指南針的發(fā)明年代很早，已經(jīng)有兩千多年的歷史。我國古籍中，有關指南針的記載很多。在這里，我們只就指南針的發(fā)明歷史和它對人類的重大貢獻，以及我國古代關于磁學方面的初步知識，作一簡單的介紹。
關于指南針
指南針是利用磁鐵在地球磁場中的南北指極性而制成的一種指向儀器，它和以齒輪結(jié)構的機械指南車不同。
我們現(xiàn)在所說的指南針是個總的名稱，在各個不同的歷史發(fā)展時期，它有不同的形體，也有不同的名稱，如司南、指南魚、指南針和磁羅盤等等。
關于指南針的最初發(fā)明者和發(fā)明年代現(xiàn)在無可查考。但是有一點是清楚的：指南針是我國古代勞動人民在長期的生產(chǎn)實踐中集體智慧的結(jié)晶。
指南針的發(fā)展和演變
指南針大約在我國戰(zhàn)國時期就已經(jīng)出現(xiàn)了。最初的指南針是用天然磁石制成的，樣子像一只勺，底圓，可以在平滑的“地盤”上自由旋轉(zhuǎn)，等它靜止的時候勺柄就會指向南方。占人稱它“司南”。東漢的王充，在他的《論衡·是應篇》中曾說：“司南之杓，投之于地，其柢指南�！边@里的“地”，是指漢代栻占的方形“地盤”，地盤四周刻有八千（甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、癸）和十二支（子、丑、寅、卯、辰、已、午、未、申、西、戌、亥），加上四維（乾、坤、糞、民），共二十四向，用來配合司南定向。從戰(zhàn)國、秦漢、六朝以至隋唐的古籍中。有不少關于司南的記載。如《韓非子·有度篇》里有“先王立司南以端朝夕”的話，“端朝夕”就是正四方的意思�！豆砉茸印ぶ\篇》里也記載說，“鄭人取玉，必載司南，為其不惑也。”就是說鄭國的人到遠處去采玉，就帶了司南去，以便不迷失方向。
古代的司南是用天然磁石經(jīng)人工用琢玉的辦法琢磨成的。我國商周時期琢玉工人的技術已經(jīng)很精湛，至遲在春秋時期就已經(jīng)能把硬度五到七的軟玉和硬玉琢制成各種形狀的玉器，因此也能夠把硬度只有五·五到六·五的天然磁石制成形體比較簡單的司南來。
由于天然磁石在琢制成司南的過程中不容易找出準確的極向，而且也容易因受震而失去磁性，因而成品率低。同時也因為這樣琢制出來的司南磁性比較弱，而且在和地盤接觸的時候轉(zhuǎn)動摩擦阻力比較大，效果不很好，因此這種司南未能得到廣泛的使用。
隨著社會生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，科學技術的不斷進步，航海業(yè)的不斷擴大和發(fā)展，制造出一種比司南更好的指向儀器不但成為必要，而且也有了可能。在經(jīng)過勞動人民長期的生產(chǎn)實踐和反覆多次的試驗之后，人們終于發(fā)現(xiàn)了人工磁化的方法，這樣就產(chǎn)生了更高一級的磁性指向儀器。
