指南針的發(fā)明是我國勞動人民,在長期的實踐中對物體磁性認識的結(jié)果.由于生產(chǎn)勞動,人們接觸了磁鐵礦,開始了對磁性質(zhì)的了解.人們首先發(fā)現(xiàn)了磁石引鐵的性質(zhì).后來又發(fā)現(xiàn)了磁石的指向性.經(jīng)過多方的實驗和研究,終于發(fā)明了可以實用的指南針.
磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)
先秦時代我們的先人已經(jīng)積累了許多這方面的認識,在探尋鐵礦時常會遇到磁鐵礦,即磁石（主要成分是四氧化三鐵）.這些發(fā)現(xiàn)很早就被記載下來了.《管子》的數(shù)篇中最早記載了這些發(fā)現(xiàn)：“山上有磁石者,其下有金銅.”其他古籍如《山海經(jīng)》中也有類似的記載.磁石的吸鐵特性很早就被人發(fā)現(xiàn),《呂氏春秋》九卷精通篇就有：“慈招鐵,或引之也.”那時的人稱“磁”為“慈”他們把磁石吸引鐵看作慈母對子女的吸引.并認為：“石是鐵的母親,但石有慈和不慈兩種,慈愛的石頭能吸引他的子女,不慈的石頭就不能吸引了.”
漢以前人們把磁石寫做“慈石”,是慈愛石頭的意思.
既然磁石能吸引鐵,那么是否還可以吸引其他金屬呢?我們的先民做了許多嘗試,發(fā)現(xiàn)磁石不僅不能吸引金、銀、銅等金屬,也不能吸引磚瓦之類的物品.西漢的時候人們已經(jīng)認識到磁石只能吸引鐵,而不能吸引其他物品.
當把兩塊磁鐵放在一起相互靠近時,有時候互相吸引,有時候相互排斥.現(xiàn)在人們都知道磁體有兩個極,一個稱N極,一個稱S極.同性極相互排斥,異性極相互吸引.那時的人們并不知道這個道理,但對這個現(xiàn)象還是能夠察覺到的.
到了西漢,有一個名叫欒大的方士,他利用磁石的這個性質(zhì)做了兩個棋子般的東西,通過調(diào)整兩個棋子極性的相互位置,有時兩個棋子相互吸引,有時相互排斥.欒大稱其為“斗棋”.他把這個新奇的玩意獻給漢武帝,并當場演示.漢武帝驚奇不已,龍心大悅,竟封欒大為“五利將軍”.欒大利用磁石的性質(zhì),制作了新奇的玩意蒙騙了漢武帝.
地球也是一個大磁體,它的兩個極分別在接近地理南極和地理北極的地方.因此地球表面的磁體,可以自由轉(zhuǎn)動時,就會因磁體同性相斥,異性相吸的性質(zhì)指示南北.這個道理古人不夠明白,但這類現(xiàn)象他們很清楚.
指南針的始祖——司南
指南針的始祖大約出現(xiàn)在戰(zhàn)國時期.它是用天然磁石制成的.樣子象一把湯勺,圓底,可以放在平滑的“地盤”上并保持平衡,且可以自由旋轉(zhuǎn).當它靜止的時候,勺柄就會指向南方.古人稱它為“司南”,當時的著作《韓非子》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》中記載了司南的應(yīng)用,鄭國人采玉時就帶了司南以確保不迷失方向.
春秋時代,人們已經(jīng)能夠?qū)⒂捕?度至7度的軟玉和硬玉琢磨成各種形狀的器具,因此也能將硬度只有5.5度至6.5度的天然磁石制成司南.東漢時的王充在他的著作《論衡》中對司南的形狀和用法做了明確的記錄.司南是用整塊天然磁石經(jīng)過琢磨制成勺型,勺柄指南極,并使整個勺的重心恰好落到勺底的正中,勺置于光滑的地盤之中,地盤外方內(nèi)圓,四周刻有干支四維,合成二十四向.這樣的設(shè)計是古人認真觀察了許多自然界有關(guān)磁的現(xiàn)象,積累了大量的知識和經(jīng)驗,經(jīng)過長期的研究才完成的.司南的出現(xiàn)是人們對磁體指極性認識的實際應(yīng)用.
但司南也有許多缺陷,天然磁體不易找到,在加工時容易因打擊、受熱而失磁.所以司南的磁性比較弱,而且它與地盤接觸處要非常光滑,否則會因轉(zhuǎn)動摩擦阻力過大,而難于旋轉(zhuǎn),無法達到預(yù)期的指南效果.而且司南有一定的體積和重量,攜帶很不方便,這可能是司南長期未得到廣泛應(yīng)用的主要原因.
司南由青銅盤和天然磁體制成的磁勺組成,青銅盤上刻有二十四向,置磁勺于盤中心圓面上,靜止時,勺尾指向為南.
