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指南針和中國古代的磁學知識
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作者:
緣生
時間:
2010-6-7 19:07
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指南針和中國古代的磁學知識
指南針和中國古代的磁學知識
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指南針的發明年代很早，已經有兩千多年的歷史。我國古籍中，有關指南針的記載很多。在這裡，我們只就指南針的發明歷史和它對人類的重大貢獻，以及我國古代關於磁學方面的初步知識，作一簡單的介紹。
關於指南針
指南針是利用磁鐵在地球磁場中的南北指極性而製成的一種指向儀器，它和以齒輪結構的機械指南車不同。
我們現在所說的指南針是個總的名稱，在各個不同的歷史發展時期，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。
關於指南針的最初發明者和發明年代現在無可查考。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實踐中集體智慧的結晶。
指南針的發展和演變
指南針大約在我國戰國時期就已經出現了。最初的指南針是用天然磁石製成的，樣子像一隻勺，底圓，可以在平滑的“地盤”上自由旋轉，等它靜止的時候勺柄就會指向南方。佔人稱它“司南”。東漢的王充，在他的《論衡·是應篇》中曾說：“司南之杓，投之於地，其柢指南。”這裡的“地”，是指漢代栻佔的方形“地盤”，地盤四週刻有八千(甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、癸)和十二支(子、醜、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。從戰國、秦漢、六朝以至隋唐的古籍中。有不少關於司南的記載。如《韓非子·有度篇》裏有“先王立司南以端朝夕”的話，“端朝夕”就是正四方的意思。《鬼穀子·謀篇》裏也記載說，“鄭人取玉，必載司南，為其不惑也。”就是說鄭國的人到遠處去採玉，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很精湛，至遲在春秋時期就已經能把硬度五到七的軟玉和硬玉琢製成各種形狀的玉器，因此也能夠把硬度只有五·五到六·五的天然磁石製成形體比較簡單的司南來。
由於天然磁石在琢製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。
隨著社會生產力的不斷發展，科學技術的不斷進步，航海業的不斷擴大和發展，製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。在經過勞動人民長期的生產實踐和反覆多次的試驗之後，人們終於發現了人工磁化的方法，這樣就產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《武經總要》和由著名的科學家沈括撰寫的《夢溪筆談》裏，分別介紹了指南魚和指南針。指南魚是用薄鐵葉裁成魚形，然後用地磁場磁化法，使它帶有磁性(詳後)。在行軍需要的時候，只要用一隻碗，碗裏盛半碗水，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。鋼針經磁石摩擦之後，便被磁化，也同樣可以指南。沈括根據他的見聞，在《夢溪筆談》卷二十四里說道：“方家以磁石磨針鋒，則能指南。”直到十九世紀現代電磁鐵出現以前，幾乎所有的指南針都是採用這一種人工磁化法製成的。這時，指南針在它的發展史上已經跨過了兩個發展階段——司南和指南魚，發展成一種更加簡便、更有實用價值的指向儀器。以後各種名目繁多的磁性指向儀器，就都以這種磁鍼為主體，只是磁鍼的形狀和裝置法有所變化罷了。
關於磁鍼的裝置法，沈括親自做了四種實驗：把磁鍼橫貫燈芯浮水上，架在碗沿或指甲上，以及用縷絲懸挂起來。
沈括這四種實驗，概括起來是屬於三種類型：一是水浮法，二是支點旋轉法，三是縷絲懸挂法。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點，它們在後來都有不同程度的發展，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，在我國指南針發展史上佔有重要的地位。從已經發現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後期。這種水浮法，據宋代寇宗奭(sh岥)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，讓磁鍼貫穿而過，使它浮在水面而指南。如滋針裝置實驗示意圖的(1)所示。解放後在河北磁縣、江蘇丹徒、遼寧大連等地，陸續發掘出一批元代的“王”字瓷碗。碗腹內底畫有三大點，中間穿一細劃，樣子像個“王”字。據王振鋒考證①，這三點一劃是表示“指南浮針”，中間的直線表示磁鍼，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”字瓷碗底部圈足裏都墨書一個正楷的“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。
南宋陳元靚在他所撰的《事林廣記》中，也介紹了當時民間曾經流行的有關指南針的兩種裝置形式，就是木刻的指南魚和木刻的指南龜。木刻指南魚是把一塊天然磁石塞進木魚腹裏，讓魚浮在水上而指南。木刻指南龜的指向原理和木刻指南魚相木同，它的磁石也是安在木龜腹，但是它有比木魚更加獨特的裝置法，就是在木龜的腹部下方挖一小穴，然後把木龜安在竹釘子上，讓它自由轉動。這就是說，給木龜設置一個固定的支點。撥轉木龜，待它靜止之後，它就會南北指向。
