指南針 -中國古代四大發明之一

指南針

中國古代四大發明之一
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指南針又稱指北針,主要組成部分是一根裝在上的磁針,磁針在天然地磁場的作用下可以自由轉動並保持在磁子午線的切線方向上,磁針的北極指向地理的北極,利用這一性能可以辨別方向。常用于航海、大地測量、旅行及軍事等方面。物理上指示方向的指南針的發明由三部曲組成:司南、磁針和羅盤。他們均屬于中國的發明。

據《古礦錄》記載最早出現于戰國時期的磁山一帶。

指南針是古代漢族勞動人民在長期的實踐中對物體磁性認識的結果。作為中國古代四大發明之一,它的發明對人類的科學技術和文明的發展,起了無可估量的作用。在中國古代,指南針起先套用于祭祀、禮儀、軍事和佔卜與看風水時確定方位。11世紀末或12世紀初,中國船舶開始使用指南針導航。北宋《萍州可談》:"舟師(掌舵者)識地理,夜則觀星,晝則觀日,陰晦觀指南針。"

指南針套用在航海上,是全天候的導航工具,彌補了天文導航、地文導航之不足,開創了航海史的新紀元。

  • 中文名稱
    指南針
  • 外文名稱
    Compass
  • 別名
    羅盤,指北針
  • 產生地點
    中國
  • 作用
    判別方位
  • 常用範圍
    航海,大地測量,旅行及軍事
  • 地位
    英國漢學家李約瑟把指南針稱為“中國古代四大發明”之一

基本信息

​中國是世界上公認發明指南針(Compass)的國家。據《古礦錄》記載最早出現于戰國時期的河北磁山(今河北省邯鄲市磁山一帶)一帶。指南針的發明是我國漢族勞動人民在長期的實踐中對物體磁性認識的結果。由于生產勞動,人們接觸了磁鐵礦,開始了對磁性質的了解。人們首先發現了磁石吸引的性質,後來又發現了磁石的指向性。經過多方面的實驗和研究,終于發明了實用的指南針。最早的指南針是用天然磁體做成的,這說明中國漢族勞動人民很早就發現了天然磁鐵及其吸鐵性。據古書記載,遠在春秋戰國時期,由于正處在奴隸製社會向封建社會過渡的大變革時期,生產力有了很大的發展,特別是農業生產更是興盛發達,因而促使了採礦業、冶煉業的發展。在長期的生產實踐中,人們從鐵礦石中認識了磁石。最早的指南針是司南

指南針

公元前7世紀成書的《管子·地數》中就記載:“上有磁石者,下有銅金”。意思說,如果山上有磁石時,山裏就藏有鐵礦地理名著《山海經》中,也曾記載“題灌山中多磁石”。《水經註》裏記載了秦國阿房宮前面,用磁石製成大門,防避有人進宮謀刺暗殺,如壞人暗披盔甲、暗藏兵器入宮,就會被門吸住而被發現,這說明人民很早就發現了磁石的吸鐵性,並加以利用了。

在長期的生產鬥爭中,我國漢族勞動人民進一步利用磁體的指極性,製成指示方向的機械,這就是指南針。這在《韓非子·有度篇》中和《鬼谷子》一書中都有記載。在《鬼谷子》中記載說,鄭國人到深山密林中去採集玉石時,為了不迷失方向,帶著“司南”。這“司南”就是指南針這種機械。東漢王充在《論衡》中描述過“司南”,它象隻水勺,用天然磁石磨製面成,勺底為球面體,勺呈橢圓狀,勺柄通體漸漸縮成柱狀。為了確定方向,還配有一個“地盤”,它是銅質或塗漆木製盤,中央是平滑圓槽,形狀可能是內圓外方,框上刻劃出定向的刻度,用“幹”、“支”(即甲、乙、丙、丁……和子、醜、寅、卯……)以及八卦等表明二十四方位。將會投于地盤中央時,它的柄部就會大體停止在指南的方位上。以上可知司南是現代指南針(磁羅盤)的原型。“指南”是張衡在《東京賦》中第一次提出來的,以後經過魏晉南北朝,直到宋代經過一千多年才逐漸發展起來了。宋代傑出的科學家沈括在《夢溪筆談》中,對指南針發展的當時狀況作了詳盡的論述。當時在生產和科學實驗發展的推動下,特別是航海事業和外貿的興起擴大下,指南針逐步發展起來。沈括總結了勞動人民在實踐在創造的四種指南針的裝置方法。第一種是水浮法,將磁針浮于水面進行指南,雖然比較平穩,但容易動蕩不定;第二種是指甲旋定法,將磁針置于指甲上,轉動靈活,也容易滑落;第三種是碗唇旋定法,將磁針置于碗口邊上,轉動較靈活,但易滑落;第四種是縷旋法,用蠶絲將磁針懸掛起來,可達到轉動靈活而又穩定。他還記載了人工授磁方法即“以磁石磨針鋒,則能指南”。這種用人工製成磁體,是一個巨大的進步。此外,還曾製出過“指南魚”、“旱針”、“水針”。旱針、水針這兩種指南針,成為近代指南針(羅盤針)的基本結構原理奠定了基礎。沈括在研究指南針的過程中,還總結和發現了地磁有偏角存在。也就是說,指南針指示的方向,“常微偏東,不全南也”。這是我國對地磁學做出的偉大貢獻。