指南針的發(fā)明
古代民間常用薄鐵葉剪裁成魚形,魚的腹部略下凹,像一只小船,磁化后浮在水面,就能指南北.當時以此做為一種游戲.東晉的崔豹在《古今注》中曾提到這種“指南魚”.
北宋時,曾公亮在《武經(jīng)總要》載有制作和使用指南魚的的方法：“用薄鐵葉剪裁,長二寸,闊五分,首尾銳如魚型,置炭火中燒之,侯通赤,以鐵鈐鈐魚首出火,以尾正對子位,蘸水盆中,沒尾數(shù)分則止,以密器收之.用時,置水碗于無風處平放,魚在水面,令浮,其首常向午也.”這是一種人工磁化的方法,它利用地球磁場使鐵片磁化.即把燒紅的鐵片放置在子午線的方向上.燒紅的鐵片內(nèi)部分子處于比較活動的狀態(tài),使鐵分子順著地球磁場方向排列,達到磁化的目的.蘸入水中,可把這種排列較快地固定下來,而魚尾略向下傾斜可增大磁化程度.人工磁化方法的發(fā)明,對指南針的應(yīng)用和發(fā)展起了巨大的作用.在磁學(xué)和地磁學(xué)的發(fā)展史上也是一件大事.北宋的沈括在《夢溪筆談》中提到另一種人工磁化的方法：“方家以磁石摩針鋒,則能指南.”按沈括的說法,當時的技術(shù)人員用磁石去摩擦縫衣針,就能使針帶上磁性.從現(xiàn)在的觀點來看,這是一種利用天然磁石的磁場作用,使鋼針內(nèi)部磁疇的排列趨于某一方向,從而使鋼針顯示出磁性的方法.這種方法比地磁法簡單,而且磁化效果比地磁法好,摩擦法的發(fā)明不但世界最早,而且為有實用價值的磁指向器的出現(xiàn),創(chuàng)造了條件.
沈括還在《夢溪筆談》的補筆談中談到了摩擦法磁化時產(chǎn)生的各種現(xiàn)象：“以磁石摩針鋒,則銳處常指南,亦有指北者,恐石性亦不……,南北相反,理應(yīng)有異,未深考耳.”這是說,用磁石去摩擦縫衣針后,針鋒有時指南,也有時指北.從現(xiàn)在的觀點來看,磁石都有N和S兩個極,磁化時縫衣針針鋒的方位不同,則磁化后的指向也就不同.但沈括并不知道這個道理,他真實的記錄了這個現(xiàn)象并坦白承認自己沒有做深入思考.以期望后人能進一步探討.
關(guān)于磁針的裝置方法,沈括介紹了四種方法：
1.水浮法——將磁針上穿幾根燈心草浮在水面,就可以指示方向.
2.碗唇旋定法——將磁針擱在碗口邊緣,磁針可以旋轉(zhuǎn),指示方向.
3.指甲旋定法——把磁針擱在手指甲上面由于指甲面光滑,磁針可以旋轉(zhuǎn)自如,指示方向.
4.縷懸法——在磁針中部涂一些蠟,粘一根蠶絲,掛在沒有風的地方,就可以指示方向了.
沈括還對四種方法做了比較,他指出,水浮法的最大缺點,水面容易晃動影響測量結(jié)果.碗唇旋定法和指甲旋定法,由于摩擦力小,轉(zhuǎn)動很靈活,但容易掉落.沈括比較推重的是縷懸法,他認為這是比較理想而又切實可行的方法.事實上沈括指出的四種方法已經(jīng)歸納了迄今為止指南針裝置的兩大體系——水針和旱針.
夢溪筆談》是沈括(1031—1095年)所著的有關(guān)我國古代科學(xué)技術(shù)的著作,書中談到磁學(xué)和指南針的一些問題.
南宋陳元靚在《事林廣記》中介紹了另一類指南魚和指南龜?shù)闹谱鞣椒?這種指南魚與《武經(jīng)總要》一書記載的不一樣,是用木頭刻成魚形,有手指那么大,木魚腹中置入一塊天然磁鐵,磁鐵的S極指向魚頭,用蠟封好后,從魚口插入一根針,就成為指南魚.將其浮于水面,魚頭指南,這也是水針的一類.
指南龜是當時流行的一種新裝置,將一塊天然磁石放置在木刻龜?shù)母箖?nèi),在木龜腹下方挖一光滑的小孔,對準并放置在直立于木板上的頂端尖滑的竹釘上,這樣木龜就被放置在一個固定的、可以自由旋轉(zhuǎn)的支點上了.由于支點處摩擦力很小,木龜可以自由轉(zhuǎn)動指南.當時它并沒有用于航海指向,而用于幻術(shù).但是這就是后來出現(xiàn)的旱羅盤的先聲.
指南龜發(fā)明年代不晚于1325年.木塊刻成龜型,龜腹部中心嵌以磁體,木龜安放在尖狀立拄上,靜止時首尾分指南北.