北宋初年由曾公亮主編的一部軍事著作《武經(jīng)總要》和由著名的科學家沈括撰寫的《夢溪筆談》里，分別介紹了指南魚和指南針。指南魚是用薄鐵葉裁成魚形，然后用地磁場磁化法，使它帶有磁性（詳后）。在行軍需要的時候，只要用一只碗，碗里盛半碗水，放在無風的地方，再把鐵葉魚浮在水面，就能指南。但是這種用地磁場磁化法所獲得的磁體磁性比較弱，實用價值比較小。另一種指向儀器是指南針，它是以天然磁石摩擦鋼針制得。鋼針經(jīng)磁石摩擦之后，便被磁化，也同樣可以指南。沈括根據(jù)他的見聞，在《夢溪筆談》卷二十四里說道：“方家以磁石磨針鋒，則能指南�！敝钡绞攀兰o現(xiàn)代電磁鐵出現(xiàn)以前，幾乎所有的指南針都是采用這一種人工磁化法制成的。這時，指南針在它的發(fā)展史上已經(jīng)跨過了兩個發(fā)展階段——司南和指南魚，發(fā)展成一種更加簡便、更有實用價值的指向儀器。以后各種名目繁多的磁性指向儀器，就都以這種磁針為主體，只是磁針的形狀和裝置法有所變化罷了。
關于磁針的裝置法，沈括親自做了四種實驗：把磁針橫貫燈芯浮水上，架在碗沿或指甲上，以及用縷絲懸掛起來。
沈括這四種實驗，概括起來是屬于三種類型：一是水浮法，二是支點旋轉(zhuǎn)法，三是縷絲懸掛法。沈括認為，“水浮多蕩搖，”碗沿或指甲“堅滑易墜”，而以“縷懸為最善”。其實這三種方法各有優(yōu)點，它們在后來都有不同程度的發(fā)展，都在實際中得到不同程度的用。而且前兩種的應用還更加普遍。特別是水浮法，在我國指南針發(fā)展史上占有重要的地位。從已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的古代文獻和地下出土文物可以看出，我國從兩宋起，歷元、明到清初，水浮法指南針在航海上和堪輿上都一直使用。有的還使用到清代的中后期。這種水浮法，據(jù)宋代寇宗奭（shì）的《本草衍義》、元代程的《三柳軒雜記》所說，是用燈芯或其他比較輕的物體做浮標，讓磁針貫穿而過，使它浮在水面而指南。如滋針裝置實驗示意圖的（1）所示。解放后在河北磁縣、江蘇丹徒、遼寧大連等地，陸續(xù)發(fā)掘出一批元代的“王”字瓷碗。碗腹內(nèi)底畫有三大點，中間穿一細劃，樣子像個“王”字。據(jù)王振鋒考證①，這三點一劃是表示“指南浮針”，中間的直線表示磁針，三大點表示和燈芯草有共同作用的浮標。這“王”字的繪畫是有用意的。一個是為了表明這碗是專為浮針用的（在大連市出土的三個“王”字瓷碗底部圈足里都墨書一個正楷的“針”字，就是為了標明這碗是針碗）。另一個可能是為了標明磁子午方向，在一定程度上起了方位盤的作用。
當時的羅盤，還是一種水羅盤，磁針還都是橫貫著燈芯浮在水面上的。北宋徐兢的《宣和奉使高麗圖經(jīng)》中記有：在海上航行遇到陰晦天氣，就用指南浮針。
不過在南宋可能已出現(xiàn)旱羅盤。據(jù)《考古》1988年第四期報道，1985年五月江西臨川南宋邵武知軍朱濟南（l140—1197）墓出土了七十伴瓷俑，其中一件稱張仙人俑，高二二·二厘米，手捧一件似是旱羅盤，磁針是菱形，中央有一小孔，以軸承支持著。這說明可能早在十二世紀末期以前，中國已有旱羅盤。旱羅盤和水羅盤的區(qū)別在于，旱羅盤的磁針是以釘子支在磁針的重心處，并且使支點的摩擦阻力十分小，磁針可以自由轉(zhuǎn)動。顯然，旱羅盤比水羅盤有更大的優(yōu)越性，它更適用于航海，因為磁針有固定的支點，而不會在水面上游蕩。
旱羅盤的這種磁針有固定支點的裝置法，最初的思想起源很早。因為司南就有一定的支點；沈括關于磁針裝置試驗中又有碗沿旋定法和指甲旋定法等。
