大出血，甚至已经到了昏迷不省人事的地步；
因为有病，需要做手术，做手术的时候，会有大出血；
患胃或十二指肠溃疡病，而且溃疡比较深时，有时会把胃或肠子的大血管穿破，发生大出血；
妇女在生孩子过程中，由于难产或其他原因，发出大出血；
妇女在怀孕的过程中，胎儿本应在子宫内成长，由于种种原因，胎儿误入输卵管生长，结果，输卵管会破裂，发生内出血；
患肺结核，肺中有个大空洞，把血管穿破了，病人会大吐血；
患贫血病的人，体内的血液太少了，也需要给予输血；
……
总之，有许许多多种病症，由于人体血量不足，危及生命，所以输血是必不可少的。
还有一些其他非出血性疾病，虽然病人体内血液并不少，但却因为抵抗力过低，需要输一些血液，提高他们的抵抗力。又比如，有的病人受到有毒病菌的感染，全身中毒、高烧、昏迷不醒，必须输血急救，这是必不可少的。
由于，兰德斯坦纳发现血型之后，解决了人们需输血的先决条件，所以输血时不再出现意外，给病人带来了福音，使医学前进了一大步。
输血之前，要把病人的血型查验清楚，然后找到相同血型的血，再进行输血。例如，A型血病人输给A型血，B型血病人输给B型血等等。
有时，病人的情况特别紧急，来不及查他的血型，或者更多的时候是找不到合适的相同类型的血液时，医生们就找O型人的血液，给病人输进去，一般说，这也不会发生意外的。这是什么缘故呢？这是因为O型血液的红细胞中，不含有任何抗A或抗B的凝集原，所以把它输给任何病人，都不会发生凝集或溶血的现象。正因为这个道理，有人把O型血称为“万能给血者”。
同样的道理，凡是AB血型的病人，如果一时找不到相同类型的血，可以用其他任何一个类型的血输进去，因为病人的血清中没有任何凝集素，也不会产生凝集或溶血的反应。所以有人称AB型血液为“万能受血者”。
血型匹配，可以互相输血，不会发生意外的反应，后来，由于医学逐渐发达，人们成立了“血库”，就是事先把人的血型验清楚，然后，把符合献血条件的人的血事先抽出来，储存在血库里，以备随时的急需。
血型的完善
兰德斯坦纳发现人类的血有A、B、AB、O等不同类型之后，输血的事业大大发达起来。医学由于解决了这个问题，也使之向前发展了一大步。看来，输血的问题只要把这几个血型弄清了，就不成问题了。
但是，事情却并不那么简单。
在临床输血中，尽管所用的血液的血型与受血病人的血型相同，但有时还是出现意外，发生红细胞凝集。红细胞破裂后，就会出现溶血反应。开始时，兰德斯坦纳以为是由于对血型的鉴定不够准确的缘故。但经过反复验证，表明血型的鉴定并没有错误。
那么，是什么原因发生凝集和溶血反应呢？
兰德斯坦纳决心打破沙锅查到底。他利用化学知识，认真地对血型进行分析、检查和鉴定。经过长期的努力，1927年，他终于发现，在人体的红细胞里，除了A、B这两种凝集原以外，还有其他的凝集原，这就是M和N这两种。同样的道理，血清中存在抗M、抗N的凝集素，如果A、B两种凝集原查清了，输血用的血型也相同，而受血人与给血人的M与N这个凝集系统不相协调匹配，照样也会产生问题。
人们把A、B这个血型类型称为ABO血型系统，而把M、N这个类型称为MN血型系统。
由此，人们进一步了解了血型更多的秘密。在输血之前，不仅要查清ABO血型，还要检查MN血型，只有血型相匹配了，才能进行输血。
在以后的时间里，由于检验技术的提高，医学研究又不断发现：红细胞中的凝集原，也就是抗原远不止A、B、M、N这些，还有Rh，P……至今发现至少在15种以上，就以ABO系统来说，还可以细分为A、A、A等许多亚型。123
科学的不断进步，使血型这门学问也不断深入和提高。人们还创造了直接配血的方法，来检验双方的血型是否匹配。其方法就是把要输入患者体内的血液的红细胞与受血人的血清放在一起，看看是否有凝集现象，如果没有，就表明俩人的血是匹配的，可以相容的。如果出现凝集，那就不能输入。
滴血认亲
在我国古代传统剧目里，有一出叫《三滴血》的戏，说的是有两家人为争认一个孩子，都说孩子是自己家的后代。由于争执不下，而告到官府中去。主判官员用滴血的方法，把孩子的血与各家父母的血滴在一起，看看是否会聚合在一起，用这个方法正确地判定孩子真正的双亲。
这出戏说的正是我们上面所说的血型的问题。但古典戏中所叙述的内容，与现代科学所掌握的科学内容不尽相符。
现代科学已经证明，根据现代遗传学关于遗传的基因学说来分析，对子代ABO系统血型的鉴定和亲代同一系统血型的鉴定，并不能肯定谁是孩子的父亲，但是却可以否定一个人是否是孩子的父亲。这里，我们可以从下面的简表中，就可以明白这个道理了。
从这个表上可以很清楚地看到，如果一个孩子的血型是A型，那么，其父母的血型配合，可能是A×A，A×B，A×AB，A×O，B×AB，AB×AB，AB×O，这么多的可能性，就很难绝对说出他的父母应该是哪一种情况的血型了，所以说，没有可能通过血型的检查来决定谁是这个孩子的父母。