羅盤定位
要確定方向除了指南針之外,還需要有方位盤相配合.最初使用指南針時,可能沒有固定的方位盤,隨著測方位的需要,出現(xiàn)了磁針和方位盤一體的羅盤.羅盤有堪輿用的羅經(jīng)盤和水羅盤、旱羅盤.
方位盤仍是二十四向,但是盤式已經(jīng)由方形演變成圓形.這樣一來只要看一看磁針在方位盤上的位置,就能斷定出方位來.南宋時,曾三異在《因話錄》中記載了有關(guān)這方面的文獻：“地螺或有子午正針,或用子午丙壬間縫針.”這是有關(guān)羅經(jīng)盤最早的文獻記載.文獻中所說的“地螺”,就是地羅,也就是羅經(jīng)盤.文獻中已經(jīng)把磁偏角的知識應(yīng)用到羅盤上.這種羅盤不僅有子午針（確定地磁場南北極方向的磁針）,還有子午丙壬間縫針（用日影確定的地理南北極方向）這兩個方向之間的夾角,就是磁偏角.
盤面周圍刻二十四方位,內(nèi)中盛水,磁針橫穿燈草,浮于水面.
現(xiàn)在人們已經(jīng)知道,地球的兩個磁極和地理的南北極只是接近,并不重合.磁針指向的是地球磁極而不是地理的南北極,這樣磁針指的就不是正南、正北方向而略有偏差,這個角度就叫磁偏角.又因為地球近似球形,所以磁針指向磁極時必向下傾斜,和水平方向有一個夾角,這個夾角稱為磁傾角.不同地點的磁偏角和磁傾角都不相同.成書于北宋的《武經(jīng)總要》在談到用地磁法制造指南針時,就注意利用了磁傾角.沈括在《夢溪筆談》談到指南針不全指南,常微偏東.指出了磁偏角的存在.磁偏角和磁傾角的發(fā)現(xiàn)使指南針的指向更加準確.
磁性質(zhì)的應(yīng)用
指南針一經(jīng)發(fā)明很快就被應(yīng)用到軍事、生產(chǎn)、日常生活、地形測量等方面,特別是航海上.指南針在航海上的應(yīng)用有一個逐漸發(fā)展過程.成書年代略晚于《夢溪筆談》的《萍洲可談》中記有：“舟師識地理,夜則觀星,晝則觀日,陰晦則觀指南針.”這是世界航海史上最早使用指南針的記載.文中指出,當時只在日月星辰見不到的時候才使用指南針,可見指南針剛開始使用時,使用還不熟練.二十幾年后,許兢的《宣和奉使高麗圖經(jīng)》也有類似的記載：“惟視星斗前邁,若晦冥則用指南浮針,以揆南北.”到了元代,指南針一躍而成海上指航的最重要的儀器了.不論晝夜晴陰都用指南針導(dǎo)航了.而且還編制出使用羅盤導(dǎo)航,在不同航行地點指南針針位的連線圖,叫做“針路”.船行到某處,采用何針位方向,一路航線都一一標識明白,作為航行的依據(jù).
指南針的發(fā)明是古代先民對磁現(xiàn)象的觀察和研究的結(jié)果.古代先民對磁現(xiàn)象的觀察和研究的過程中,進一步了解了磁的性質(zhì),并試圖更多地應(yīng)用這些性質(zhì).傳說秦始皇修建阿房宮時,有一宮門是用磁鐵制造的.如果刺客帶劍而過,立刻會被吸住,被衛(wèi)兵當場捕獲.這樣的故事還很多,《晉書.馬隆傳》記載馬隆率兵西進甘、陜一帶,在敵人必經(jīng)的狹窄道路兩旁,堆放磁石.穿著鐵甲的敵兵路過時,被牢牢吸住,不能動彈了.馬隆的士兵穿犀甲,磁石對他們沒有什么作用,可自由行動.敵人以為神兵,不戰(zhàn)而退.東漢的《異物志》記載了在南海諸島周圍有一些暗礁淺灘含有磁石,磁石經(jīng)常把“以鐵葉錮之”的船吸住,使其難以脫身.
魏晉南北朝時,我國先民對磁石的性質(zhì)已有了很多認識.就連當時的詩人曹植在矯志詩中也用了“磁石引鐵,于金不連.”的句子.可見他也了解磁石的性質(zhì).南北朝梁代的陶弘景在《名醫(yī)別錄》中提出了磁力測量的方法,他指出：優(yōu)良磁石出產(chǎn)在南方,磁性很強,能吸引三、四根鐵針,使幾根針首尾相連掛在磁石上.磁性更強的磁石,能吸引十多根鐵針,甚至能吸住一、二斤刀器.陶弘景不僅提出了磁性有強弱之分,而且指出了測量方法.這可能是世界上有關(guān)磁力測量的最早記載.
我國先民對磁石的性質(zhì)的研究和認識是指南針發(fā)明和發(fā)展的基礎(chǔ).