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  • 指南针和中国古代的磁学知识

    发布时间: 2006/11/14 10:02:04 被阅览数: 次 来源: 中国国学网
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    指南针的发明年代很早,已经有两千多年的历史。我国古籍中,有关指南针的记载很多。在这里,我们只就指南针的发明历史和它对人类的重大贡献,以及我国古代关于磁学方面的初步知识,作一简单的介绍。

        关于指南针

        指南针是利用磁铁在地球磁场中的南北指极性而制成的一种指向仪器,它和以齿轮结构的机械指南车不同。

        我们现在所说的指南针是个总的名称,在各个不同的历史发展时期,它有不同的形体,也有不同的名称,如司南、指南鱼、指南针和磁罗盘等等。

        关于指南针的最初发明者和发明年代现在无可查考。但是有一点是清楚的:指南针是我国古代劳动人民在长期的生产实践中集体智慧的结晶。

        指南针的发展和演变

        指南针大约在我国战国时期就已经出现了。最初的指南针是用天然磁石制成的,样子像一只勺,底圆,可以在平滑的“地盘”上自由旋转,等它静止的时候勺柄就会指向南方。占人称它“司南”。东汉的王充,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”,是指汉代栻占的方形“地盘”,地盘四周刻有八千(甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、癸)和十二支(子、丑、寅、卯、辰、已、午、未、申、西、戌、亥),加上四维(乾、坤、粪、民),共二十四向,用来配合司南定向。从战国、秦汉、六朝以至隋唐的古籍中。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,“郑人取玉,必载司南,为其不惑也。”就是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。我国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硬度五到七的软玉和硬玉琢制成各种形状的玉器,因此也能够把硬度只有五·五到六·五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极向,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。

        随着社会生产力的不断发展,科学技术的不断进步,航海业的不断扩大和发展,制造出一种比司南更好的指向仪器不但成为必要,而且也有了可能。在经过劳动人民长期的生产实践和反覆多次的试验之后,人们终于发现了人工磁化的方法,这样就产生了更高一级的磁性指向仪器。

        北宋初年由曾公亮主编的一部军事著作《武经总要》和由著名的科学家沈括撰写的《梦溪笔谈》里,分别介绍了指南鱼和指南针。指南鱼是用薄铁叶裁成鱼形,然后用地磁场磁化法,使它带有磁性(详后)。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。另一种指向仪器是指南针,它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。沈括根据他的见闻,在《梦溪笔谈》卷二十四里说道:“方家以磁石磨针锋,则能指南。”直到十九世纪现代电磁铁出现以前,几乎所有的指南针都是采用这一种人工磁化法制成的。这时,指南针在它的发展史上已经跨过了两个发展阶段——司南和指南鱼,发展成一种更加简便、更有实用价值的指向仪器。以后各种名目繁多的磁性指向仪器,就都以这种磁针为主体,只是磁针的形状和装置法有所变化罢了。

        关于磁针的装置法,沈括亲自做了四种实验:把磁针横贯灯芯浮水上,架在碗沿或指甲上,以及用缕丝悬挂起来。

        沈括这四种实验,概括起来是属于三种类型:一是水浮法,二是支点旋转法,三是缕丝悬挂法。沈括认为,“水浮多荡摇,”碗沿或指甲“坚滑易坠”,而以“缕悬为最善”。其实这三种方法各有优点,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,我国从两宋起,历元、明到清初,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,据宋代寇宗奭(shì)的《本草衍义》、元代程的《三柳轩杂 记》所说,是用灯芯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。如滋针装置实验示意图的(1)所示。解放后在河北磁县、江苏丹徒、辽宁大连等地,陆续发掘出一批元代的“王”字瓷碗。碗腹内底画有三大点,中间穿一细划,样子像个“王”字。据王振锋考证①,这三点一划是表示“指南浮针”,中间的直线表示磁针,三大点表示和灯芯草有共同作用的浮标。这“王”字的绘画是有用意的。一个是为了表明这碗是专为浮针用的(在大连市出土的三个“王”字瓷碗底部圈足里都墨书一个正楷的“针”字,就是为了标明这碗是针碗)。另一个可能是为了标明磁子午方向,在一定程度上起了方位盘的作用。