磁子午面

經過地心和磁針靜止時所指示的南北方向所作的垂直平面。

地球表面上某點地磁水準分力線所切的地球大圓。磁針在僅受地磁影響(沒有自差)的情況下其指向即磁子午線方向(也就是說,在地球磁場作用下,磁針在某點自由靜止時其軸線所指的方向)。因地磁兩極不對稱和磁場不規律性,磁子午線一般不經過地磁南北極。故磁針所指的磁北方向不一定是地磁北極的方向。

磁子午線方向可用羅盤儀測定。

指向原理

地球是個大磁體,其地磁南極在地理北極附近,地磁北極在地理南極附近。

指南針在地球的磁場中受磁場力的作用,所以會一端指南一端指北。

輾轉傳入歐洲後在航海大發現中發揮出不可替代的作用。但科學史家清楚,最早解答“指南針為何能夠指南”問題的並不是中國人,而是英國科學家吉爾伯特。那麽,中國發明指南針後對指南針理論作過什麽樣的探討?吉爾伯特的理論是否及時傳到了中國?明末清初的“西學東漸”,又對我國指南針理論的發展有過哪些影響?上海交通大學科學史與科學哲學系教授關增建從2003年起開始著手研究這些基本上還是空白的問題。

指南針

“中國最早的指南針理論,是建立在陰陽五行學說基礎上的‘感應說’。”關增建介紹,11世紀中葉時我國大科學家沈括還對指南針感到匪夷所思,他的《夢溪筆談》介紹了指南針的人工磁化方法、磁偏角的發現和指南針的架設方法,但對指南針為什麽會指南卻沒有一點概念——“磁石之指南……莫可原其理!”隨後,文人學者們從陰陽五行學說出發,結合當時人們對大地形狀的認識,提出各種指南針理論。例如,最晚成書于宋代的《管氏地理指蒙》,首先提出如下邏輯:

“磁針是鐵打磨成的,鐵屬金,按五行生克說,金生水,而北方屬水,因此北方之水是金之子。鐵產生于磁石,磁石是受陽氣的孕育而產生的,陽氣屬火,位于南方,因此南方相當于磁針之母。這樣,磁針既要眷顧母親,又要留戀子女,自然就要指向南北方向。”

關增建表示,從近代物理學的觀點來看,“蒙氏理論”完全異想天開,但從事物的屬性出發解釋其行為,在東西方科學史上都是常用的做法。我國古代陰陽學說昌盛,用陰陽學說闡釋指南針指南及“常微偏東”的原理,是再自然不過的事情。特別是,該理論認為磁石不同端面有不同屬性,它們決定磁針的指向,這種說法很容易啓發人們發現磁石的兩極,並進一步聯想到磁極與磁針指向之間的關系,從而為正確認識這一問題找到可能的途徑。

南宋人的指南針原理,仍認為“指南針之所指,即陽氣之所在”,隻是圍繞磁偏角現象,立論依據更多轉向地理方位的坐標系統——中國古人認為地是平的、大小有限,這樣地表面必然有個中心,過該中心的那條子午線就是唯一的南北方向。南宋人曾三異等認為,一旦測量地點不在這條南北線上,指南針所指向自然“少偏”。到明代,有人假托南唐人著作指出,指南正針由大地方位系統決定,而偏角則由天體方位劃分系統所決定。關增建認為,這種說法“體現了傳統指南針理論在陰陽感應學說和磁偏角的存在這一矛盾面前所表現出來的窘迫”。

明萬歷年間(公元1573~1620年),傳教士來華,帶來西方的指南針理論、地球學說以及相關科技知識。受其影響,中國學者開始從新的視角探討指南針理論問題,在此過程中,陰陽五行的作用不斷淡化,力學角度的分析不斷增加,但吉爾伯特1600年提出的科學理論連西方學界都沒統一,更談不上入主東土。傳教士中,1658年抵華的比利時耶穌會士南懷仁的指南針理論最系統,但他認為決定磁針指向的是地球的地理南北兩極本身,理論仍然局限在古代科學的範圍,而不像吉爾伯特認識到地球本身存在一個磁體。南懷仁理論在中國影響深遠,直到19世紀中葉,我國仍有學者用它解釋指南針問題。而此時,清末來華的傳教士已開始著手把西方近代磁學知識介紹給中國了。