我國的指南針大約是在公元十二世紀末到十三世紀初經(jīng)過阿拉伯傳入歐洲的。宋代我國的航海業(yè)已經(jīng)相當發(fā)達，泉州、廣州都是世界一等大商港，中國船只不但船身大，結(jié)構堅，而且航速快，又有指南針指航，阿拉伯商人都樂乘中國船只。而且阿拉伯和波斯商人旅居中國的不少，泉、廣常住許多阿拉伯商人，因而，我國指南針的每一步發(fā)展，連同民間流行的木刻指南龜，也就很容易隨著頻繁的經(jīng)濟文化交流而傳人西方，這就為旱羅盤的出現(xiàn)提供了基礎。
順便指出，雖然旱羅盤因磁針有固定的支點而比水羅盤顯得優(yōu)越，但是它在海上應用仍有很大的不方便。當盤體隨海船作大幅度擺動的時候，常使滋針過分傾斜而靠在盤體上轉(zhuǎn)動不了。十四到十六世紀，歐洲航海羅盤出現(xiàn)了一種現(xiàn)在稱做“萬向支架”的常平架，它是由兩個銅圈組成，兩圈的直徑略有差別，使小圈正好內(nèi)切于大圈，并且用樞軸把它們聯(lián)結(jié)起來，然后再由樞軸把它們安在一個固定的支架上。旱羅盤就掛在內(nèi)圈中，這樣，不論船體怎么擺動，旱羅盤總能始終保持水平狀態(tài)。
這種常平架，就文獻記載來看，在我國早在漢晉時期就已經(jīng)出現(xiàn)了。在當時的一部著作《西京雜記》中曾經(jīng)記載西京長安有個巧匠名叫丁緩的，他作了一個小香爐，像個多孔小球，可以點上香后放在被窩中，不論小球怎么滾動，爐灰總不會撒出來，因此這種小香爐稱做臥褥香爐或被中香爐。臥褥香爐的原理就是在多孔小球里聯(lián)結(jié)著兩個套起來的金屬圈，點香用的爐缸就掛在內(nèi)圈上。這種臥褥香爐在漢以后歷代都有制造。但是這種技術原理在當時只是為少數(shù)統(tǒng)治階級服務，直到一千三百多年后歐洲人用它裝置航海羅盤的時候，這一人類智慧才得到真正的尊重和充分的應用�！ �
指南針在航海上的應用
指南針作為一種指向儀器，在我國古代軍事上，生產(chǎn)上，日常生活上，地形測量上，尤其在航海事業(yè)上，都起過重要的作用。
我國古代航海業(yè)相當發(fā)達。秦漢時期，就已經(jīng)同朝鮮、日本有了海上往來；到隋唐五代，這種交往已經(jīng)相當頻繁。而且同阿拉伯各國之間的貿(mào)易關系也已經(jīng)很密切。到了宋代，這種海上交通更得到進一步的發(fā)展。中國龐大的商船隊經(jīng)常往返于南太平洋和印度洋的航線上。海上交通的迅速發(fā)展和擴大，是和指南針在航海上的應用分不開的。在指南針用于航海之前，海上航行只能依據(jù)日月星辰來定位，一遇陰晦天氣，就束手無策。唐文宗開成三年（公元838年），日本和尚圓仁來中國求法，后來寫有《入唐求法巡禮行記》一文，描述了在海上遇到陰雨天氣的時候混亂而艱辛的情景：當時，海船的航向無法辨認，大家七嘴八舌，有的說向北行，有的說向西北行，幸好碰到一個波綠海淺的地方，但是也不知道離陸地有多遠，最后只好沉石停船等待天晴。
