中国古代科技的奇迹-指南针的应用

30　宋代的科学奇葩——指南针的应用

指南针的发明是我国劳动人民在长期的实践中对物体磁性认识的结果。

在生产劳动过程中，人们接触了磁铁矿，开始了对磁石性质的了解。人们首先发现了磁石引铁的性质。后来又发现了磁石的指向性。经过多方的实验和研究，终于发明了可以实用的指南针。

指南针的原形大约出现于战国时期。

它是用天然磁石制成的，样子像一把汤勺，圆底，可以放在平滑的“地盘”上自由旋转并保持平衡。当它静止的时候，勺柄就会指向南方。古人称它为“司南”，当时的著作《韩非子》中就有：“先王立司南以端朝夕。”“端朝夕”就是正四方、定方位的意思。《鬼谷子》中也记载了司南的应用，郑国人采玉时就带了司南以确保不迷失方向。东汉时的王充在他的著作《论衡》中对司南的形状和用法也做了明确的记录。司南是用整块天然磁石经过琢磨制成勺型，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。这样的设计是古人认真观察了许多自然界有关磁的现象，积累了大量的知识和经验，经过长期的研究才完成的。司南的出现是人们对磁体指极性认识的实际应用。但司南也有许多缺陷，如天然磁体不易找到，在加工时容易因打击、受热而失磁；司南与地盘接触处要非常光滑，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。而且司南有一定的体积和重量，携带很不方便。这些可能都是司南长期未得到广泛应用的原因。

魏晋南北朝时，我国先民对磁石的性质有了更多的认识。就连当时的诗人曹植在矫志诗中也用了“磁石引铁，于金不连”的句子。南朝梁代的陶弘景在《名医别录》中提出了磁力测量的方法，他指出：优良磁石出产在南方，磁性很强，能吸引三、四根铁针，使几根针首尾相连挂在磁石上。磁性更强的磁石，能吸引十多根铁针，甚至能吸住一二斤刀器。陶弘景不仅提出了磁性有强弱之分，而且指出了测量方法。这可能是世界上有关磁力测量的最早记载。

古代民间常用薄铁叶剪裁成鱼形，鱼的腹部略下凹，像一只小船，磁化后浮在水面，就能指南北。当时以此作为一种游戏。北宋时，曾公亮在《武经总要》中记载了制作和使用指南鱼的的方法。其实这是一种人工磁化的方法，它利用地球磁场使铁片磁化。即把烧红的铁片放置在子午线的方向上，烧红的铁片内部分子处于比较活跃的状态，使铁分子顺着地球磁场方向排列，达到磁化的目的。蘸入水中，可把这种排列较快地固定下来，而鱼尾略向下倾斜还可以增大磁化程度。人工磁化方法的发明，对指南针的应用和发展起了巨大的作用，在磁学和地磁学的发展史上也是一件大事。北宋的沈括在《梦溪笔谈》中提到另一种人工磁化的方法：“方家以磁石摩针锋，则能指南。”按沈括的说法，当时的技术人员用磁石去摩擦缝衣针，就能使针带上磁性。从现在的观点来看，这是一种利用天然磁石的磁场作用，使钢针内部磁畴的排列趋于某一方向，从而使钢针显示出磁性的方法。这种方法比地磁法简单，而且磁化效果比地磁法好，摩擦法的发明不但是世界上最早的，而且为有实用价值的磁指向器的出现，创造了条件。(www.xing528.com)

要确定方向除了指南针之外，还需要有方位盘相配合。最初使用指南针时，可能没有固定的方位盘，但随着测方位的需要，出现了磁针和方位盘一体的罗盘。罗盘有堪舆用的罗经盘和水罗盘、旱罗盘。方位盘仍是二十四向，但是盘式已经由方形演变成圆形。这样一来只要看一看磁针在方位盘上的位置，就能断定出方位来。

现在人们已经知道，地球的两个磁极和地理的南北极只是接近，并不重合。磁针指向的是地球磁极而不是地理的南北极，这样磁针指的就不是正南、正北方向而是略有偏差，这个角度就叫磁偏角。又因为地球近似球形，所以磁针指向磁极时必向下倾斜，和水平方向有一个夹角，这个夹角称为磁倾角。不同地点的磁偏角和磁倾角都不相同。成书于北宋的《武经总要》在谈到用地磁法制造指南针时，就注意利用了磁倾角。沈括在《梦溪笔谈》中谈到指南针不全指南，常微偏东，指出了磁偏角的存在。磁偏角和磁倾角的发现使指南针的指向更加准确。

指南针一经发明很快就被应用到军事、生产、日常生活、地形测量等方面，特别是航海上。指南针在航海上的应用有一个逐渐发展的过程。成书年代略晚于《梦溪笔谈》的《萍洲可谈》中记有：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦则观指南针。”这是世界航海史上最早使用指南针的记载。文中指出，当时只在日月星辰见不到的时候才使用指南针，可见指南针刚开始用于航海时，使用还不熟练。二十几年后，许兢（jīnɡ）的《宣和奉使高丽图经》也有类似的记载：“惟视星斗前迈，若晦冥则用指南浮针，以揆南北。”到了元代，指南针一跃而成海上指航的最重要的仪器了，不论昼夜晴阴都用指南针导航。而且还编制出使用罗盘导航，在不同航行地点指南针针位的连线图，叫做“针路”。船行到某处，采用何针位方向，一路航线都一一标识明白，作为航行的依据。

有了指南针，海船从此有了眼睛，人们在海上航行，再也不怕迷火方向，航海事业就更加发达了，这当然促进了各国之间的经济贸易和文化交流。有了指南针，人们在航行中慢慢地摸出条条航路。元明两代，我国很多记载着到海外各国去的航路。这些航路，因为是依靠指南针得来的，所以当时称为“针路”。

早在北宋时候，我国的海船就往来在南海上和印度洋上。我国的海船一直开到阿拉伯，和阿拉伯人做生意，阿拉伯人到我国来的也很多，而且大多是乘中国船来的。他们看到中国船都用指南针，也学会了制造指南针的方法，把这个方法传到了欧洲。到了十二世纪末、十三世纪初，阿拉伯和欧洲的一些国家，也开始用指南针来航海。

指南针传到欧洲以后，对于欧洲航海事业的发展也起了很大的作用。十五世纪末到十六世纪初，欧洲各国航海家开辟了新航路，发现了美洲大陆，完成了环绕地球的航行，他们用来辨别方向的法定就是指南针。