發展歷程

目前傳統的觀點認為指南針的始祖大約出現在戰國時期。它是用天然磁石製成的。樣子像一把湯勺,圓底,可以放在平滑的“地盤”上並保持平衡,且可以自由旋轉。當它靜止的時候,勺柄就會指向南方。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。“但有學者認為"朝夕"除了東西方向外,還可解釋為早晚朝見或君王早晚聽政。《小雅·雨無正》:“邦君諸侯,莫肯朝夕。”鄭玄箋:“王流在外,三公及諸隨王而行者,皆無君臣之禮,不肯晨夜朝暮省王也。”又如《周禮·夏官·道僕》:“掌馭象路以朝夕。”陸德明釋文:“朝夕,直遙反。”孫詒讓正義:“註雲‘朝夕,朝朝莫夕’者,《鄉飲酒義》雲:‘朝不廢朝,莫不廢夕。’註雲:‘朝夕,朝莫聽事也。’”所以“端朝夕”就是端正或穩定朝綱,而不是定方向,此處司南解釋成法律更合理。

春秋時代,人們已經能夠將硬度5度至7度的軟玉和硬玉琢磨成各種形狀的器具,因此也能將硬度隻有5.5度至6.5度的天然磁石製成司南。據載墨子是很有成就的科學家,在力學、聲學、光學、磁學等方面都很有研究,製作發明的有聽瓮、中燧、司南,還有汲水器、投石器、望遠器、集箭器等,其中的司南應該屬于我國或者世界最早的指南針。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過琢磨製成勺型,勺柄指南極,並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,地盤外方內圓,四周刻有幹支四維,合成二十四向。這樣的設計是古人認真觀察了許多自然界有關磁的現象,積累了大量的知識和經驗,經過長期的研究才完成的。司南的出現是人們對磁體指極性認識的實際套用。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,否則會因轉動摩擦阻力過大,而難于旋轉,無法達到預期的指南效果。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套用的主要原因。

目前的司南模型是由我國著名科技史學家王振鐸根據根據《論衡》中的記載,考證並復原的。司南由青銅盤和天然磁體製成的磁勺組成,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。

但司南是磁性指南工具的一觀點一直受到學術界的質疑。首先,在《論衡》中,並未指出司南是磁勺子,而且,在剛認識到磁石吸鐵的同時就發現其指極性不符合認識的規律,另外要把磁石加工成能指南的磁勺,要有意識地‘順其南北極向’磨鏤。在十一世紀指南針發明以前,古文獻中從未有過磁石兩極以及它的指極性的記述。50年代錢臨照院士曾受郭沫若之托嘗試以天然磁石製做勺形司南,但因天然磁石磁距小、底部摩擦大而未成功。而王振鐸先生的復原物為鎢鋼在人工電磁場中磁化,這在兩千多年前是無法辦到的。現在北京的中國歷史博物館已不再展出司南的模型。東北師大教授劉秉正于1956年就對司南的磁勺說提出質疑,80年代後又通過用天然磁石指極性實驗以及考據指出《論衡》以及《瓢賦》中的司南是天上的北鬥, 而其它的文獻中的司南或是指南車如《鬼谷子》,可能是行事的準則,也有可能指官職如《韓非子》。其他也有一些學者如中國科技大學教授李志超認為司南是磁石放在瓢中,杭州大學教授王錦光提出司南是磁勺子放到水銀池中(《論衡》中的地為“池”)。2005年中國國家博物館研究員孫機根據前北平歷史博物館舊藏殘宋本《論衡》認定“司南之杓”杓字實為酌,那麽看來“其柢指南”之柢也非指勺柄,司南是機械齒輪裝置的指南車。但這些質疑還沒有被科技史學界所普遍接受。根據最新的文獻考證表明,司南是北鬥的別稱,同時司南的其他用法也都與北鬥有關。

此文通過對北魏·溫子升《定國寺碑》、梁·吳均《酬蕭新浦王洗馬詩二首》等唐以前文獻的分析,認為這些文獻中司南隻能解釋成北鬥,而《論衡》,《瓢賦》中的司南也應是北鬥。而元稹《加裴度幽鎮兩道招撫使製》中的司南應是官職,宋·釋正覺《頌古》:“妙握司南造化柄,水雲器具在甄陶。”中的司南應是權力,唐·宋暠《獬廌賦》中“守法者仰之以司南,疾惡者投之於有北。”的司南是法律,這些詞意都來源于北鬥。另外《韓非子·有度》中的司南也應解釋成法律,其中的“朝夕”不是方向,而是早晚朝見或君王早晚聽政。其他司南引申為定時間(杜甫《詠雞》中的司南)、指德高望重的人、以及指導準則等意也來源于北鬥。此文認為目前司南是磁性指南工具的論據還遠不充分。此外,作者根據唐·戴叔倫《贈徐山人》中“針自指南天窅窅,星猶拱北夜漫漫。”提出中國可能在八世紀發明指南針。