正如在使用司南時需要有地盤配合一樣，在使用指南針的時候，也需要有方位盤相配合。最初，人們使用指南針指向可能是沒有固定的方位盤的，但是不久之後就發展成磁鍼和方位盤聯成一體的羅經盤，或稱羅盤。方位盤仍是漢時地盤的二十四向，但是盤式已經由方形演變成環形。羅經盤的出現，無疑是指南針發展史上的一大進步，只要一看磁鍼在方位盤上的位置，就能定出方位來。南宋曾三異在《同話錄》中說道：“地螺或有子午正針，或用子午丙壬間縫針。”這裡的“地螺”就是地羅，也就是羅經盤。這是一種堪輿用的羅盤。這時候已經把磁偏角的知識應用到羅盤上。從曾三異的恬可以看出，這種羅盤不但有子午正針(是以磁鍼確定的地磁南北極方向)，還有子午丙壬間的縫針(是以日影確定的地理南北極方向)，兩個方向之間有一夾角，這就是磁偏角。
當時的羅盤，還是一種水羅盤，磁鍼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》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旱羅盤。據《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，高二二·二釐米，手捧一件似是旱羅盤，磁鍼是菱形，中央有一小孔，以軸承支援著。這說明可能早在十二世紀末期前，中國已有旱羅盤。旱羅盤和水羅盤的區別在於，旱羅盤的磁鍼是以釘子支在磁鍼的重心處，並且使支點的摩擦阻力十分小，磁鍼可以自由轉動。顯然，旱羅盤比水羅盤有更大的優越性，它更適用於航海，因為磁鍼有固定的支點，而不會在水面上游蕩。
旱羅盤的這種磁鍼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；沈括關於磁鍼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西元十二世紀末到十三世紀初經過阿拉伯傳入歐洲的。宋代我國的航海業已經相當發達，泉州、廣州都是世界一等大商港，中國船隻不但船身大，結構堅，而且航速快，又有指南針指航，阿拉伯商人都樂乘中國船隻。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展，連同民間流行的木刻指南龜，也就很容易隨著頻繁的經濟文化交流而傳人西方，這就為旱羅盤的出現提供了基礎。
順便指出，雖然旱羅盤因磁鍼有固定的支點而比水羅盤顯得優越，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動不了。十四到十六世紀，歐洲航海羅盤出現了一種現在稱做“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，使小圈正好內切于大圈，並且用樞軸把它們聯結起來，然後再由樞軸把它們安在一個固定的支架上。旱羅盤就挂在內圈中，這樣，不論船體怎麼擺動，旱羅盤總能始終保持水準狀態。
這種常平架，就文獻記載來看，在我國早在漢晉時期就已經出現了。在當時的一部著作《西京雜記》①中曾經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，可以點上香後放在被窩中，不論小球怎麼滾動，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裏聯結著兩個套起來的金屬圈，點香用的爐缸就挂在內圈上。這種臥褥香爐在漢以後歷代都有製造。但是這種技術原理在當時只是為少數統治階級服務，直到一千三百多年後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，就已經同北韓、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係也已經很密切。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和印度洋的航線上。海上交通的迅速發展和擴大，是和指南針在航海上的應用分不開的。在指南針用於航海之前，海上航行只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(西元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，最後只好沉石停船等待天晴。
而在指南針用於航海之後，不論天氣陰暗，航向都可辨認。史籍中最早記載到指南針用於航海的是在北宋。朱彧(y徂)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。”這時海上航行還只是在日月星辰見不到的日子裏才用指南針，這是由於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應用，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，蓋一舟人命所繫也。”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，船行到什麼地方，採用什麼針位，一路航線都一一標識明白。元代的《海道經》和《大元海運記》裏都有關於羅盤針路的記載。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”。這是由於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。就世界範圍來說，指南針在航海上的應用，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。
我國古代有關磁學的知識
我國古代關於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)。我國古籍中關於磁石的最早記載，是在《管子·地教篇》中：“上有慈石者，下有銅金。”人們在同磁石不斷接觸中，逐漸了解到它的某些特性，並且利用這些特性來為人類服務。
關於磁石的吸鐵性
磁石有一個區別於別種礦石的顯而易見的特性，就是它的吸鐵性。磁石吸鐵性的發現年代很早，它同靜電學裏的“琥珀拾芥”現象一起，通常被古代人聯繫起來比喻事物的本性。由於磁石具有吸鐵的特性，因此它也容易被人們發現。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。”(《呂氏春秋·季秋紀·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”。