相反，如果一个孩子的血型是B型的，那么，其父母绝对不会有B型或AB型的；同样，孩子是A型的，其父母也绝不会是A型的。在这种情况下，就有可能通过血型来否定谁不是这个孩子的父母。这在某种情况下，可能很有用。比如说，有时在医院里不小心把孩子抱错了，或挂牌子挂错了，有时用这种方法可以作出判断，找到自己的亲生父母。
ABO血型系统除了输血时至关重要的意义以外，还有上面所说的在实际工作中的应用。那么，MN系统的血型在实际工作中有什么意义呢？MN系统血型在临床实际工作中，远不如ABO系统血型重要。但它在法医学上却有重要意义，法医可以根据血迹中MN血型，来判断谁是凶手。
奠基免疫学
兰德斯坦纳是一个终生勤奋、不断上进的医生。他在发现了ABO系统血型和MN系统血型之后，并未停止他的科学研究事业，而是抱着精益求精的态度，继续向这个王国进军。
1940年，这时候的兰德斯坦纳已经是72岁的老人了。可是，他一天也没有离开他的实验室。终于，他与另一名科学家韦纳一起，又发现了人体红细胞中还有另外一种新的抗原，这就是Rh抗原，或叫Rh因子。
为什么叫Rh系统血型呢？这是因为，他们在研究人体血型过程中，曾应用种种方法来测定红细胞中所含的抗原。当时，曾经从一种猴子叫恒河猴体内取出血液，再给家兔注射这种血液。家兔的血清中就会产生一种抵抗这种猴红细胞抗原的抗体。用含有这种抗体的家兔血清，与人体的红细胞进行交叉试验，结果竟出现了阳性反应，也就是有凝集反应。这表明，人类的红细胞中也包含着一种与恒河猴的红细胞一样的凝集抗原。由于这种猴子的拉丁文名字叫做M.Rhesus，所以当时就把这种抗原命名为Rh抗原，而把这个系统的血型称为Rh系统血型。
后来，人们还发现Rh抗原不止一种，而是一系列，还是相当复杂的。
兰德斯坦纳这种再接再厉，不断进取，在免疫化学上取得的成绩，再度为医学的进展贡献了力量。
在Rh系血型未发现之前，医生们碰到一个难题，始终没有解决。
有些妇女，虽然身体健康，但她们所产下的后代，除第一胎的以外，大多流产，或产下死胎；产下婴儿即便是活的，也活不了几小时。这些婴儿严重贫血，浑身水肿，肝和脾比正常婴儿都大，胎盘也比正常的大。还有一种是婴儿产下后严重贫血，不多时，婴儿皮肤及浑身上下都出现黄疸，与桔子或橙子的颜色一样。这种婴儿一般也只能活几天，即便经过医生多方面抢救，少数存活下来了，但也是智力低下、活动受限的“废品”。
这究竟是什么原因呢？人们把这种病人称为“新生儿黄疸症”或“新生儿溶血症”，又称为“胎儿有核红细胞增多症”。
好端端的人，为什么会发生这种情况呢？在1940年以前，人们是没有弄清楚的，对这个病真是“莫名其妙”。由于在输血过程中，血型不匹配而产生凝集、溶血现象，人们自然会想到是否因为是血型方面的问题。但是，对上述这类婴儿和他们的母亲做了调查，结果都没有查到有输血的事。所以这个问题一直没有解决。
自从兰德斯坦纳发现人类血液还有MN和Rh系统的问题以后，人们先是检查MN系统，没有发现问题；随后对Rh系统的血型做了研究，终于发现了一些线索。最后，对这个病的原因做出了结论：是因为母亲与婴儿的Rh血型不互相匹配的结果。
有人会问，母亲与婴儿是否因为输血引起的呢？没有。那又是为什么呢？原来，人体的红细胞虽然有Rh抗原，但并不是人人都有。例如，对我国人民进行普查的结果，发现在汉族人群中，99%的人都是Rh阳性，也就是红细胞中有Rh抗原，只有1%左右的人的血是Rh阴性。
问题就出在这少数Rh阴性的人身上。当一个Rh阴性的妇女，受到Rh阳性的血液的刺激以后，她的血液中就可能产生抗体。这个刺激可能通过输血引起，也可能通过别的途径。
如前所述，绝大多数汉族人都是Rh阳性的。如果一个Rh阳性的男人与一个Rh阴性的女人结婚以后，她所孕育的胎儿很有可能是Rh阳性的。要知道，胎儿是靠母体吸取营养，这是通过子宫内的胎盘进行的。胎儿的血液循环，通过脐带上的血管到达胎盘，并经过胎盘与母体的子宫相连。换句话说，胎儿的血液与母体的血液是相通的。这样一来，或者是受到阳性输血人血液的刺激，或者是受到血型为Rh阳性的胎儿血液的刺激，这个妇女体内会产生抗Rh的抗体。当第二次再输血，或第二次再怀一个Rh还是阳性的胎儿时，这样，母亲血中的抗体就会进入胎儿血循环中去，引起胎儿严重的凝集反应和溶血反应。
兰德斯坦纳发现Rh因子的重要意义也就在于此，他拯救了无数这种由于Rh血型不协调，而引起严重后果的生命。
看来，对妇女输血，必须考虑到血型的问题。如果妇女经常流产，或者所产婴儿有溶血性黄疸，都要考虑到血型是否匹配。目前，在临床上，如果病人需要输血，在输血前，都要做配血交叉试验，就是把给血人的红细胞与受血人的血清放在一起，以观察其是否会发生凝集，凡是有凝集现象出现的，都不能用来输血。即便是给血人和受血人的血型完全相同（指ABO系统），也都必需经过配血交叉试验，因为有时还有许多亚型和其他少见的凝集原、凝集素的反应。虽然这种反应并不常见，但也有可能发生的。只有直接进行交叉试验，才能保证输血的绝对安全。