而在指南針用于航海之后，不論天氣陰暗，航向都可辨認。史籍中最早記載到指南針用于航海的是在北宋。朱彧（yù）在他的《萍洲可談》一書中評述了當時廣州航海業(yè)興旺的盛況，同時也記述了中國海船在侮上航行的情形，說道：“舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦觀指南針。”這時海上航行還只是在日月星辰見不到的日子里才用指南針，這是由于人們對靠日月墾辰來定位有一千多年的經(jīng)驗，而對指南針的使用還不很熟練。隨著指南針在海上航行的不斷應用，人們對它的依賴也與日俱增，并且有專人看管。南宋吳自牧在他所寫的《夢粱錄》中說道：“風雨冥晦時，惟憑針盤而行，乃火長掌之，毫厘不敢差誤，蓋一舟人命所系也。”由此也可以看出指南針在航海中的地位和作用。到了元代，指南針一躍而成海上指航的最重要儀器了，不論冥晦陰暗，都利用指南針來指航。而且這時海上航行還專門編制出羅盤針路，船行到什么地方，采用什么針位，一路航線都一一標識明白。元代的《海道經(jīng)》和《大元海運記》里都有關于羅盤針路的記載。元代周達觀寫的《真臘風土記》里，除了描述海上見聞外，還寫到海船從溫州開航，“行丁未針”。這是由于南洋各國在中國南部，所以海船從溫州出發(fā)要用南向偏西的丁未針位。明初航海家鄭和“七下西洋”，擴大了中國的對外貿(mào)易，促進了東西方的經(jīng)濟和文化交流，加強了中國的國際政治影響，增進了中國同世界各民族的友誼，作出了卓越的貢獻。他這樣大規(guī)模的遠海航行之所以安全無虞，端賴指南針的忠實指航。鄭和的巨艦，從江蘇劉家港出發(fā)到蘇門答臘北端，沿途航線都標有羅盤針路，在蘇門答臘之后的航程中，又用羅盤針路和牽星術相輔而行。指南針為鄭和開辟中國到東非航線提供了可靠的保證。就世界范圍來說，指南針在航海上的應用，導致了以后哥倫布（約1451—1506）對美洲大陸的發(fā)現(xiàn)和麥哲侖（約1480—1521）的環(huán)球航行。這大大加速了世界經(jīng)濟發(fā)展的進程，為資本主義的發(fā)展提供了必不可少的前提。
我國古代有關磁學的知識
我國古代關于磁學的知識相當豐富。古籍中記載了很多有關磁學的其他知識。遠在二千多年俞，我國古代勞動人民就開始同磁打交道。我們祖先對磁的認識，最初是從冶鐵業(yè)開始的。勞動人民在尋找鐵礦的過程中，必然會遇到磁鐵礦，就是磁石（主要成分是四氧化三鐵）。我國古籍中關于磁石的最早記載，是在《管子·地教篇》中：“上有慈石者，下有銅金�！比藗冊谕攀粩嘟佑|中，逐漸了解到它的某些特性，并且利用這些特性來為人類服務。
關于磁石的吸鐵性
磁石有一個區(qū)別于別種礦石的顯而易見的特性，就是它的吸鐵性。磁石吸鐵性的發(fā)現(xiàn)年代很早，它同靜電學里的“琥珀拾芥”現(xiàn)象一起，通常被古代人聯(lián)系起來比喻事物的本性。由于磁石具有吸鐵的特性，因此它也容易被人們發(fā)現(xiàn)。古代人把磁石的這種特性比喻做母子相戀，認為“石，鐵之母也。以有慈石，故能引其子；石之不慈者，亦不能引也�！保ā秴问洗呵铩ぜ厩锛o·精通篇》高誘注）因此，漢初以前，都是把“磁石”寫成“慈石”。《淮南子·說山訓》和《覽冥訓》中還提到“慈石能引鐵，及其于銅則不行也”，“而求其引瓦則難矣”。