從現代物理學知識知道，磁石之所以能夠吸鐵，是由於鐵的導磁系數遠遠比一大。鐵被磁石的磁場作用後，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、金等大多數的金屬和非金屬，都是一般的弱磁性物體，它們的導磁系數都十分接近於一(略大於或小于一)，因此這些物體不能被磁石吸引。對於這一問題，宋代的陳顯微和俞琰曾經作了探討，認為磁石所以吸鐵，是有它們本身內部的原因，是由鐵和磁石之間內在的“氣”的聯繫決定的(“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》一書中也認為磁吸鐵是由於它們之間具有“隔礙潛通”的特性。劉獻廷還在他的書中記述了磁遮罩現象：“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’”。劉獻廷並且把鐵的這種磁遮罩作用理解為“自然之理”。這種力圖用自然界本身來解釋自然現象的觀點是唯物主義的。考慮到當時的科學水準，也只能作出這樣解釋。
我國古代還把磁石吸鐵性應用於生產上。清朱琰著的《匋說》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，燒成後就會有黑斑。在制藥的過程中，由於鐵制的杵臼往往會有碎屑混在藥裏，人們也往往用磁石吸去杵頭的鐵屑。磁石也應用於醫療上，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，如在眼裏或口裏吸收某些細小的鐵質異物。到了現代，已經發展為一種專門的磁性療法，對關節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，使鋼針內部的單元小磁體——“磁疇”由雜亂排列變為規則排列，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。《武經總要》所記載的指南魚就屬於這一種。“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，以鐵鈴鈴魚首出火，以尾正對子位，蘸水盆中，沒尾數分則止，以密器收之。”從現在知識看，把鐵葉魚燒紅是為了讓鐵魚內部的分子動能增加，從而使分子磁疇從原先的固定狀態變為運動狀態。然後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(由無規則排列到規則排列)，這時鐵魚就被磁化了。最後由於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，把分子磁疇的規則排列固定下來，同時也是淬火過程。最後“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磁化。這稱磁化法完全是憑經驗得來的，但是它是磁學和地磁學發展的重要一環，比歐洲用同樣磁化方法早了四百多年。
我國關於地球磁場可以磁化鐵物的記載，還見於明代的一些著作中，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。”李豫亨的《青烏緒言》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，繫繩懸之，以手擊之旋，旋定必指南，即羅經法也，余試之良然。”
磁偏角、磁傾角(地球磁場和水準面的夾角)和地磁場的水準分量(或地磁場的強度)稱作“地磁三要素”。歐洲人對磁偏角的發現是在哥倫布海上探險途中的1492年，磁傾角的發現還要晚一些。而我國對磁偏角、磁傾角的發現都要早得多。
《武經總要》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意識到有個傾角的存在。
北宋司天監楊維德于仁宗皮歷元年(西元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。”之所以“取丙午針”，就是由於磁鍼存在偏角的緣故。也就是說當磁鍼處於“丙午”方向時，方向盤的“午”才是地理的正南向。這是至今所發現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。”沈括在這裡說的是“常微偏東”，而不是必微偏東。他在說到懸挂磁鍼的時候，也是說“針常指南”。稍後一些的寇宗奭，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“常”字，寫成“常偏東”，“常指南”、“常偏丙位”等等，足見沈、寇二人對“常”字不是隨便用的。從後來的地磁學發展知道，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。這些變化是由於地磁極不斷變動所致。沈括在《夢溪筆談》裏之所以記為“常微偏東”，可能是由於他觀察磁鍼指南是在一個比較長的時間裏，同時也由於他觀察磁鍼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，多數是偏東的，但是也不完全是這樣。歐洲人首次發現磁偏角隨地點變化是在哥倫布由西班牙航往美洲的途中；而發現同一地點的磁偏角隨時間變化是在1634年。這些發現都是比較具體而詳細的。而沈括的記述卻很籠統，但是我們可以認為，磁偏角是在不斷變化的這一現象，在《夢溪筆談》裏就有所反映。
到了南宋，磁偏角因地而異的情況有了更明確的記載，並且被應用到堪輿羅盤上，如前面已經提到的曾三異，他在《同話錄》中說：“天地南北之正，當用子午。或謂今江南地偏，難用子午之正，故以丙壬參之。”這就是說，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盤的縫針方位也都不一致。這可以看成是我國古代關於偏角因時、地而變化的原始記錄。
從上面的介紹可以看出，我國古代關於磁學和地磁學的知識是相當豐富的，而指南針的發明，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。
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