兰德斯坦纳对血型的研究，对于研究人类的起源的人类学家来说，也有其积极的意义。他认为，通过对血型的鉴定，可以发现人类与类人猿的血液很相近，比猴类的血液更接近于人类，因此，他认为人与猿人有同一个祖先，而不是像以前所认为的那样，人类是从猿人中的一支中进化而来的。
此外，人们还根据对古代干尸的检查，发现人类的A、B凝集原系统是相当稳定的。这些技术用于检查古代人的血型，也是极有用的。
兰德斯坦纳在血型学上所做的开拓性工作，为医学的进展做出很大的贡献，解决了医学上许多重大问题。
为了表彰他在这方面的成就，诺贝尔奖金评奖组织把1930年的生理学和医学奖授给他。这是自然科学方面的最高荣誉。
孜孜不倦的医学伟人
20世纪初期，世界风云变幻，奥地利政府也忙于备战，兰德斯坦纳所从事的医学教育和研究事业不为政府所重视，他只能在极艰苦的条件下进行工作。第一次世界大战结束后，他离开奥地利，来到荷兰海牙的齐肯菲斯，在那里继续研究病理学和血型的工作。他为欧洲的医学科研工作，尤其是免疫化学方面，奠定了坚实的基础。
1922年起，他应美国洛克菲勒医学研究院之请，来到美国纽约，参加研究工作。在这里，他安心地继续他的研究事业，并取得了更大的成就。其间，他还受派来到洛克菲勒基金会在中国所建的协和医院工作了一年。
由于他在医学研究上的巨大成就，虽然他已经达到了美国所规定的退休年龄，但在他71岁之际，仍应聘成为研究院的名誉教授。他继续以惊人的精力，投入到研究工作中去。
1943年6月，他的心脏病突然发作，在研究院的医院中抢救无效，于26日逝世。这时候，他刚刚完成了那本《血清学反应的特殊性》的专著，这本专著后来成为这个学科中的经典著作。
兰德斯坦纳毕生勤于著述，他一生共发表学术论文约330篇，在化学、病理解剖学、实验病理学、血清学、免疫学方面，都有重要的学术著作发表。他对于梅毒、小儿麻痹症（脊髓灰白质炎）的论述，在早期医学界的影响也很大。
“巧思绝世”的机械发明家马钧
在我国的江南的一些地方，至今还在使用着一种木制的灌溉工具——龙骨水车，它的最初发明者不是近代人，更不是现代人，而是古代的一位杰出的机械发明家——马钧。由于他改进了织绫机，发明了龙骨水车，制造了指南车、抛石机、“水转百戏”等精巧的机械装置，在历史上曾获得了“巧思绝世”的机械发明家的美称。
指南车的指引
马钧，字德衡，我国三国时代的魏国扶风（今陕西武功县、兴平县一带）人，生卒年代不详。他出身于一个贫苦的家庭里，祖籍世代务农。马钧从小就口吃，因而一生都不善言谈。他虽动口不好，但却善于动脑、动手，尤其喜欢读书。每当看到一本好书，他往往爱不释手。有一次他从书上读到了一个发明的故事，便立刻被吸引住了。
书上讲的是上古时代黄帝大战蚩尤的故事。一次，黄帝领兵作战，因天降大雾，军队辨不清方向，结果被蚩尤打败了。回去之后，黄帝就想，在这种多雾的地区作战，如能辨明方向就好了。这时手下一个聪明的谋士便提出一个设想。他建议制作一种装置，能始终指向一个固定的方向，将士们看到它就可以不迷失方向了。黄帝觉得这个设想很好，便命人进行研究和试验，终于制作了一种指南车。这是一种奇妙的车，车轮与一套装置相联，这套装置又与车上一个手臂指向南方的小木人相联。当车子转变方向时，通过这套装置的转换，总能保证木人的手始终指向南方。这样，在大雾再一次降临的时候，蚩尤部落倾巢出动，想藉此机会使黄帝全军覆没。但他们没有想到，这一次黄帝的军队，由于有了指南车的指引，加上黄帝指挥有方，使队伍进退自如，士兵们越战越勇，最终却把蚩尤打败了。
在读了这本书之后，马钧又从另一本书上读到，在周朝初年，南方的越裳氏派来的使臣迷失了回去的路线，周公便利用制作的指南车，派人护送他们回国了。
这些故事简直使小马钧着了迷，当时只有十几岁的他，竟异想天开，也要造一台指南车。他找来父亲干木匠活的工具和一些木板，边琢磨边动手试验，一干就是几天。可究竟怎么才能指南，书上没说，他试验来试验去仍是一筹莫展。母亲见儿子这几天神秘地忙个不停，常常愁眉苦脸，不思茶饭，便心疼地问他在干什么。他告诉母亲黄帝造指南车的故事，并说他也在造指南车。母亲一听就笑了，说那只是传说，不一定是真事儿。可小马钧挺倔犟，非说是真事儿不可。母亲见他一脸孩子气，又是那样认真，便半开玩笑地逗他说：“我儿现在年纪还小，等长大了就一定能造出指南车来。”马钧听到妈妈的鼓励才高兴地笑了。他决心等自己再长大一些时，再来造指南车。尽管这一次没造成指南车，但却培养了小马钧对机械的兴趣和勤于动手的习惯。这无疑影响了他日后的发展方向。
改进织绫机
马钧从小生活在乡间，从父老乡亲们每日沉重的劳动中体味到生活的艰辛，并总想用什么办法来减轻乡亲们的劳动。为此，他非常注意研究当时所能见到的各种机械，并设法改进它们。其中比较突出的是他对织绫机的改进。
我国是世界上最早发明养蚕缫丝的国家。早在商朝的时候，以桑养蚕与缫丝织绸的技术就有了相当的发展。当时的人们已经掌握了平纹织法和挑织法，用以织出带有各种图案的丝织品。到了春秋战国时期，已掌握了能织出十几种丝织品的方法。到了汉代，中国的丝绸开始传入国外，我国由此获得了“东方丝国”的称号。
