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万历十九年(1591年)，朱厚烷病逝，载堉为世子，本可承继王位，但他上书皇帝，甘愿放弃。有司认为，“载堉虽深执让节，然嗣郑王已三世，无中更理，宜以载堉子翊锡嗣。”即使如此，载堉也不答应，他“累疏恳辞”，执意让爵，从他父亲卒年起，直到万历三十四年(1606年)，经十五年七疏之后，神宗皇帝才予以允准，“以祐橏之孙载玺嗣，而令载堉及翊锡以世子世孙禄终其身，子孙仍封东垣王。”让爵之后，他自称道人，迁居怀庆府，潜心著书，过着纯粹学者生活。
在朱载堉整个学术生涯中，研究成果涉及天文、律法、音乐多个领域，为后人留下了丰富的著作。其所著的《乐律全书》47卷不仅包括乐、舞、律、历学十多种著作的百科专著，而且他还是新法密率(即十二平均律)理论与计算方法的首创者。他首先提出的十二平均律的等比数列原则，以及解决管口误差问题的“异径管律”的方法，除了音乐本身的意义外，也是16世纪世界声学研究的重大成就，这为他在世界音乐史上奠定了崇高的地位。
朱载堉在天文方面的成就也为人所称道。明朝的首都在北京，我国历史上第一个精确计算出北京的地理位置(北纬39°56′,东经116°20′)的人，就是朱载堉。同时他发现，当时的历法计算每年的长度不是十分精确，经过仔细观测和计算，最终求出了计算回归年长度值的公式。在1986年，专家们用现代高科技的测量手段对朱载堉关于1554年和1581年这两年的计算结果进行了验证，验证发现，朱载堉计算的1554年的长度值与我们今天计算的仅差17秒钟，1581年差21秒钟，这不能不令世人震惊。
回顾历史，按照明朝制度，朱载堉本可被立为世子，袭封王爵，终身享受荣华富贵，他推辞王位或许让人难解。但历史是公正的，世上少了一位王子，历史上却多了伟大的音乐物理学家、数学家、天文学家[注: 天文学家是研究天文学、宇宙学、天体物理学等相关学科的科学家。因为有些哲学家、物理学家、数学家对天文理论有着不可忽视的影响，所以下面的列表中也包括这些人。]和散曲作家，成为和徐霞客、李时珍齐名的一代科学和文化巨匠，这在杰出人物寥若晨星的明朝宗室里，于国于家于后世无疑都是一大幸事。
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