另外人們常把指南車當成磁性指南工具,實際上指南車是套用機械原理進行指南的。這在學術文獻中也經常被混淆。如認為《鬼谷子》中的司南是磁性指南工具。實際上歷代引《鬼谷子》中的司南從前後文看都是說指南車。如《宋書·禮志》,唐·李善註《文選》中左思吳都賦,《太平御覽·車部四》等。這是在閱讀文獻是應該註意的。

發展歷史

指南針也叫羅盤針,是我國古代發明的利用磁石指極性製成的指南儀器。因此,介紹司南必須從磁石說起。

磁石通常稱為“吸鐵石”,它把許多鐵屑緊緊吸在一起,就象一個慈祥的母親吸引自己的孩子,所以人們稱它為“慈石”。

磁石吸鐵是因為每塊磁石兩頭都有不同的磁極,一頭叫正極,另一頭叫負極。人類居住的地球也是一塊天然大磁鐵,地球的南北兩頭也有不同的磁極,地球的北極是負磁極,地球南極為正磁極。根據同性磁極相排斥,異性磁極相吸引的原理,拿一根可以自由轉動的磁針,無論站在地球的什麽地方,它的正極總是指北,負極總是指南。

最原始的指南針

早在兩千多年前的戰國時期,人們利用磁石指示南北的特徵製成了指南工具──司南。但是,戰國時期的司南是什麽樣子無法考證。

據1982年3月,《光明日報》報道:磁山(在今河北省邯鄲市武安)是我國四大發明之一指南針的發源地。據《古礦錄》記載:《明史地理志》稱:“磁州武安縣西南有磁山,產磁鐵石。又《明一統治》稱:磁州武安縣西南有磁山,產磁鐵石。又《古礦錄》記載:《明一統治》稱:磁山,在縣西南30裏,土產礦石,州名取此。磁山,指南針的故鄉。

典籍記載有關指南針的事情和典籍作者,全都在古代邯鄲為中心的燕趙文化區域內;在可考典籍範圍內記載的中國古代指南 針,全都是用天然磁石磨製而成;且根據先秦典籍記載,產天然磁石的隻有武安磁山(今河北省邯鄲市武安)。在春秋戰國時期有可能製造司南的地方,隻能在以邯鄲為中 心的燕趙文化區域內,武安極有可能就是指南針的故鄉。

《中國歷史》課本插圖──“司南”,是根據中國歷史博物館展品“漢代司南模型”繪製的。這個模型是後人根據史書記載以及地下出土的漢代地盤實物製成的。地盤是青銅做成的,內圓外方,中心圓面磨得非常光滑,以保證勺體指示方向的準確性。中心圓外圍依次布列八卦、天幹、地支和二十八宿,總計二十四個方位。地盤中心的小勺是用整塊的天然磁鐵磨成的,磁鐵的正極磨成司南的長柄,勺頭底部是半球面,非常光滑。使用時先把地盤放平,再把司南放在地盤中間,用手撥動勺柄,使它轉動,等到司南停下來,勺柄所指方向就是南方。這種勺形司南直到八世紀時仍在套用。

到了宋代,勞動人民掌握了製造人工磁體的技術,又製造了指南魚。指南魚是把薄鋼片剪成魚形,長二寸,寬五分,魚的肚皮部分凹下去,使魚象船一樣能浮在水面上。然後加熱並沿子午線方向淬火使之被地磁場磁化(詳見上指南魚部分)。這種人工傳磁方法製成的指南魚比使用司南方便多了,隻要有一碗水,把指南魚放在水面上就能辨別方向了。經過長期的改進,人們又把鋼針在天然磁體上摩擦,鋼針也有了磁性。這種經過人工傳磁的鋼針可以說是正式的指南針了。沈括在他的《夢溪筆談》中提到他對指南針的用法做過四種試驗,即水浮法、縷懸法、指甲法和碗唇法。“水浮法”是把指南針放在有水的碗裏,使它浮在水面上,指示方向。“縷懸法”就是在磁針中部塗上一些蠟,上面粘一根絲線,把絲線懸在木架上,針下安放一個標有方位的圓盤,靜止時鋼針就指示南北。“指甲法”就是把鋼針放在手指甲面上,輕輕轉動,由于手指甲的光滑,磁針就和司南一樣也能發生指南作用。“碗唇法”是把磁針放在光滑的碗邊上,轉動磁什,便和指甲法一樣發生指南作用。沈括經過精密的觀察實驗,還發現磁針指示的方向並不是正南正北,而是微偏西北和東南,這種發現在科學上叫磁偏角。

名稱來源

最早在戰國時期《韓非子》一書中,就記載了指南針的原型——司南,“先王立司南以端朝夕”;並在東漢王充《論衡》中便記述了司南的具體形製,“司南之杓,投之于地,其柢指南”。