        南宋陈元靓在他所撰的《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木同,它的磁石也是安在木龟腹,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小穴,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。从曾三异的恬可以看出,这种罗盘不但有子午正针(是以磁针确定的地磁南北极方向),还有子午丙壬间的缝针(是以日影确定的地理南北极方向),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浮在水面上的。北宋徐兢的《宣和奉使高丽图经》中记有:在海上航行遇到阴晦天气,就用指南浮针。

        不过在南宋可能已出现旱罗盘。据《考古》1988年第四期报道,1985年五月江西临川南宋邵武知军朱济南(l140—1197)墓出土了七十伴瓷俑,其中一件称张仙人俑,高二二·二厘米,手捧一件似是旱罗盘,磁针是菱形,中央有一小孔,以轴承支持着。这说明可能早在十二世纪末期前,中国已有旱罗盘。旱罗盘和水罗盘的区别在于,旱罗盘的磁针是以钉子支在磁针的重心处,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;沈括关于磁针装置试验中又有碗沿旋定法和指甲旋定法等。

        我国的指南针大约是在公元十二世纪末到十三世纪初经过阿拉伯传入欧洲的。宋代我国的航海业已经相当发达,泉州、广州都是世界一等大商港,中国船只不但船身大,结构坚,而且航速快,又有指南针指航,阿拉伯商人都乐乘中国船只。而且阿拉伯和波斯商人旅居中国的不少,泉、广常住许多阿拉伯商人,因而,我国指南针的每一步发展,连同民间流行的木刻指南龟,也就很容易随着频繁的经济文化交流而传人西方,这就为旱罗盘的出现提供了基础。

        顺便指出,虽然旱罗盘因磁针有固定的支点而比水罗盘显得优越,但是它在海上应用仍有很大的不方便。当盘体随海船作大幅度摆动的时候,常使滋针过分倾斜而靠在盘体上转动不了。十四到十六世纪,欧洲航海罗盘出现了一种现在称做“万向支架”的常平架,它是由两个铜圈组成,两圈的直径略有差别,使小圈正好内切于大圈,并且用枢轴把它们联结起来,然后再由枢轴把它们安在一个固定的支架上。旱罗盘就挂在内圈中,这样,不论船体怎么摆动,旱罗盘总能始终保持水平状态。

        这种常平架,就文献记载来看,在我国早在汉晋时期就已经出现了。在当时的一部著作《西京杂记》①中曾经记载西京长安有个巧匠名叫丁缓的,他作了一个小香炉,像个多孔小球,可以点上香后放在被窝中,不论小球怎么滚动,炉灰总不会撒出来,因此这种小香炉称做卧褥香炉或被中香炉。卧褥香炉的原理就是在多孔小 球里联结着两个套起来的金属圈,点香用的炉缸就挂在内圈上。这种卧褥香炉在汉以后历代都有制造。但是这种技术原理在当时只是为少数统治阶级服务,直到一千三百多年后欧洲人用它装置航海罗盘的时候,这一人类智慧才得到真正的尊重和充分的应用。

        指南针在航海上的应用

        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,都起过重要的作用。

        我国古代航海业相当发达。秦汉时期,就已经同朝鲜、日本有了海上往来;到隋唐五代,这种交往已经相当频繁。而且同阿拉伯各国之间的贸易关系也已经很密切。到了宋代,这种海上交通更得到进一步的发展。中国庞大的商船队经常往返于南太平洋和印度洋的航线上。海上交通的迅速发展和扩大,是和指南针在航海上的应用分不开的。在指南针用于航海之前,海上航行只能依据日月星辰来定位,一遇阴晦天气,就束手无策。唐文宗开成三年(公元838年),日本和尚圆仁来中国求法,后来写有《入唐求法巡礼行记》一文,描述了在海上遇到阴雨天气的时候混乱而艰辛的情景:当时,海船的航向无法辨认,大家七嘴八舌,有的说向北行,有的说向西北行,幸好碰到一个波绿海浅的地方,但是也不知道离陆地有多远,最后只好沉石停船等待天晴。

