指南针的发明历程

指南针又称指北针，主要组成部分是一根装在轴上的磁针，磁针在天然地磁场的作用下可以自由转动并保持在磁子午线的切线方向上，磁针的北极指向地理的北极，利用这一性能可以辨别方向，常用于航海、大地测量、旅行及军事等方面。物理上指示方向的指南针的发明由三部曲组成，即司南、磁针和罗盘，它们均属于中国的发明。

指南针是古代劳动人民在长期的实践中对物体磁性认识的结果。作为中国古代四大发明之一，对人类的科学技术和文明的发展起到了不可估量的作用。在中国古代，指南针起先应用于祭祀、礼仪、军事、占卜及看风水时确定方位。11世纪末或12世纪初，中国船舶开始使用指南针导航。北宋朱彧（yù）的《萍洲可谈》⁽¹⁾记载：“舟师（掌舵者）识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针。”指南针应用在航海上，是全天候的导航工具，弥补了天文导航、地文导航的不足，开创了航海史的新纪元。

图3-7　司南

指南针的始祖大约出现在战国时期，这就是古代中国人依照用于堪舆术的“栻”发明的司南（见图3-7）^［2］。《韩非子》⁽²⁾中就有“先王立司南以端朝夕”的记载，这里的“端朝夕”就是正四方、定方位的意思。《鬼谷子·谋篇》⁽³⁾中也有记载，“郑子取玉，必载司南，为其不惑也”，是说有一个叫郑子的人寻找玉石的时候一定要带上司南来指示方向。

东汉时的王充⁽⁴⁾在其著作《论衡》⁽⁵⁾中对司南的形状和用法做了明确的记录。司南是用整块天然磁石经过琢磨制成勺形，勺柄指南极，并使整个勺的重心恰好落到勺底的正中，勺置于光滑的地盘之中，地盘外方内圆，四周刻有干支四维，合成二十四向。这样设计的司南有许多缺陷，使其长期未得到广泛应用。如天然磁体不易找到，且在加工时容易因受热而失磁。由于其磁性比较弱，要求与地盘接触处非常光滑，否则会因转动摩擦阻力过大而难于旋转，无法达到预期的指南效果。司南因自身具有的体积和重量而不便携带。汉朝以后，随着司南的广泛应用和人们对磁石特性的进一步了解，司南仪得到不断改进，并逐渐过渡到相对完善的指南针。

第一种改进是利用磁化现象改变司南勺的形状。在许多早期文献中有关于磁石吸引铁针的记载。王充在《论衡·乱龙》中指出：“顿牟拾芥，磁石引针，皆以其真，不假他类，他类肖似，不能掇取者，何也？气性异殊，不能相感动也。”用气性，也就是性质相同相异来解释磁感应的现象。东晋郭璞（pú）⁽⁶⁾的《山海经图赞》⁽⁷⁾中也谈道：“慈石吸铁，玳瑁取芥，气有潜通，数亦冥会，物之相感，出乎意外。”古代“慈”通假“磁”。后人利用这种磁感应现象实现了铁针的磁化。南北朝陶弘景⁽⁸⁾在《本草经集注》⁽⁹⁾中谈到磁石时写道：“今南方亦有好者，能悬吸针，虚连三、四、五佳。”磁石吸铁针后，磁铁针受感应，也有了磁性，还可以再吸引三四根针。被磁化的铁针既然有磁性，当然也就有指极性。尤其将针与磁石摩擦以后，磁针也变成了磁体。如果用磁针代替原来的磁勺，则针状的磁体比雕琢成勺状的天然磁石在形状上更加合理，其磁畴排列更加规则均匀，所以其极敏感度也增加。用这种人工传磁方法制出指南针，是人工制造磁体的一大发明。

第二种改进是将司南的方形地盘换成圆形的刻度盘，以适合磁针的指向需要。但磁针不能像磁勺那样直接置于地盘上，因为其难以在地盘上自由旋转，这就需要对司南的整个装置结构进行改进。从历史文献中能查到的古人所用的方法有三种：一是将磁针拴在丝线上，放在无风的地方垂悬在地盘上，等待磁针停止旋转后便可以指出方位，如图3-8所示^［3］。唐朝以前已经有人试过此方法，但是发现磁针容易受周围空气的影响而不停地摆动。为了避免磁针的摆动，再将磁针制成蝌蚪形或鱼形薄片为后代沿用。晋朝崔豹⁽¹⁰⁾在《古今注》⁽¹¹⁾一书中写道：“蝌蚪，虾蟆子也，一名悬针，一名悬鱼。”五代时，后唐马缟⁽¹²⁾在《中华古今注》⁽¹³⁾也有相关的记载，与崔豹的《古今注》相同。将悬在空中的磁针与方位盘配合，在魏晋南北朝时期曾经提到过，虽然悬针不够稳定，但至少实现了如李约瑟所说的“从勺到针”的过渡。对司南的第二种改进方法是将其天盘（中心圆）由平面制成凹面，内部盛水，使磁针浮在水面上转动，旋转停止以后，就在周围刻度上指出方位。显然这种方法减小了磁针受周围气流的影响。实际上这就是11世纪前期北宋文献中记载的水罗盘，如图3-9所示^［3］。而在9世纪时的唐朝，堪舆罗盘的制造者已经迈出了这一步。