且,指南針不但最早為中國發明,並隨後演變成羅盤並套用于航海事業上。北宋朱彧所著《坪洲可談》一書中,最早記載了航海中使用指南針的情況,“舟師識地理,夜則觀星,晝則觀日,隱晦觀指南針”。其後,南宋福建路市舶司(當時管理對外貿易的政府機關)提舉趙汝適在所著《諸蕃志》中提到,“舟舶來往,惟以指南針為則,晝夜守視惟謹,毫釐之差,勝似系焉”。

就在這一時期(北宋末南宋初,約為1180年左右),中國的指南針(或者說羅盤)通過阿拉伯商人傳入歐洲。此後,羅盤在世界航海事業上被廣泛套用,因此才有15世紀-16世紀歐洲人的世界地理大發現。這一切,按照中國官方的歷史教科書來看,由于這一淵源關系,歐洲人的指南針亦是應來“指南”。

後來查了一下大英百科全書和中國大百科全書中的指南針詞條,才發現事情遠非“指南”一說這麽簡單。

在大英百科全書中,有兩個不同的詞條來解釋:

第一個詞條為“direction determinants”,即方向指定儀器,解釋如下:“中國古代四大發明之一,有磁指南和機械指南兩種,磁指南發明于公元前3世紀,稱為‘司南’……機械指南儀器為指南車,約在3世紀發明……”

第二個詞條為“compass”,譯為“羅盤”,即通常意義上用于航海的指南針。解釋如下:“航海或勘測時在地球上使用的基本測向儀器,……最老、最常用的羅盤為磁羅盤,……12世紀,顯然中國和歐洲的航海家都各自發現,一塊天然磁石,一種自然界存在的磁性礦石,漂在水中木棒上時總是指向北極星方向……”

兩個詞條其實是對指南針作了區分。一種是在陸地上、較簡單的指南儀器,源于中國司南(也應該僅僅使用于出產在中國的指南針),另一種是用于航海和勘測上、較專業的指北儀器,歐洲和中國同時出現,無先後之分。

分歧就這麽出來了,對比這兩個詞條,發現大英百科全書似乎把“中國是最早發明指南針”這一說法完全給推倒了,因為在歐洲歷史上,羅盤才是真正的“指南針”,並在歐洲人發現新大陸、爭霸海權和開拓殖民地等近現代歷史的決定性事件中,與火炮和航海術一樣扮演了功不可沒的角色。對“中國古老的指南針”不但否定,而且用了兩個不同的詞條加以區分。

中國大百科全書中,也有指南針和羅盤(磁羅盤)兩個詞條,但不論是對指南針的解釋,還是對羅盤的解釋,都最終追溯了到戰國的“司南”,這兩種不同的指向儀器是同源關系,而沒有像歐洲觀念中區分的如此涇渭分明

因此,康熙的說法和佩雷菲特對其的嘲笑便有了答案——顯然,康熙認同指南針和羅盤同出一源,用來指南,而作者佩雷菲特則按西方人的觀念,認為指南針顯然應該是羅盤;佩雷菲特則認為,羅盤是歐洲人自己發明的,與中國的“司南”沒有必然聯系,羅盤用來指北,而中國的司南則用來指南。這似乎是一種不同文化背景上的誤解。當然,羅盤和“司南”到底什麽關系,還是各有各的說法。

此外,佩雷菲特對康熙固執地認為指南針用來指南作了解釋。他認為,康熙之所以認為指南針用來指南,是因為在中國古代文化中,南是四個方位中最尊貴的方位,皇帝的御座、宮殿、陵墓,寺廟,甚至紫禁城,一切尊貴的建築物都朝向南方。他繼續寫道,“雖然皇帝是來自北方的滿人,他的論據卻是始料不及的:‘在北方,一切活動在凋萎,在衰亡。吸引磁針的力量怎麽可能來自北方呢?’……‘力量、精氣和繁榮都在南方’”。

聽佩雷菲特一說,似乎也不無道理。但,中國史書上對司南的記述確實為“其柢指南”,並沒有因為後來“南”變成了一種皇帝尊貴的象征才改的方向。這位曾先後六次訪問中國的法蘭西學院院士,用這種說法來解釋康熙認為指南針指南是合理的這一固執的想法,到底算是對中國文化的理解,還是誤解呢?