從現(xiàn)代物理學知識知道，磁石之所以能夠吸鐵，是由于鐵的導磁系數(shù)遠遠比一大。鐵被磁石的磁場作用后，會感應出很大的附加磁場，也就是說鐵本身也成為一個強磁體，因而能被磁石吸引。而銅、金等大多數(shù)的金屬和非金屬，都是一般的弱磁性物體，它們的導磁系數(shù)都十分接近于一（略大于或小于一），因此這些物體不能被磁石吸引。對于這一問題，宋代的陳顯微和俞琰曾經(jīng)作了探討，認為磁石所以吸鐵，是有它們本身內(nèi)部的原因，是由鐵和磁石之間內(nèi)在的“氣”的聯(lián)系決定的（“神與氣合”，“皆陰陽相感，隔礙相通之理”）。明末的劉獻廷（1648—1695）在他的《廣陽雜記》一書中也認為磁石吸鐵是由于它們之間具有“隔礙潛通”的特性。劉獻廷還在他的書中記述了磁屏蔽現(xiàn)象：“或問余曰：‘磁石吸鐵，何物可以隔之？'猶子阿孺曰：‘惟鐵可以隔之耳'”。劉獻廷并且把鐵的這種磁屏蔽作用理解為“自然之理”。這種力圖用自然界本身來解釋自然現(xiàn)象的觀點是唯物主義的�？紤]到當時的科學水平，也只能作出這樣解釋。
我國古代還把磁石吸鐵性應用于生產(chǎn)上。清朱琰著的《陶說》記有古代燒白瓷器的時候，用磁石過濾釉水中的鐵屑，因為素瓷如果沾有鐵屑，燒成后就會有黑斑。在制藥的過程中，由于鐵制的杵臼往往會有碎屑混在藥里，人們也往往用磁石吸去杵頭的鐵屑。磁石也應用于醫(yī)療上，明代李時珍的《本草綱目》記載到宋代的人就用磁石吸鐵作用來進行某種外科手術，如在眼里或口里吸收某些細小的鐵質(zhì)異物。到了現(xiàn)代，已經(jīng)發(fā)展為一種專門的磁性療法，對關節(jié)炎等疾病顯示出良好的療效。
人工磁化法和有關地磁學的初步知識
我國古籍中有關人工磁化法的記載，基本上有兩種。
一種是如沈括所說的用天然磁石磨擦鋼針的的方法。從現(xiàn)代觀點來看，這種方法實際上就是以天然磁石的磁場的作用，使鋼針內(nèi)部的單元小磁體——“磁疇”由雜亂排列變?yōu)橐?guī)則排列，從而使鋼針顯示出磁性來。之所以用鋼針，是因為鋼的剩磁力強，可以成為永磁體。
另一種方法是利用地球磁場的作用使鋼針磁化。《武經(jīng)總要》所記載的指南魚就屬于這一種�！棒~法以薄鐵葉剪裁，長二寸，闊五分，首尾銳如魚形，置炭火中燒之，候通赤，以鐵鈴鈴魚首出火，以尾正對子位，蘸水盆中，沒尾數(shù)分則止，以密器收之。”從現(xiàn)在知識看，把鐵葉魚燒紅是為了讓鐵魚內(nèi)部的分子動能增加，從而使分子磁疇從原先的固定狀態(tài)變?yōu)檫\動狀態(tài)。然后使僥紅的鐵葉魚沿著地球磁場方向放置，為的是通過強大的地磁場迫使運動著的分子磁疇順著地球磁場方向重新徘列（由無規(guī)則排列到規(guī)則排列），這時鐵魚就被磁化了。最后由于我國地處地球的北半部，地磁場的方向應是北端向下，因此“蘸水盆中，沒尾數(shù)分則止”，就是今鐵葉魚“正對子位”的魚尾略為向下傾斜，使它在更大程度上被磁比。蘸人水中是為了使它迅速冷卻，把分子磁疇的規(guī)則排列固定下來，同時也是淬火過程。最后“以密器收之”，可能是把指南龜放在天然磁石旁邊，以形成閉合磁路，讓它保持磁化或繼續(xù)磁化。這稱磁化法完全是憑經(jīng)驗得來的，但是它是磁學和地磁學發(fā)展的重要一環(huán)，比歐洲用同樣磁化方法早了四百多年。
