指南針的應(yīng)用

指南針的發(fā)明及其在航海中的應(yīng)用，迄今已是世界公認(rèn)的古代中國的偉大成就之一。英國哲學(xué)家弗·培根（公元1561-1626年）曾稱贊印刷術(shù)、火藥和指南針是“在世界范圍內(nèi)把事物的全部面貌和情況都改變了”的三項發(fā)明，“竟至任何帝國、任何教派、任何星辰對人類事務(wù)的力量和影響都仿佛無過于這些機械性的發(fā)現(xiàn)”。馬克思也曾指出，這“是預(yù)告資產(chǎn)階級社會到來的三大發(fā)明”。其中，“指南針打開了世界市場并建立了殖民地”。可見，指南針的發(fā)明對人類和社會歷史進(jìn)程所起到的偉大作用和影響。中國人至晚在秦漢時期已經(jīng)發(fā)明了磁性指向器，當(dāng)時稱它為“司南”。它是用天然磁石加工而成的，其形狀類似瓢勺。將它放在栻占用的光滑的銅質(zhì)地盤上，經(jīng)旋動而靜止時，其勺柄就指向南方。地盤上刻有古代人熟悉的天干、地支和八卦表示的24個方位。（圖5-1）

圖5-1置于地盤上的司南（王振鐸復(fù)制）從秦漢直到唐代中期，司南不斷被人們所制造和使用。生活在8世紀(jì)的韋肇在其《瓢賦》中還寫道，“充玩好，則校司南以為可”。其中，“校”字晗含制作在其中。所以司南要“校”準(zhǔn)，除地磁偏角的影響外，尚有加工工藝等問題。因為司南類似勺，因此韋肇在其詩中還說：“杓之類奚取于梓人”?！拌魅恕笔侵改竟?。作為植物果實瓢，是農(nóng)民所種，非木工所為；作為司南這一磁性瓢勺，是由金工所為，也非木工斧鋸而成。韋肇的《瓢賦》表明唐代人還在制造司南。唐代，大概是由司南向指南針過渡的孕育階段?；蛘撸扑沃H完成了向指南針的過渡。入宋以后，有關(guān)指南針的文獻(xiàn)突然豐富起來。指南針、指南魚、指南龜幾乎同時問世，地磁偏角、地磁傾角也相繼被人們所發(fā)現(xiàn)和利用。具體地說，入宋以后81年，楊維德在其相墓、相風(fēng)水的地理著作《塋原總錄》（成書于1041年）中最早記述了指南針和地磁偏角。其后三年，曾公亮的軍事著作《武經(jīng)總要》問世，書中記述了以地磁場磁化鋼鐵片的方法。又其后40余年，即公元1086年，沈括的《夢溪筆談》完稿，以磁體磁化鋼針的方法在該書中作了詳細(xì)記載。因此，至少可以推測，在楊維德記下指南針和地磁偏角之前，會有幾代堪輿家已經(jīng)擺弄了指南針。楊維德說，用指南針看風(fēng)水、確定四方的方位時，指南針“當(dāng)取丙午針”?！拔纭笔堑乩碚戏较?，“丙”是地理正南偏東方向。這就是說，指南針的南向，即地磁南向是在那兩個地理方向之間。地磁南向與地理南向有偏差，這就是所謂的地磁偏角。在西方，磁偏角是哥倫布在1492年的航海中發(fā)現(xiàn)的，比楊維德的記述要晚450年。曾公亮詳細(xì)地記下了制造指南魚的方法：以薄鐵葉剪裁、長二寸寬二分、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(shù)分則止。以密器收之。用時置水碗于無風(fēng)處，平放魚在水面令浮，其首常南向午也。（《武經(jīng)總要》）對這段文字需要說明的是，它是否符合科學(xué)？如何以近代磁學(xué)知識理解它？將“薄鐵”（曾公亮所記“薄鐵”很可能是鋼）剪成魚形片、燒紅，當(dāng)爐溫高于居里點（約700℃）時，鋼鐵的磁疇排列完全被打亂。而當(dāng)它“蘸水”即淬火急冷時，磁疇排列又復(fù)形成。關(guān)鍵在于冷卻時，“以尾正對子位”。這表明，鐵片是按地球子午線方向，即地磁的南北方向冷卻的。因此，在地磁場的影響下，冷卻后的鐵片磁疇就都順地磁方向排列了，從而鐵片產(chǎn)生了磁性。又因為淬火時，鐵片“沒尾數(shù)分”，是斜插入水盆中淬火，這又恰好利用了地磁傾角，增強了對鐵片的磁化強度。當(dāng)鐵片完全冷卻，其磁疇也就完全按地磁方向排列，則魚頭為北極，魚尾為南極。將這種指南魚平放入水碗后，受地磁場影響，魚頭指向南方，魚尾指向北方。其實曾公亮及其同時代的人并沒有地磁場乃至地磁傾角的理性概念；而在實踐中，他們卻充分利用了地磁場和地磁傾角以磁化鐵片。而西方，有說諾曼（robertnorman）于1576年發(fā)現(xiàn)了磁傾角；也有說是哈特曼（georgehart-mann）于1544年發(fā)現(xiàn)的。無論哪一說成立，歸成一句話，西方人在理論上的發(fā)現(xiàn)比我國古代人在實際中的應(yīng)用要晚500年。另一種以磁感應(yīng)制造指南針的方法見于沈括的《夢溪筆談》卷二四：“方家以磁石磨針鋒，則能指南。然常微偏東，不全南也。”前一句是指南針的磁化感應(yīng)方法，后一句指明地磁偏角的存在。沈括同時記述了多種安裝指南針的方法：1）指甲法，將磁針擱在光滑的指甲上，可以旋轉(zhuǎn)自如；2）絲懸法，以單根蠶絲系于針腰，懸吊磁針，相系處滴上少許蠟。3）水浮法，把磁針穿在數(shù)根燈草上，用燈草托浮磁針于水面；4）碗唇法，把磁針放在光滑的碗口邊緣上；此外還發(fā)現(xiàn)感應(yīng)磁化時，不僅有指南，也有指北的磁針，并承認(rèn)自己“莫可原其理”。由此不難看出，當(dāng)時的中國人尚未知道地球本身也是個大磁體。沈括之后有關(guān)指南針及其制法的記載越來越多，大概它已成為中國人的普通常識了。也是在宋代，陳元靚在《事林廣記》中還記載了兩種指南針——指南龜和指南魚。將磁針裝入木刻小龜腹中，龜腹心刻一小圓穴，以一竹釘作為旋轉(zhuǎn)支軸。撥轉(zhuǎn)木龜，龜則指南。此種裝置稱之為“指南龜”。類似的，將小條形磁針安裝在木刻魚腹中，將木魚浮于水面，則指南，故稱“指南魚”。如果分別在魚頭、魚尾插入一小鐵針，既易于識別方向，又方便用手撥轉(zhuǎn)。圖5-2繪畫了古代人所發(fā)明的各種指南針及其安裝方法。將指南針與刻度盤相結(jié)合，使之成為一種辨識方向的儀器，稱為羅盤?？潭缺P在中國產(chǎn)生于先秦時期，但羅盤只有在磁針誕生之后才有可能問世。