与此密切相关的是纺织机的发明和改进。我国最早的织布机大约发明于商朝的手纹织机，到周朝又发展出提花机械，至少在战国末期已经开始使用足踏织机了。利用脚踏板作提综（织机上使经线上下交错分开以便梭子通过的装置）开口的装置，就可以腾出手来投梭，手脚并用，使功效大大提高。这种织机是纺织技术史上具有划时代意义的发明。到了西汉初年，对织机又有了进一步的改进，有人还曾发明了一种新型提花机。它用120根经线，60天就能织出一匹花绫。但这种织绫机的最大特点是每根经线都要用一个脚踏的蹑（即踏板），这样120根经线就要有120个蹑，操作起来既费力又费时，很不方便。后来有人对它作了改进，把它简化成“五十综者五十蹑”或“六十综者六十蹑。”
马钧家的一位邻居大妈就有一台这样的“六十综者六十蹑”的织绫机。这种织绫机虽然效率有所提高，但织一匹绫子仍需几十天的时间，且复杂笨重、不便操作的问题仍没得到解决。
马钧从小就非常喜欢去大妈家看织绫。他觉得大妈的织绫机神秘、可爱，在大妈的熟练操作下，一匹匹色彩鲜艳、图案生动的花绫从织机中“流出”，比妈妈巧手绣出的刺绣还漂亮。随着马钧逐渐长大，大妈一天天变老，面对60根线、60个踏板，逐渐有些力不从心，动作也明显不如以前熟练，以往一个月就能织出的布，现在往往要用三个月甚至更长时间才能干完。马钧觉得这都是由于这种织绫机太复杂造成的。如果能使它的机构再简化一下，操作方便一些，就不会这么费力了。马钧那颗喜欢钻研的心又活动起来了，他决心要对这种织机加以改进。
马钧趁大妈有一段时间卧病在床之际，把她的织机全部拆开，仔细地研究了它的结构和各种零部件的功能。然后经过日夜的苦心钻研和反复实验，又重新设计了织机，将“五十综者五十蹑”和“六十综者六十蹑”两种旧织机，都改装成只需12个蹑的织机。这样就大大简化了织绫机的构造，使生产效率一下子提高了5倍。
当大妈身体康复，再次站到织绫机前时，看到的是一台很简便的织机。当她坐到机前操作时，更觉得方便至极，自己仿佛一下子又回到了身体强健的年轻时代，甚至比那时还要强。原来织一匹绫至少也要一个月，可现在她十来天甚至更短的时间就可织出一匹。她高兴得合不拢嘴，逢人便称赞马钧的才能。由于用新绫机织出的图案自然，变化多端，质量也有很大提高，所以在市场上成了畅销的抢手货，深受人们的欢迎。
于是，远近的许多人都慕名而来，请求马钧传授制作新型织机的技术。看到自己的发明赢得了人们的欢迎，马钧也很兴奋，对上门求教者都热心传授，并且不收分文。由此，经过马钧改进的新型织绫机便迅速地被推广开来，为家庭手工织布业的发展做出了贡献。马钧的名字开始为世人所知，“天下知其巧矣”。
夭折的抛石机
马钧即使在改进织绫机的时候，脑海里仍不时地闪现着童年时代要制造指南车的梦想。但同时也觉得单凭自己当时的力量，很难完成如此复杂的大型器械的制作任务。为此，他于公元233年来到魏国京城洛阳。此次来京城所抱的希望之一，就是能借助朝廷的力量来实现自己的梦想。后来经人介绍，他认识了京城的一位著名学者、文学家傅玄。中国历代统治者都有重视文学的倾向，所以作为文学家的傅玄能够有机会与上层权贵们接触。傅玄很欣赏马钧的才学，也听说过他改进织绫机的事。因此，两人相识不久便成了莫逆之交。傅玄答应帮他想办法，找机会向朝廷推荐。
傅玄深知，在他那个时代里，要想举荐成功，仅有才华是不行的，一定要为当时的官府作出一定的贡献，才能为权贵们所重视。马钧虽然成功地改进了织绫机，但对于那些视生产为“下人”所为的权贵们来说，根本不屑一顾。当时，由于魏、蜀、吴三国之间经常打仗，所以朝廷对个人的军事功绩比较重视。傅玄思忖，按马钧的才能，虽然不能在领兵打仗上建立功勋，但却可以在兵器的改进方面有所作为。
当时，蜀国丞相诸葛亮创制了一种武器叫连弩，可以连续发射几十支铁制弩箭，对魏国的军队威胁很大。马钧看到了魏军从蜀军那里缴获的连弩后，认为巧是很巧，但还不是最好的，如果改进一下，威力还能提高几倍。但他没有马上着手去改进连弩，而是看中了一种威力更大的攻城武器——发石车。这种发石车就像一个大天平，一头挂着一个斗，里面可以装几斤或几十斤重的大石球；另一头挂着很多根绳子。几十或几百名士兵拉着绳子，一齐用力把挂绳子的这一头拉下来，挂石头的那一头飞快地翘了起来，石头就被抛了出去，借以打击敌人。马钧发现，这种发石车不但用人多，花费时间长，抛出去的石头速度低，威力不大，敌人只需在城楼上悬挂湿牛皮，就可以轻而易举地挡住石弹，而且它只能间断性地单射，不能连射。
为了克服这些缺点，马钧研究设计了一种新的攻城武器——轮转式连续抛石机。他设想，用一个竖置的并能绕轴转动的大木轮，在轮缘周围用绳子吊上几十块“石弹”，然后用机械使轮子飞速旋转，轮边的“石弹”也会随之一起旋转，当转速达到一定程度，按一定节奏断开绳索，就会使石弹“首尾电至”，连续发射打击敌人。马钧按照这一设想，利用车轮和几十块砖瓦作了简易实验，结果与设想的一致，接连不断打出去的砖瓦，能飞出几百步远，威力很大。