图3-8　磁针

图3-9　漂浮式指南针(www.xing528.com)

使磁针在方位盘上自由旋转的第三种方法是将针用枢轴支承在盘上，这是宋朝出现的方法。北宋指南针在唐朝原有的技术基础上取得了很大的发展。一些北宋时期的文献对指南针有明确记载，这也说明指南针在社会上的广泛应用。北宋曾公亮⁽¹⁴⁾与丁度⁽¹⁵⁾等编纂的《武经总要》⁽¹⁶⁾记载了北宋指南针的应用：“若遇天景噎（阴暗）霾，夜色瞑黑，又不能辨方向……出指南车或指南鱼，以辨所向。”指南鱼的制法是“用薄铁叶剪裁，长二寸阔五分，首尾锐如鱼形，置炭火中烧之，候通赤，以铁钤（qián）钤鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收之⁽¹⁷⁾。”在使用时则“置水碗于无风处，平放鱼在水面令浮，其首常南向午也”。

图3-10　水浮式指南鱼

曾公亮描述了一种专门测定方向的罗盘，这就是常说的指南鱼，如图3-10所示^［4］。其主体是人造磁体，主要制法是将长6厘米、宽1.6厘米的薄铁片做成鱼形，首尾呈尖状。然后将其加热至通红，当温度升至700℃时，铁的磁畴分解成顺磁体。用铁钳夹住鱼尾，将其从炭火中取出，沿南北方向放置，使鱼尾向北，鱼头朝南，再趁热将其放入冷水中。由于温度骤然变化，铁片中的磁场受地球磁场的作用发生有规则的排列，从而显出磁性，形成永久性磁体。

继曾公亮之后，北宋科学家沈括⁽¹⁸⁾在《梦溪笔谈》⁽¹⁹⁾中也谈到了指南针：“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。水浮多荡摇，指爪及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬为最善。其法，取新纩中独茧缕，以芥子许蜡缀于针腰，无风处悬之，则针常指南。其中有磨而指北者。余家指南北者皆有之……”⁽²⁰⁾这段记载首先给出了磁偏角的概念。沈括精于天文历法，他从圭表⁽²¹⁾的地理子午线观察比较中发现了磁偏角。古代磁针指向以南为基准，就是午位（180°），现代以指北为准（0°）。沈括所测得的磁差偏东，是依磁针指向南端而言的，所以用现代的说法应是偏西。根据1970年我国的地磁实测结果，各海区的“磁差和年变率”，在北纬14°30′附近的磁差是0°。在此纬度以北为偏西差，以南为偏东差，偏西差自南向北逐渐增大，年变率为±1′或±2′，其等磁差曲线，在长江口以南海区，与纬度线基本平行。在长江口以北海区，等磁差曲线逐渐成为西北至东南向。沈括是在开封进行实测的，位于北纬34°45′，在这里磁针北端是偏西差，而其南端便是偏东差，所以沈括所说的“常微偏东”是正确的。磁偏角的发现是中国科技史上的一项重大成果。在欧洲，一直到了13世纪才知道磁针有偏角，但又多误解是指南针装置工艺上的缺点，还没有想到这是一种自然现象。

在这段记载中，沈括还给出四种关于磁针装置的实验，即把磁针横贯灯芯浮水上，架在碗沿或指甲上，以及用缕丝悬挂起来，如图3-11所示。这四种实验概括起来是属于三种类型：一是水浮法，二是支点旋转法，三是缕丝悬挂法。沈括认为，“水浮多荡摇”，碗沿或指甲“坚滑易坠”，而以“缕悬为最善”。其实这三种方法各有优点，后来都有不同程度的发展，也都在实际中得到不同程度的应用，而且前两种的应用还更加普遍。特别是水浮法，作为指南针用于航海时的最初形式，在我国指南针发展史上占有重要的地位。从已经发现的古代文献和地下出土文物可以看出，我国从两宋起，历元、明到清初，水浮法指南针在航海上和堪舆上都一直使用，有的还使用到清朝的中后期。这种水浮法，据宋朝寇宗奭（shì）⁽²²⁾的《本草衍义》⁽²³⁾所记载，是用灯芯或其他比较轻的物体做浮标，让磁针贯穿而过，使它浮在水面而指南。

图3-11　沈括的四种磁针装置示意图

到了南宋，指南针又有了新的形式——旱罗盘，即指针不借水浮的罗盘。据《考古》1988年第4期报道，1985年5月江西临川南宋邵武知军朱济南墓出土了七十件瓷俑，其中一件称张仙人俑，高22.2厘米，张仙人俑手捧一件似是旱罗盘，磁针是菱形，中央有一小孔，以轴承支持着，如图3-12所示。这说明可能早在12世纪末期以前，中国已有旱罗盘。旱罗盘和水罗盘的区别在于，旱罗盘的磁针是以钉子支在磁针的重心处，并且支点的摩擦阻力十分小，磁针可以自由转动。显然，旱罗盘比水罗盘有更大的优越性，因为磁针有固定的支点，而不会在水面上游荡。

图3-12　张仙人俑