书城自然物理:在辉煌的历史里
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第10章 指南针的发展与演变

指南针是我国四大发明之一。它经过漫长的岁月,跨过了司南和指南鱼两个发展阶段,最终发展成一种更加简便、更有实用价值的指向仪器。

指南针的发明,尤其是指南针在航海中的应用,打开了世界磁性导航的先河。

最初的指南针古人称它“司南”。“司南”是指南的意思。它是用天然磁石制成的。

磁石的南极磨成长柄,放在青铜制成的光滑如镜的地盘上,再铸上方向性的二十四向刻纹。这个磁勺在地盘上停止转动时,勺柄指的方向就是正南,勺口指的方向就是正北,这就是传统上认为的世界上最早的磁性指南仪器。

东汉时期的王充在他的《论衡·是应篇》中曾说:“司南之杓,投之于地,其柢指南。”这里的“地”就是上面所说的“地盘”。

从战国、秦汉、六朝至隋唐时期的古籍中,有不少关于司南的记载。如《韩非子·有度篇》里有“先王立司南以端朝夕”的话,“端朝夕”就是正四方的意思。《鬼谷子·谋篇》里也记载说,郑国的人到远处去采玉,就带了司南去,以便不迷失方向。

古代的司南是用天然磁石经人工用琢玉的办法琢磨成的。商周时期琢玉工人的技术已经很精湛,至迟在春秋时期,就已经能把软玉和硬玉琢制成各种形状的玉器,因此也能够把低硬度的天然磁石制成形体比较简单的司南来。

由于天然磁石在琢制成司南的过程中不容易找出准确的两极方向,而且也容易因受震而失去磁性,因而成品率低。

同时,也因为这样琢制出来的司南磁性比较弱,而且在和地盘接触的时候转动摩擦阻力比较大,效果不很好,因此这种司南未能得到广泛的使用。

北宋初年,出现了指南鱼和指南针。指南鱼在行军需要的时候,只要用一只碗,碗里盛半碗水,放在无风的地方,再把铁叶鱼浮在水面,就能指南。但是这种用地磁场磁化法所获得的磁体磁性比较弱,实用价值比较小。

指南针是以天然磁石摩擦钢针制得。钢针经磁石摩擦之后,便被磁化,也同样可以指南。

关于磁针的装置法,北宋时期科学家沈括亲自做了4种实验,这就是水浮法、碗唇旋定法、指甲旋定法和缕悬法。

水浮法是将磁针上穿几根灯心草浮在水面,就可以指示方向;碗唇旋定法是将磁针搁在碗口边缘,磁针可以旋转,指示方向;指甲旋定法是把磁针搁在手指甲上面由于指甲面光滑,磁针可以旋转自如,指示方向;缕悬法是在磁针中部涂一些蜡,粘一根蚕丝,挂在没有风的地方,就可以指示方向了。

其实这4种方法各有优点,它们在后来都有不同程度的发展,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,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,从两宋时期起,历元明清时期,水浮法指南针在航海上和堪舆上都一直使用。有的还使用到清代的中后期。

这种水浮法,据元代药学家寇宗奭的《本草衍义》所说,是用灯芯草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。

南宋时期学者陈元靓在他所撰的《事林广记》中,也介绍了当时民间曾经流行的有关指南针的两种装置形式,就是木刻的指南鱼和木刻的指南龟。

木刻指南鱼是把一块天然磁石塞进木鱼腹里,让鱼浮在水上而指南。木刻指南龟的指向原理和木刻指南鱼相同,它的磁石也是安在木龟腹中,但是它有比木鱼更加独特的装置法,就是在木龟的腹部下方挖一****,然后把木龟安在竹钉子上,让它自由转动。这就是说,给木龟设置一个固定的支点。拨转木龟,待它静止之后,它就会南北指向。

正如在使用司南时需要有地盘配合一样,在使用指南针的时候,也需要有方位盘相配合。

最初,人们使用指南针指向可能是没有固定的方位盘的,但是不久之后就发展成磁针和方位盘联成一体的罗经盘,或称“罗盘”。方位盘仍是汉时地盘的二十四向,但是盘式已经由方形演变成环形。罗经盘的出现,无疑是指南针发展史上的一大进步,只要一看磁针在方位盘上的位置,就能定出方位来。

南宋时期学者曾三异在《同话录》中说道:“地螺或有子午正针,或用子午丙壬间缝针。”

这里的“地螺”就是地罗,也就是罗经盘。这是一种堪舆用的罗盘。这时候已经把磁偏角的知识应用到罗盘上。

这种堪舆罗盘不但有子午正针,即以磁针确定的地磁南北极方向,还有子午丙壬间的缝针,即以日影确定的地理南北极方向。这两个方向之间有一夹角,这就是磁偏角。

当时的罗盘,还是一种水罗盘,磁针还都是横贯着灯芯草浮在水面上的。北宋时期书画家徐兢的《宣和奉使高丽图经》中说,在海上航行时,遇到阴晦天气,就用指南浮针。

旱罗盘大概出现在南宋。旱罗盘是指不采用“水浮法”放置指南针磁针的罗盘,通常是在磁针重心处开一个小孔作为支撑点,下面用轴支撑,并且使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,它更适用于航海,因为磁针有固定的支点,而不会在水面上游荡。

旱罗盘的这种磁针有固定支点的装置法,最初的思想起源很早。因为司南就有一定的支点,另外沈括的磁针装置试验,也有设置固定支点。指南针作为一种指向仪器,在我国古代军事上,生产上,日常生活上,地形测量上,尤其在航海事业上,都起到了重要的作用。

我国的指南针大约是在12世纪末至13世纪初经过阿拉伯传入欧洲的,对世界经济的发展起到了积极作用。