中國人認為指南針指南,歐洲人認為指南針指北,皆合理。因為現在的指南針為棱形,指針兩頭均衡,並非如“司南”隻有一個杓柄,指南指北之爭,似乎徒費口舌。

航海上的套用

指南針作為一種指向儀器,在我國古代軍事上,生產上,日常生活上,地形測量上,尤其在航海事業上,都起過重要的作用。

我國古代航海業相當發達。秦漢時期,就已經同朝鮮日本有了海上往來;到隋唐五代,這種交往已經相當頻繁。而且同阿拉伯各國之間的貿易關系也已經很密切。到了宋代,這種海上交通更得到進一步的發展。中國龐大的商船隊經常往返于南太平洋印度洋的航線上。海上交通的迅速發展和擴大,是和指南針在航海上的套用分不開的。在指南針用于航海之前,海上航行隻能依據日月星辰來定位,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,後來寫有《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,最後隻好沉石停船等待天晴

而在指南針用于航海之後,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。”這時海上航行還隻是在日月星辰見不到的日子裏才用指南針,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套用,人們對它的依賴也與日俱增,並且有專人看管。 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,毫釐不敢差誤,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製出羅盤針路,船行到什麽地方,採用什麽針位,一路航線都一一標識明白。

指南針的發明不是一蹴而成的,而是經過了漫長的辛勤研究和不斷的改進,逐漸發展而製成的。據《古礦錄》記載最早出現在戰國時期河北邯鄲武安磁山(今河北省邯鄲市磁山一帶)一帶。據史書記載,最初人們發現天然的磁石能吸鐵,繼而又發現磁鐵利用地磁吸引,總是指向南端,從而在公元前三世紀的戰國年代,人們用天然磁鐵礦琢磨成當時稱為“司南”的指南針。還發明了一種車上安裝木頭人,車子裏邊有許多齒輪,無論車子如何轉動,木頭人的手總是指向南方的“指南車”。公元一世紀初,即東漢初年,王充在《論衡》中記述了磁勺柄指南的史實。但“司南”等由于是用天然磁石製成的,容易失去磁性,使用起來既不方便,效果又不很好。在北宋時,著名的科學家沈括總結了前人的經驗,在物理方面又發現地磁偏角的存在,利用人工磁化法製成了使用方便、效果較好的指南針,就是用天然磁石上磨擦後帶磁性的鋼針來指南。此法製成的各種指向性的儀器,雖然在形狀上和裝置方法上有新的發展和差異,但其原理基本上是一樣的。

到了宋代,勞動人民掌握了製造人工磁體的技術,又製造了指南魚。指南針的發明是我國勞動人民,在長期的實踐中對物體磁性認識的結果。由于生產勞動,人們接觸了磁鐵礦,開始了對磁性質的了解。人們首先發現了磁石引鐵的性質。後來又發現了磁石的指向性。經過多方的實驗和研究,終于發明了極具實用價值的指南針。

指南針是中國古代四大發明之一。早在春秋戰國時期,人們對磁現象有了深刻的認識。古代中國人認為,磁石吸鐵,有如慈母懷子,因此在先秦的許多文獻中,多將“磁石”寫作“慈石”。戰國後期的哲學家韓非的著作中,不但有關于磁現象的記載,而且有把磁性用于辨別方位的記載。這表明,在那時人們已開始用磁石來製造最初的羅盤。

到了西漢時期,中國古代磁學有了進一步發展。東漢哲學家王充在其著作《論衡》中曾有過這樣的記述:“司南之杓,投之于地,其柢指南。”這說明,作為指南針前身的司南在當時已得到較為廣泛的套用。

史料記載

《海道經》和《大元海運記》

元代的《海道經》和《大元海運記》裏都有關于羅盤針路的記載。元代周達觀寫的《真臘風土記》裏,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易,促進了東西方的經濟和文化交流,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,從江蘇劉家港出發到蘇門答臘北端,沿途航線都標有羅盤針路,在蘇門答臘之後的航程中,又用羅盤針路和牽星術相輔而行。指南針為鄭和開闢中國到東非航線提供了可靠的保證。

夢溪筆談節選

方家以磁石磨針鋒,則能指南;然常微偏東,不全南也。水浮多蕩搖,指爪及碗唇上皆可為之,運轉尤速,但堅滑易墜,不若縷懸為最善。其法:取新纊中獨繭縷,以芥子許臘綴于針腰,無風處懸之,則針常指南。其中有磨而指北者。餘家指南、北者皆有之。磁石之指南,猶柏之指西,莫可原其理。

譯文

掌握技術的行家用磁石磨針使其變得鋒利(即磁化),就可以指向南方,然而指向常常略微偏東,不全是正南方,(把針放在)水上常搖擺不定。放手指(甲上)或碗的邊緣也都可以,運轉速度很快,但(這些表面)堅硬光滑,容易滑落掉下,不像懸掛最好。這個方法是取新產的絲綿中單獨的縷繭絲,用芥菜種子大小的蠟塊粘好,系在針的中間(位置),在沒有風的地方懸掛,指針就常常指向南方。其中有的針指向北方。我家指南、指北的針都有,磁石指向南方,好像柏樹的樹枝指向西方一樣。(我)無法探究它的原理。