圖5-2指南針及其安裝法1至4為沈括記載的四種安裝法：1.指甲法；2.絲懸法；3.水浮法；4.碗唇法；5.陳元靚記述的指南龜；6.指南木魚；7.曾公亮記述鋼片指南魚。起初，羅盤被稱為“地螺”。它的發(fā)明，首先被堪輿家用于相墓、相宅、看風(fēng)水?？脊艑W(xué)家在江西臨川一座葬于公元1198年的宋墓中發(fā)掘出兩個“張仙人瓷俑”。瓷俑造型生動，右手持一羅盤，置于左胸前。（圖5-3）從瓷俑豎持羅盤和羅盤的磁針中央有轉(zhuǎn)動中心這兩點，可以斷定該羅盤是旱羅盤，安裝磁針的方式很可能是回旋樞軸。羅盤的盤面是圓形的，其方向刻度也頗清楚。這一事實表明，旱羅盤至晚產(chǎn)生于12世紀(jì)下半葉。沈括和陳元靚所述及的絲懸磁針和指南龜，都是旱羅盤的始祖。其余方法后來皆發(fā)展為水羅盤。

圖5-3張仙人瓷俑簡單地說，就是將磁針、指南魚放入水碗中，再在碗外緣加上一刻度盤，就成為水羅盤。元代，盛行“針碗”。將瓷碗做得比平常稍大些，到了描彩上釉這道工序時，在碗內(nèi)底畫出24個方位，這樣燒制的瓷碗就稱為“針碗”。在這種水碗內(nèi)放入指南針，就可以識別指針方向。針碗在航海船舶中頗具優(yōu)點。因為，針碗不是放在甲板或內(nèi)艙桌面上，而是置于后艙沙堆之中，碗底又深。因此，水碗不隨船的顛簸而翻倒、打碎，即使船舶搖蕩，沙堆可減緩?fù)氲囊苿?，而碗?nèi)的水總是平衡的。磁針?biāo)芎叫械母蓴_就相對小些。這也是中國人在解決復(fù)雜技術(shù)問題中表現(xiàn)出的聰明才智。指南針發(fā)明后不久，就被用于航海。宋代朱彧〔yu與〕的《萍洲可談》一書，記述了其父親在1099至1102年間在廣州做官時的見聞，其中述及航海中“陰晦觀指南針”。這個時間只比沈括《夢溪筆談》成書晚10年。在朱或之后，北宋末，徐競于宣和五年（公元1123年）出使高麗（今朝鮮半島）。當(dāng)他的船隊駛出蓬萊山之后，逢陰晦天氣“則用指南浮針”，即是水羅盤。不久，趙汝適在《諸蕃志》中寫道：舟舶往來，惟以指南針為則，晝夜守視唯謹(jǐn)，毫厘之差，生死系矣。這是航海中完全依靠指南針導(dǎo)向的寫照。用指南針導(dǎo)航又不可有“毫厘之差”，則非羅盤莫屬?？梢?，在12世紀(jì)初，中國人在航海中使用指南針或羅盤已相當(dāng)普遍了。據(jù)科學(xué)史文獻(xiàn)記載，歐洲最早知道磁針的是法國人戴普魯萬斯（gyuotdeprorins），他在公元1190—1210年間指出，水手將針和一種難看的石頭摩擦后，用草浮水面可以指北。后來，英格蘭的修道士尼坎姆（alexanderneckam，公元1157—1217年）在其《論器具》書中作了類似敘述。他們比楊維德、曾公亮和沈括的記述晚了100至150年?！皬埾扇舜少浮笔殖謽休S式羅盤出現(xiàn)在1197年之前，而號稱制造羅盤的法國大師佩雷格林納斯（petrusperegrinus，生活于13世紀(jì)）設(shè)計制造的帶有刻度的羅盤則在1269年。中國人最早創(chuàng)制并使用磁針和羅盤的歷史是無可爭議的?，F(xiàn)在一般地認(rèn)為，有關(guān)磁、羅盤的知識是由阿拉伯人從中國傳到歐洲的。應(yīng)當(dāng)說，一旦指南針上了航船，其傳播之快應(yīng)與航速等同。

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