傅玄见到这一试验结果非常高兴。他想，国家正处在交战之时，权臣们一定会对这一发明感兴趣，也一定会重用马钧这样的不可多得的人才。于是，他便亲自带领马钧，拿着设计图，直接去拜见安乡侯曹羲。曹羲见傅玄推荐的所谓“人才”，只不过是一个乡村匠人，便有些不以为然。但碍于傅玄的面子。才勉强地问了问这种武器的一些情况。由于马钧本来就不善言辞，加之又是第一次见到如此高官，未免有些紧张，一时间竟不知该说些什么。曹羲便以不善辞令、讲不出深奥的道理为由，不同意让他进行试制。傅玄为国荐才心切，只好亲自向曹羲讲述了这种武器的精巧及其威力，并将其称之为“国之精器”，力劝曹羲应“以考试为衡器”进行试验，以便不至于把美玉当成石头而随意抛弃了。经过傅玄的耐心说服，曹羲才同意将此事上奏主持军事并辅政的武安侯曹爽。但曹爽此时正忙于和司马氏争夺权势，对马钧的这一发明根本无心理会。傅玄和马钧都很失望。这一天才发明就此夭折。对这件事，傅玄曾感叹说：试验一下，本来是极容易的事。可是像马钧这样天下知名的巧人尚且得不到重视，更何况那些不出名的人呢！
水转百戏
此事过后不久，有人给魏明帝进献了一种叫做“百戏”的木偶玩具，它设计精巧，造型优美，美中不足的是不能动作。善于谄媚的曹爽这时才又想起了小马钧。为了取悦于明帝，这次曹爽派人找到了马钧。魏明帝问马钧：“你能使这些木偶人动作起来吗？”马钧略一观察，便自信地回答说：“能！”于是魏明帝便命马钧加以改制。
马钧奉诏后，便在宫廷内开始研制起来。他调动了自己的全部才智，制作了一套复杂而巧妙的齿轮、连杆、凸轮等组成的传动装置。然后又用木材制成了原动轮，用水作动力，使其旋转，通过传动装置的传递，使旋转运动变成了各个木偶各自不同的动作。这就是传说中的“水转百戏。”
制作完成后，魏明帝传旨，让群臣到后花园观赏改进后的“水转百戏”。这一天，宫廷里张灯结彩，鼓乐齐鸣，群臣朝服齐整，嫔妃们妆抹艳丽，一同随着明帝来到了设置“水转百戏”的后花园里。人们只见一个圆形的水池中，设有一木制大轮，平放在池底，轮子的侧面设有喷水的竹管。当竹管向外喷水时，轮子开始转动起来，同时，轮子上面“戏台”上设置的木人也都一起动作起来，有的击鼓吹箫，有的翩翩起舞，有的跳丸（古代的一种杂技，以手掷球，上下交替）掷剑，有的爬绳倒立，还有的舂米磨面，斗鸡杂耍，出入自如，变化无穷，场面热闹非凡，直看得明帝和嫔妃及群臣们目瞪口呆，拍案叫绝。
发明指南车
通过“水转百戏”，马钧虽然得以进入宫廷，但也没受到重视，只给他当了个“给事中”的小官。马钧对此倒也不十分计较，他心中惦记的仍然是要制造指南车。于是他决定把制作指南车的事上奏明帝。在等待明帝召见的朝房里，马钧和部分官员谈起了指南车的问题，许多人对此都抱怀疑态度。当时在场的散骑常侍高堂隆和骁骑将军秦朗则全然否认指南车的存在。于是，马钧和他们便展开了争辩。
马钧说，黄帝、周公都曾制造过指南车；他们则说，这只是传说，不可靠。马钧又指出，史书上记载过，春秋时期也曾出现过指南车，特别是近时（指东汉）的张衡也曾造过指南车；他们说，这是古书上随便说说的。马钧坚定地认为，古代很可能造出过指南车，只是我们没有深入去研究罢了，其实，这也不是多么深奥的事，给我时间和材料，我就可以把它造出来。
一听马钧也要造指南车，高堂隆和秦朗便拿出平时空谈中练就的绝招，利用文字游戏来讽刺马钧。他们说：“先生名钧，字德衡。‘钧’是器物的模型，‘衡’可以定物的轻重。可你说话连个轻重都不分，难道可以作为模型吗？”意思是说马钧没有真凭实据，只是信口开河，乱说一气。马钧深知没有事实的证明，很难说服这些“空谈高手”，于是便直接了当地回答说：“徒作空论是没有用的，不妨试制一下，自见分明。”
他们一同去见魏明帝，奏明此事。魏明帝虽然对管理朝政庸碌无为，但对游玩奢侈之事却兴致甚浓。他以前也听说过古代帝王出行时有一种先驱车，叫指南车。车上站着一个木人，伸臂南指，不管车子怎么转动，木人手臂总是指向南方。他虽未曾考虑过这种说法是真是假，但现在听马钧说他可以为自己造出一台来，想到自己以后也可享受用指南车开路的气派，便立即下旨命令马钧重造指南车。这样，马钧不但获得了充足的材料、上等的工具，而且由于皇帝准奏，宫廷内的能工巧匠都可以由马钧调配了。
经过马钧的苦思冥想，终于弄清了指南车的动作原理，然后开始设计机构，并画出了设计图。在工匠们的帮助下，没有多长时间，终于制成了指南车。这下，高堂隆和秦朗无话可说了。
尽管受到人们的称赞，但马钧却是一个从不爱炫耀自己的人。当时的一位著名地理学家裴秀，第一次见到马钧后，见其言语迟钝，便对人们给予马钧的赞扬不以为然。他自恃知识广博，要找马钧辩论。马钧听说后，便有意避开他。裴秀更加得意了。马钧的朋友傅玄听到此事后，便找到裴秀，对他说：“你擅长的是说话，马先生擅长的则是智巧。你用自己的擅长去攻击马先生，当然会占上风。要是你和马先生较量智巧，未必能占上风！马先生非常谦虚，不愿和你纠缠，所以一直避开你，你还不知道吗？”裴秀听后也觉得有些惭愧。