        而在指南针用于航海之后,不论天气阴暗,航向都可辨认。史籍中最早记载到指南针用于航海的是在北宋。朱彧(yù)在他的《萍洲可谈》一书中评述了当时广州航海业兴旺的盛况,同时也记述了中国海船在侮上航行的情形,说道:“舟师识地理,夜则观星,昼则观日,阴晦观指南针。”这时海上航行还只是在日月星辰见不到的日子里才用指南针,这是由于人们对靠日月垦辰来定位有一千多年的经验,而对指南针的使用还不很熟练。随着指南针在海上航行的不断应用,人们对它的依赖也与日俱增,并且有专人看管。 南宋吴自牧在他所写的《梦粱录》中说道:“风雨冥晦时,惟凭针盘而行,乃火长掌之,毫厘不敢差误,盖一舟人命所系也。”由此也可以看出指南针在航海中的地位和作用。到了元代,指南针一跃而成海上指航的最重要仪器了,不论冥晦阴暗,都利用指南针来指航。而且这时海上航行还专门编制出罗盘针路,船行到什么地方,采用什么针位,一路航线都一一标识明白。元代的《海道经》和《大元海运记》里都有关于罗盘针路的记载。元代周达观写的《真腊风土记》里,除了描述海上见闻外,还写到海船从温州开航,“行丁未针”。这是由于南洋各国在中国南部,所以海船从温州出发要用南向偏西的丁未针位。明初航海家郑和“七下西洋”,扩大了中国的对外贸易,促进了东西方的经济和文化交流,加强了中国的国际政治影响,增进了中国同世界各民族的友谊,作出了卓越的贡献。他这样大规模的远海航行之所以安全无虞,端赖指南针的忠实指航。郑和的巨舰,从江苏刘家港出发到苏门答腊北端,沿途航线都标有罗盘针路,在苏门答腊之后的航程中,又用罗盘针路和牵星术相辅而行。指南针为郑和开辟中国到东非航线提供了可靠的保证。就世界范围来说,指南针在航海上的应用,导致了以后哥伦布(约1451—1506)对美洲大陆的发现和麦哲仑(约1480—1521)的环球航行。这大大加速了世界经济发展的进程,为资本主义的发展提供了必不可少的前提。

        我国古代有关磁学的知识

        我国古代关于磁学的知识相当丰富。古籍中记载了很多有关磁学的其他知识。远在二千多年俞,我国古代劳动人民就开始同磁打交道。我们祖先对磁的认识,最初是从冶铁业开始的。劳动人民在寻找铁矿的过程中,必然会遇到磁铁矿,就是磁石(主要成分是四氧化三铁)。我国古籍中关于磁石的最早记载,是在《管子·地教篇》中:“上有慈石者,下有铜金。”人们在同磁石不断接触中,逐渐了解到它的某些特性,并且利用这些特性来为人类服务。

        关于磁石的吸铁性

        磁石有一个区别于别种矿石的显而易见的特性,就是它的吸铁性。磁石吸铁性的发现年代很早,它同静电学里的“琥珀拾芥”现象一起,通常被古代人联系起来比喻事物的本性。由于磁石具有吸铁的特性,因此它也容易被人们发现。古代人把磁石的这种特性比喻做母子相恋,认为“石,铁之母也。以有慈石,故能引其子;石之不慈者,亦不能引也。”(《吕氏春秋·季秋纪·精通篇》高诱注)因此,汉初以前,都是把“磁石”写成“慈石”。《淮南子·说山训》和《览冥训》中还提到“慈石能引铁,及其于铜则不行也”,“而求其引瓦则难矣”。

        从现代物理学知识知道,磁石之所以能够吸铁,是由于铁的导磁系数远远比一大。铁被磁石的磁场作用后,会感应出很大的附加磁场,也就是说铁本身也成为一个强磁体,因而能被磁石吸引。而铜、金等大多数的金属和非金属,都是一般的弱磁性物体,它们的导磁系数都十分接近于一(略大于或小于一),因此这些物体不能被磁石吸引。对于这一问题,宋代的陈显微和俞琰曾经作了探讨,认为磁石所以吸铁,是有它们本身内部的原因,是由铁和磁石之间内在的“气”的联系决定的(“神与气合”,“皆阴阳相感,隔碍相通之理”)。明末的刘献廷(1648—1695)在他的《广阳杂记》一书中也认为磁