我國關于地球磁場可以磁化鐵物的記載，還見于明代的一些著作中，如方以智的《物理小識》卷八《指南說》的注中引滕揖的話：“鐵條長而均者，懸之亦指南�！崩钤ズ嗟摹肚酁蹙w言》中也記有堪輿家懸鐵條使它指向的方法：“近遇地師汪弄丸者，始知以鐵杖不拘巨細，系繩懸之，以手擊之旋，旋定必指南，即羅經(jīng)法也，余試之良然。”
磁偏角、磁傾角（地球磁場和水平面的夾角）和地磁場的水平分量（或地磁場的強度）稱作“地磁三要素”。歐洲人對磁偏角的發(fā)現(xiàn)是在哥倫布海上探險途中的1492年，磁傾角的發(fā)現(xiàn)還要晚一些。而我國對磁偏角、磁傾角的發(fā)現(xiàn)都要早得多。
《武經(jīng)總要》所記述的制指南魚法，是包含有一定的地磁學知識的。甚至有關磁傾角的知識也反映在這種磁化法中。既然指南魚在磁化過程中要北端（尾部）向下傾斜，這就隱含著當時的人們已經(jīng)意識到有個傾角的存在。
北宋司天監(jiān)楊維德于仁宗皮歷元年（公元1041年）撰成的相墓書《塋原總錄》說：“客主的取，宜匡四正以無差。當取丙午針，于其正處，中而格之，取方直之正也�！敝浴叭”玑槨保褪怯捎诖裴槾嬖谄堑木壒�。也就是說當磁針處于“丙午”方向時，方向盤的“午”才是地理的正南向。這是至今所發(fā)現(xiàn)的有關磁偏角的最早文獻記載。
沈括在記述用天然磁石磨擦鋼針可以指南的時候指出：“然常微偏東，不全南也�！鄙蚶ㄔ谶@里說的是“常微偏東”，而不是必微偏東。他在說到懸掛磁針的時候，也是說“針常指南”。稍后一些的寇宗奭，在他編的《本草衍義》中收錄了沈括的話，但他去掉“微”字，而保留“�！弊郑瑢懗伞俺Ｆ珫|”，“常指南”、“常偏丙位”等等，足見沈、寇二人對“�！弊植皇请S便用的。從后來的地磁學發(fā)展知道，磁偏角是隨地點的變化而變化的，而同一地點的磁偏角大小又隨時間的推移而不斷改變。這些變化是由于地磁極不斷變動所致。沈括在《夢溪筆談》里之所以記為“常微偏東”，可能是由于他觀察磁針指南是在一個比較長的時間里，同時也由于他觀察磁針是在隨身攜帶在各個不同的地點上，因此他所得到的各個偏角值大小不一樣，多數(shù)是偏東的，但是也不完全是這樣。歐洲人首次發(fā)現(xiàn)磁偏角隨地點變化是在哥倫布由西班牙航往美洲的途中；而發(fā)現(xiàn)同一地點的磁偏角隨時間變化是在1634年。這些發(fā)現(xiàn)都是比較具體而詳細的。而沈括的記述卻很籠統(tǒng)，但是我們可以認為，磁偏角是在不斷變化的這一現(xiàn)象，在《夢溪筆談》里就有所反映。
到了南宋，磁偏角因地而異的情況有了更明確的記載，并且被應用到堪輿羅盤上，如前面已經(jīng)提到的曾三異，他在《同話錄》中說：“天地南北之正，當用子午�；蛑^今江南地偏，難用子午之正，故以丙壬參之�！边@就是說，在地磁子午線和地理子午線一致的地方，用子午正針就可以了；而在我國東部沿海一帶，地磁子午線和地理子午線有一夾角，就要參用丙壬縫針。
到元明清時期，堪輿羅盤也都設有縫針，而且不同時期、不同地域所制的羅經(jīng)盤的縫針方位也都不一致。這可以看成是我國古代關于偏角因時、地而變化的原始記錄。
從上面的介紹可以看出，我國古代關于磁學和地磁學的知識是相當豐富的，而指南針的發(fā)明，尤其是指南針在航海中的應用，更開世界磁性導航的先河。我國古代勞動人民以自己的辛勞和智慧為人類古代文明做出了巨大的貢獻。 |