自马钧制成指南车以后，朝廷上下都逐渐佩服马钧这位很有智巧的人，“天下服其巧矣”。
发明龙骨水车
马钧虽然有许多杰出的发明创造，却始终也未能受到封建统治者们的重视，反而常常受到阻挠和蔑视，才能也未能得到充分的发挥。对此，马钧的好友傅玄曾慨叹说：马先生的巧，虽古时的公输般、墨翟，近时的张平子（张衡）也比不过，但公输般、墨翟为时所用，有益于世；平子虽任侍郎，马先生虽为给事中，但都没有做工官，不能发挥更大的作用，用人不能尽其才，实在太可惜了。尽管如此，马钧并没有过多计较，而是在完成了指南车的制造之后，便又开始了一个造福于子孙后代的构思，即要发明一种新的灌溉机构——龙骨水车。
离马钧在洛阳的住处不远的地方，有一片坡地，由于地势较高，无法引水灌溉，一直荒芜着。马钧觉得，如果能解决灌溉问题，则将是一片好菜地。由此，又萌发了他要发明新的灌溉机具的想法，并开始了对以往的灌溉工具的研究。
我国在东汉以前的主要提水灌溉工具是桔槔和辘轳。桔槔早在春秋战国时期就已经应用，实际上它是一种利用杠杆原理的提水装置。它是在井旁支一个木架，在木架上安装一根结实的木杆，木架将木杆分成短端和长端，短端系着木桶，长端坠个石块。当桶向上提水的时候，由于杠杆和坠石的作用，便比较省力了。辘轳则是利用轮轴原理制成的一种提水灌溉工具，它特别适用于深水井。但无论是桔槔还是辘轳，都不能连续灌溉，且效率也很低。马钧在研究了原有灌溉器具的基础上认为，只有使提水工具连续动作才能提高灌溉效率。为此，他开始了新的设计和试验。经过反复的试验和研究，终于制造了一种新的灌溉器械——龙骨水车，完成了具有世界历史意义的一项发明。
龙骨水车又叫翻车、踏车或水车。其构造是这样的：用木板作一个长约6.6米、宽约1.32～2.31米、高约0.33米的木槽，在木槽的一端安装一个比较大的带齿轮轴，轴的两端安装可以踏动的踏板。在木槽的另一端安装一个比较小的齿轮轴。在两个齿轮轴之间安装上木链条（即所谓龙骨），木链条上栓上串板。这样，在灌溉农田的时候，就把木槽的安有小齿轮轴的一端放入池塘或河中，人只要踏动大齿轮轴上的踏板，就可以使串板在槽里运动，刮水而上，实现了将水从低处提升到高处的目的，并且可以“更出更入”，循环不息，能连续不断地提水。龙骨水车比原来的提水工具效率提高近百倍。特别是由于它的结构轻便灵巧，妇女儿童都能踏转，所以很受欢迎，并迅速得到推广应用。这是当时世界上最先进的提水工具。
一千多年来，马钧发明的龙骨水车，一直作为一种重要的农业灌溉工具，在我国的农村被广泛的应用着。甚至在今天，江南的一些地方仍在使用着。
马钧的一生虽有过许多的发明创造，但一直未受到当时的统治者、官府的重视。然而，他的发明却受到了广大劳动人民的欢迎。后人敬仰他，称颂他为“天下至巧”。马钧已作为“巧思绝世”的机械发明家永远载入史册。
中古时代的天文学巨星郭守敬
在世界历史的中古时代，欧洲正处于中世纪时期，古希腊天文学的光辉被淹没了，天文学似乎出现了千年沉寂。当时，亚洲的中西部、埃及和西班牙是阿拉伯帝国的统治区，天文学还比较发达。而在世界的东方，中国天文学在上古时代诞生后一直沿着自己的道路独立地发展着，在这过程中出现过许多著名天文学家，本文所介绍的郭守敬则是其中最杰出的一位。在世界上同一时期，他的天文学成就也是极其突出的，他不愧被誉为中古时代的天文学巨星。与此同时，他还以治水方面的卓越贡献而彪炳史册。
少年显天赋
13世纪初至30年代，中国的南方由南宋王朝统治，而北方由日益没落的金朝和日益强盛的蒙古汗国统治。金哀宗天兴三年（1234年），成吉思汗之子、蒙古大汗窝阔台灭金朝，统一了中国北方。在这之前三年，即金哀宗正大八年（1231），本文主人公郭守敬出生于邢州的邢台县（今河北省邢台县）。他出生时邢台已为蒙古汗国所辖。
郭守敬号若思，其父亲大概在他出生后不久便去世了，所以郭守敬由其祖父郭荣抚养长大。郭荣粗通五经，熟谙数学、天文、水利等多种学术，给郭守敬以深刻的影响。少年的郭守敬不爱和年岁相若的孩子们嬉戏，而热衷于读书和观察周围的自然现象。据记载，他在十五六岁时曾获一幅《莲花漏图》，莲花漏是当时计时仪器壶中较先进的一种。因战乱，那时已很难见到实物，郭守敬仅凭此图加以琢磨，很快弄懂了它的原理。后来，在他31岁那年，据少年时的记忆独立研制出一台莲花漏。
郭荣有位老朋友刘秉忠博学多才，深通天文、算学、音律、术数等各种学问，受到成吉思汗之孙忽必烈亲王的器重，把他留在亲王府内当谋臣。大概在郭守敬十七八岁的时候，刘秉忠回家乡邢州奔丧。3年服丧期间，他带了一位名叫王恂的少年到邢台县以西100多里的紫金山闭门读书。郭荣听到这个消息，立即把郭守敬送至刘秉忠门下进修，王恂比郭守敬略小几岁，他们两人成了师兄弟和好朋友。3年后两人的学业都大有长进，刘秉忠对他们很赏识。