注解

方家:指掌握某項技術的人。

水浮:指將磁針穿過燈草浮在水面上。

指爪:指甲。

鋒:使…變鋒利

碗唇:碗邊。

縷懸:用絲線懸掛。

纊(kuang):絲綿。

獨繭縷:單根的蠶絲。

綴:連線,這裏指粘。

原:推究。

磨而指北者:(有的針)用磁石磨後指北。

以芥子許臘綴于針腰:用芥子大小的蠟粘在磁針的中間部位。芥子,芥菜的種子。許,表示約數,相當于“大小”、“左右”。

《武經總要》節選

若遇天景曀霾,夜色螟黑,又不能辨方向,則當縱老馬前行,令識道路,或出指南車或指南魚以辨所向。指南車法世不傳。魚法以薄鐵葉剪裁,長二寸、闊五分,首尾銳如魚形,置炭火中燒之,候通赤,以鐵鈐鈐魚首出火,以尾正對子位,蘸水盆中,沒尾數分則止,以密器收之。用時,置水碗于無風處,平放魚在水而令浮,其首常南向午也。

製作方法

製作方法

材料:縫衣針蠟燭、鐵絲、冷水、透明塑膠瓶、鐵錘、細木棒

製作方法:

1.用鐵絲纏住縫衣針,然後放入火中燒紅,之後馬上浸入冷水中冷卻。要記住:浸的時候一定要把針按南北方向擺放,這樣針才能變成小磁針。還有,你一定要小心別燙著!

2.把塑膠瓶剪去口,用鐵錘在底部的中央扎一個孔,然後把細線一端拴在小磁針的中部,再把線從孔中穿過。倒立塑膠瓶,使小磁針慢慢靜止,這時你會發現,小磁針的一端指向的是南方,另一端指的是北方。

現代指南針

現代人製作了各種電子指南針,美國的蘋果手機中就有這個軟體,甚至在GPS中也會用到。

電子指南針將替代舊的針式指南針或羅盤指南針,因為電子指南針全採用固態的元件,還可以簡單地和其他電子系統接口。電子指南針系統中磁場感測器的磁阻(MR)技術是最佳的解決方法,和現在很多電子指南針還在使用的磁通量閘門感測器相比較,MR技術不需要繞線圈而且可以用IC生產過程(IC-like process)生產,是一個更值得使用的解決方案。由于MR有高靈敏度,它甚至比這個套用範圍中的霍爾元件更好。

指南針與偏磁角

指南針不僅僅指出南北方向,還指出一條磁子午線,這條磁子午線是隨一年四季變化的。其一,在春分,秋分這天,磁子午線與子午線,以及地球的經線三線重合,指南針直指地球的南北方向極點,誤差隻有0.08度地軸偏心率,可以忽略不計。其二,在夏至,冬至這天,磁子午線和子午線是不重合的並且偏磁角最大,最大偏差量為征服23.26度,也就是說在地球南北極附近偏磁點最大,用地球的周長除以365度角在*正負23度,等于偏磁極點對應南北極點的距離(正負弧度公裏)。可以講緯度線越高偏磁角越大,相反,緯度越低偏磁角越小,“太陽同步軌道詞條”詳細詮釋了地球和太陽同步軌道是隨一年四季變化的論述,也就是說軌道變化與引力有關系,引力又和地磁場的引力等效,並表示出地球和太陽的取向角度,軌道繞地球產生傾角,假如去處人為設定衛星軌道傾斜度7.8度,那麽,地球明暗部分中間那條線就是磁子午線,而衛星軌道是隨一年四季變化的四幅小圖,為什麽?因為一切事物都是相對而言,都有正反兩方面,即,磁子午線指向不變,而地球的經線軌道在變化。

當我們走進科技館時,地球儀映入我們眼簾,首先給人第一印象是地軸偏斜了23度半的球體。仔細觀察發現地球的北極點不是球體的最高點,南極點也不是球體的最低點,這是為什麽呢?探究所以,鉤深致遠多年,通過學習現有知識,發現地軸偏斜23.26度,使球體面發生了改變。再看地球儀半圓架構刻度盤在取向上,又發現北極軸在方向偏斜23.26度,的地方是球體表面的最高點,南極軸方向向上偏斜23.26度的地方是球體表面的最低點,我試著在最高點與最低點之間畫一條軸線,驚奇的發現,這條線的縱線和黃道面水準橫線相交,恰好垂直為90度,猛然開悟,這不是我夢寐以求要找的縱向磁子午線嗎!偏磁極點嗎,磁引力線就是從極點發出的嗎?以及地球和太陽的引力線嗎。即縱線軸心線就是磁子午線,橫向軸心線就是太陽吸引地球的引力線。

樣式

古代民間常用薄鐵葉剪裁成魚形,魚的腹部略下凹,像一隻小船,磁化後浮在水面,就能指南北。當時以此做為一種遊戲。

北宋時,曾公亮在《武經總要》載有製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。鐵片燒紅後,溫度高于居裏點,鐵片中的磁疇便瓦解而成為順磁體,蘸水淬火後,磁疇又形成,但在地磁場作用下磁疇排列有方向性,故能指南北。因我國長江黃河流域一帶地磁有大約50度左右的傾角,如水準放置,則隻有水準方向分量起作用,而以一定角度放入水中,則使魚磁化的有效磁場強度增大,磁化效果更好。