大概正当刘秉忠3年服丧期间，忽必烈亲王听取了另一谋臣张文谦的意见，派良吏去治理地处南北要冲但因长年战乱而农业凋零的邢州地区。张耕、刘肃被派到了邢州，他们采取了多种措施恢复农业生产，其中整治水道也为措施之一。邢州城的北郊有3条河流顺着地势从西向东流，最北的一条河道因泥沙堆积而淤塞，河水破堤泛滥，形成一片泥淖，中间的一条连河上架的石桥都陷于淤泥中，日子一久，连桥的所在处也找不到了。张耕、刘肃打算治理河道、修复石桥，便命年方21岁、刚师从刘秉忠3年后回家不久的郭守敬负责勘查和工程的治理设计工作。郭守敬通过现场实地勘测，提出了治理设计方案。根据他的方案，官府征调400多民工，挖出淤泥，疏通河道，使3条河流各有归宿，通行无阻，连埋没多年的旧石桥也被顺利地挖了出来，重新架设在河上。去往北方的大路上，过往行人再也不用艰难跋涉于泥淖之中了，河流也得以通航，农田又得到了灌溉之利。这项工程的顺利完工，首次显示了郭守敬在治水工程方面的杰出才华。
治水专家
蒙古蒙哥汗元年（1251），蒙古王公大臣拥立成吉思汗之孙、窝阔台之侄蒙哥为大汗，于是蒙哥成了蒙古汗国的最高统治者。蒙哥把包括邢州一带的广大汉族居住地区的军政大事全部交给其胞弟忽必烈亲王掌管。为巩固自身的统治，忽必烈采取了笼络汉族士大夫阶层和发展农业生产的方针。他召来在家乡守丧的刘秉忠。蒙哥汗三年（1253），他又让19岁的王恂担任其次子的伴读。郭守敬暂未进入仕途，他留在家乡潜心研究学问。
蒙哥汗九年（1259）秋，蒙哥汗在攻打四川合州的战役中阵亡。翌年，忽必烈在一些蒙古军事首领的支持和汉族谋臣的策划下，打破大汗应由王公大臣推选的蒙古传统，抢先自立为大汗，建都于开平（后称上都，在今内蒙古多伦县西北上都河北岸），并参照中原传统，下诏用年号纪年，这年便是中统元年（1260）。张文谦被封为“左丞”，不久又特派他兼任大名路（今河北省西南部地区）和彰德路（今河南省东北部地区）宣抚使。张文谦来到自己家乡邢州，诚恳邀请郭守敬出山做他的助手。
当时，忽必烈的军事力量主要用于蒙古族居住地区，与他的汗位争夺者阿里不哥和海都等人打内战。忽必烈十分需要一个巩固且能保障军需供应的后方。因此，发展农业生产成了大名路、彰德路宣抚使张文谦的主要任务。郭守敬认为，治水是恢复和发展农业的一个根本问题。在张文谦的支持下，郭守敬在大名路、彰德路两地区的各处奔波，认真勘察河流水渠分布，仔细研究地势地形，周密考虑引哪条水、修哪些渠、能增加多少灌溉耕地的面积等问题，最后逐渐在头脑中酝酿出一套整治水利的地区规划设想。
张文谦任大名路、彰德路宣抚使仅一年左右，便奉忽必烈之召返回都城开平。中统三年（1262），张文谦向忽必烈推荐了郭守敬，称许他“习知水利，且巧思绝人”。忽必烈很快召见了郭守敬。郭守敬向忽必烈汇报了自己在大名路、彰德路两地区的水利勘察情况，提出了6条治水建议，并详细阐述了每条建议中的工程方案及其效用。这些建议的实施，将对发展燕京（今北京市）以南、黄河以北的大片地区的农田水利灌溉和水上运输带来极大的好处。忽必烈对此深感兴趣，他当即派郭守敬担任提举诸路河渠的职务，让他经办各地河道水利事宜。翌年，郭守敬又被提升为佩带银符的副河渠使。
郭守敬的6条治水建议未能一一得以实施，原因是在他的第一条建议获准付诸实施之后，朝廷又派他去执行别的任务。中统五年，忽必烈更改年号，改称这年为至元元年（1264年）。这年初夏，郭守敬被派到西夏一带去视察河渠水道。几个月后，忽必烈决定建都燕京，并将其改称为中都。接着张文谦被派任西夏地区行政长官。西夏位于沿黄河的河套平原，一向是西北重要农耕地带，很早就开凿了许多灌溉渠道，但那时这些河渠大多已年久失修。在张文谦的领导下，郭守敬以副河渠使的职衔负责筹划整修西夏古渠，计划制定后，得到许多当地官员的支持，民众也踊跃参加。不到一年时间，不仅疏浚了旧有河渠，还开辟了几条新渠，同时设计修建了许多水坝、水闸来控制和调节河渠的水量。于是这一带出现了渠水四达、稻麦丰收的景象。后来，西夏人民特意在当地建了一座生祠，来纪念他的功绩。
至元二年（1265），郭守敬回到中都，忽必烈升他为都水少监，这是掌管全国治水的中央官署的副长官。郭守敬升任都水少监时期，中都日益成为蒙古汗国的政治中心。但从华北平原利用天然水道和运河只能到达离中都四十多里的通州（今北京市通县），从通州到中都原先虽有一条运河，但因所引水源太小，流量有限，无法通航，有时甚至河水干枯，因此通州和中都两地间只能依靠陆路运输。郭守敬提出改引卢沟河之水为运河水源的方案，为防河水暴涨，还提出了开凿减弱水势的减水口的补充建议。经忽必烈批准，此计划得以实施。但在至元三年（1266）完工后，并未完全解决水路运输问题，主要原因是卢沟河挟带泥沙太多，运河上不能加设可调节流量却会阻碍泥沙冲走的水闸，同时由于引水后水流湍急，巨大的粮船无法逆流而上。但它对两岸农田的灌溉则起了很大的作用。
至元八年（1271），忽必烈建国号大元，中国历史上的元朝便从这一年正式开始起算。翌年，忽必烈将中都改称大都，成为元朝的统治中心。郭守敬于至元八年升任为都水监，即掌管全国治水的中央官署的正职长官。至元十三年（1276），忽必烈将治水部门并入工部（掌管各种工程、水利等事务的中央官署），郭守敬被封为工部里的高级官员工部郎中，仍分管河工水利事务。郭守敬在任都水监和工部郎中任内，做了大量工作，勘察和治理过的河、渠、泊、堰以数百计，他还奉命沿着黄河和黄河故道测量地形，掌握了黄河以北纵横数百里地区内地势的起伏变化，并绘出地图，注明情况。
在长期负责河工水利工作中，郭守敬逐渐形成了地形相对高度的概念。元代齐履谦著的郭守敬传记《知太史院事郭公行状》中说，郭守敬“又尝以海面较京师至汴梁（今河南省开封市）地形高下之差”，即尝试拿海平面作标准来比较大都到汴梁不同地方的地势高低之差，这是当今地理学中“海拔”概念的最早应用，也是他长期水利工作中的一项创造性成就。这一概念的提出远比西方为早。
研制天文仪器
在金朝灭亡之后的三四十年中，南宋王朝与蒙古汗国处于南北对峙的局面。但南宋王朝腐败没落，军力衰弱，而忽必烈在一些汉族士大夫的谋划下，治国有方，军事强盛。至元十二年（1275），忽必烈发兵攻打南宋王朝，军事行动节节胜利，大军直逼宋都临安（今杭州市）。翌年，南宋恭宗赵儳投降。这以后，虽然宋室在文天祥、陆秀夫等人领导下，相继拥立赵正曰、赵昺奋力抵抗了三年多，但大势已去。至元十六年（1279），南宋王朝完全覆灭，元朝政权一统全国的局面形成。
中国历代封建王朝都把制定和颁布历法视为皇权的象征，忽必烈和他的谋臣们当然也这样认为，再加当时旧有历法错误甚多，的确也迫切需要一部准确的新历。至元十三年（1276），元军一占领临安，忽必烈就下令成立专门机构太史局（掌管天文、历法的中央官署），筹划编订新历。此事起初由王恂具体负责，不久忽必烈又同意王恂等人的建议，把郭守敬从工部调到太史局来，负责仪器制造和天文观测工作。两年后太史局扩大为太史院，张文谦任该院最高领导人太史院事，王恂为太史令，郭守敬为同知太史院事。太史院还集中了全国许多天文学者和历法工作人员。
郭守敬上书说：“历之本在于测验，而测验之器莫先仪表。”这就是说，制订历法的根本在于实际观测，而观测得先准备好适用的天文仪器。这种在实测的基础上编订新历法的原则得到太史院同仁的认同和元世祖忽必烈的批准。
郭守敬不光是制造传统的天文仪器，而且大胆革新，研制出许多前人所没有的、测量精度更高的新仪器。他首先对传统的圭表进行改革。圭表诞生很早，相传西周初（公元前11世纪）周公就已使用过圭表。它由直立的表和被称为圭的正南北方向水平放置的尺组成。正午时，太阳将表的顶端投影在圭面上，夏至时表影最短，冬至时表影最长，通过长时间的实测可以定出一回归年的长度。同样是在夏至或冬至，圭表在南方或北方所处的地理位置不同，影长也不同。历代的圭表其表的高度一般均取为8尺，但郭守敬却建造了高4丈的巨型圭表，因此称为高表。表加高到4丈后，圭长也相应增至128尺（指专门测量表影长短的影表尺，1尺等于24.525厘米），圭面周围有水槽，以便注水检验圭面安装是否水平。高表中的表系铜制品，原长5丈，入地深1丈4尺，在圭面上露出3丈6尺，表顶东西两端支撑起一道横梁，横梁至表顶4尺，这样横梁到圭面的高度差正好为4丈。横梁两端可系铅垂线，以检验表是否与圭面相垂直。设置高表的目的是为提高测量日影长度的精度，但表加到如此之高之后，表的影子就会模糊不清。为解决这一问题，郭守敬发明了一种叫景符的装置，它是一个宽2寸、长4寸的中间有一小孔的铜叶，北高南低地放在一个架子上，并随同架子在圭面上来回移动，利用小孔成像的原理，可在圭面上清晰地呈现出太阳和4丈高表的横梁的像，当梁影正好平分太阳像时，即可由此位置正确地读出日影长度。
为了测量星星和月亮的视位置，郭守敬又为高表设计了一种叫窥几的附属仪器，它是一张桌面开有长缝的长方桌，桌子长6尺、宽2尺、高4尺。将窥几顺着南北方向放在圭面上，人在窥几之下观测。窥几几面的狭缝中有两根界尺，叫窥限，观测时，使两窥限分别与天体及横梁上下边缘成一直线，然后取两窥限的中值，由此可算出天体在圭面上的“影长”，从而求出该天体的地平高度。
中国古代，测量天体在天穹上视位置的常用仪器是浑仪。它是在支柱上面，安装多组互相垂直的圆环，圆环上还有刻度。这多组圆环有的在最外层固定不动，有的位于较内层，可以绕中心转动。这些圆环彼此交结成一个浑圆的球，故称浑仪。在浑仪的中央，设有观测天体的窥管，它可以自由地转动，指向天穹上任何位置的天体，然后再从多组圆环上读出天体的几种不同的量度坐标。这似乎相当方便，但浑仪由于有多组圆环，一重套一重，这样不仅容易发生涩滞难运的现象，而且用窥管观测某天体时，常会被某一圆环所遮挡，从而对观测带来了许多不便。针对这一缺点，郭守敬对浑仪作了根本的改革，创造了著名的简仪。
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