人工磁化方法的發明,對指南針的套用和發展起了巨大的作用。在磁學和地磁學的發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,當時的技術人員用磁石去摩擦縫衣針,就能使針帶上磁性。從現在的觀點來看,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,摩擦法的發明不但世界最早,而且為有實用價值的磁指向器的出現,創造了條件。

夢溪筆談》是沈括(1031—1095年)所著的有關我國古代科學技術的著作,書中談到磁學和指南針的一些問題。他在《夢溪筆談》的補筆談中談到了摩擦法磁化時產生的各種現象:“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,理應有異,未深考耳。”這是說,用磁石去摩擦縫衣針後,針鋒有時指南,也有時指北。從現在的觀點來看,磁石都有N和S兩個極,磁化時縫衣針針鋒的方位不同,則磁化後的指向也就不同。但沈括並不知道這個道理,他真實的記錄了這個現象並坦白承認自己沒有做深入思考。以期望後人能進一步探討。

裝置

關于磁針的裝置方法,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,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,磁針可以旋轉自如,指示方向。

4.縷懸法——在磁針中部塗一些,粘一根蠶絲,掛在沒有的地方,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果。碗唇旋定法和指甲旋定法,由于摩擦力小,轉動很靈活,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歸納了迄今為止指南針裝置的兩大體系——水針和旱針。

南宋陳元靚在《事林廣記》中介紹了另一類指南魚和指南龜的製作方法。這種指南魚與《武經總要》一書記載的不一樣,是用木頭刻成魚形,有手指那麽大,木魚腹中置入一塊天然磁鐵,磁鐵的S極指向魚頭,用蠟封好後,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的腹內,在木龜腹下方挖一光滑的小孔,對準並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、可以自由旋轉的支點上了。由于支點處摩擦力很小,木龜可以自由轉動指南。當時它並沒有用于航海指向,而用于幻術。但是這就是後來出現的旱羅盤的先聲。

指南龜發明年代不晚于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,出現了磁針和方位盤一體的羅盤。羅盤有堪輿用的羅經盤和水羅盤、旱羅盤。

方位盤仍是二十四向,但是盤式已經由方形演變成圓形。這樣一來隻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。”這是有關羅經盤最早的文獻記載。文獻中所說的“地螺”,就是地羅,也就是羅經盤。文獻中已經把磁偏角的知識套用到羅盤上。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,內中盛水,磁針橫穿燈草,浮于水面。

現在人們已經知道,地球的兩個磁極和地理的南北極隻是接近,並不重合。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,和水準方向有一個夾角,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《武經總要》在談到用地磁法製造指南針時,就註意利用了磁傾角。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現使指南針的指向更加準確。

意義影響

外傳與影響

在北宋人朱或1119年成書的《萍洲可談》中,有這樣一段文字:“甲令海舶,大者數百人。小者百餘人……舟師識地理,夜則觀星,晝則觀日,陰晦觀指南針”。

一些外國學者在翻譯這段文字時,誤將其中的“甲令”(南宋政府的命令)一詞翻譯成了往來海上的阿拉伯船長的名字,因此就一錯再錯,得出了最早裝備指南針的不是中國海船,而是阿拉伯海船的錯誤結論。

實際上,中世紀時阿拉伯人海船船體狹小,根本無法容納百餘人。當時往來南中國海、印度洋和波斯灣之間的商船,能夠容納上百人的隻有中國海船,連阿拉伯商人也經常搭乘中國海船。宋代與阿拉伯的海上貿易十分頻繁,中國開往阿拉伯的大型船隊有指南針導航,阿拉伯人是很容易從中國商船上學到指南針的用法的。

指南針大約在十二世紀末十三世紀初之際,傳到阿拉伯,然後又由阿拉伯傳入歐洲,後來歐洲演變出旱羅盤,再於明代時經日本傳回我國。

指南針對西方最大的影響莫過于西方開始海外大探險。

結合當時國家有計畫的海外探險,以及天文、地理、造船、航海技術的配合,再加上羅盤的使用,因而造成西方一連串的海外探險。就世界範圍來說,指南針在航海上的套用,導致了以後哥倫布(約1451-1506)對美洲大陸的發現和麥哲侖(約1480-1521)的環球航行。這大大加速了世界經濟發展的進程,為資本主義的發展提供了必不可少的前提。

在各國相競的向外發展下,新航線、新大陸逐一被發現,讓歐洲人在短時間內看到更多不同的事物與民族,進而促使歐洲人以客觀的觀察和比較的眼光來看待不同的民族與文化,是為指南針的另外更深遠的影響。

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