        吸铁是由于它们之间具有“隔碍潜通”的特性。刘献廷还在他的书中记述了磁屏蔽现象:“或问余曰:‘磁石吸铁,何物可以隔之?’犹子阿孺曰:‘惟铁可以隔之耳’”。刘献廷并且把铁的这种磁屏蔽作用理解为“自然之理”。这种力图用自然界本身来解释自然现象的观点是唯物主义的。考虑到当时的科学水平,也只能作出这样解释。

        我国古代还把磁石吸铁性应用于生产上。清朱琰著的《匋说》记有古代烧白瓷器的时候,用磁石过滤釉水中的铁屑,因为素瓷如果沾有铁屑,烧成后就会有黑斑。在制药的过程中,由于铁制的杵臼往往会有碎屑混在药里,人们也往往用磁石吸去杵头的铁屑。磁石也应用于医疗上,明代李时珍的《本草纲目》记载到宋代的人就用磁石吸铁作用来进行某种外科手术,如在眼里或口里吸收某些细小的铁质异物。到了现代,已经发展为一种专门的磁性疗法,对关节炎等疾病显示出良好的疗效。

        人工磁化法和有关地磁学的初步知识

        我国古籍中有关人工磁化法的记载,基本上有两种。

        一种是如沈括所说的用天然磁石磨擦钢针的的方法。从现代观点来看,这种方法实际上就是以天然磁石的磁场的作用,使钢针内部的单元小磁体——“磁畴”由杂乱排列变为规则排列,从而使钢针显示出磁性来。之所以用钢针,是因为钢的剩磁力强,可以成为永磁体。

        另一种方法是利用地球磁场的作用使钢针磁化。《武经总要》所记载的指南鱼就属于这一种。“鱼法以薄铁叶剪裁,长二寸,阔五分,首尾锐如鱼形,置炭火中烧之,候通赤,以铁铃铃鱼首出火,以尾正对子位,蘸水盆中,没尾数分则止,以密器收之。”从现在知识看,把铁叶鱼烧红是为了让铁鱼内部的分子动能增加,从而使分子磁畴从原先的固定状态变为运动状态。然后使侥红的铁叶鱼沿着地球磁场方向放置,为的是通过强大的地磁场迫使运动着的分子磁畴顺着地球磁场方向重新徘列(由无规则排列到规则排列),这时铁鱼就被磁化了。最后由于我国地处地球的北半部,地磁场的方向应是北端向下,因此“蘸水盆中,没尾数分则止”,就是今铁叶鱼“正对子位”的鱼尾略为向下倾斜,使它在更大程度上被磁比。蘸人水中是为了使它迅速冷却,把分子磁畴的规则排列固定下来,同时也是淬火过程。最后“以密器收之”,可能是把指南龟放在天然磁石旁边,以形成闭合磁路,让它保持磁化或继续磁化。这称磁化法完全是凭经验得来的,但是它是磁学和地磁学发展的重要一环,比欧洲用同样磁化方法早了四百多年。

        我国关于地球磁场可以磁化铁物的记载,还见于明代的一些著作中,如方以智的《物理小识》卷八《指南说》的注中引滕揖的话:“铁条长而均者,悬之亦指南。”李豫亨的《青乌绪言》中也记有堪舆家悬铁条使它指向的方法:“近遇地师汪弄丸者,始知以铁杖不拘巨细,系绳悬之,以手击之旋,旋定必指南,即罗经法也,余试之良然。”

        磁偏角、磁倾角(地球磁场和水平面的夹角)和地磁场的水平分量(或地磁场的强度)称作“地磁三要素”。欧洲人对磁偏角的发现是在哥伦布海上探险途中的1492年,磁倾角的发现还要晚一些。而我国对磁偏角、磁倾角的发现都要早得多。

        《武经总要》所记述的制指南鱼法,是包含有一定的地磁学知识的。甚至有关磁倾角的知识也反映在这种磁化法中。既然指南鱼在磁化过程中要北端(尾部)向下倾斜,这就隐含着当时的人们已经意识到有个倾角的存在。

        北宋司天监杨维德于仁宗皮历元年(公元1041年)撰成的相墓书《茔原总录》说:“客主的取,宜匡四正以无差。当取丙午针,于其正处,中而格之,取方直之正也。”之所以“取丙午针”,就是由于磁针存在偏角的缘故。也就是说当磁针处于“丙午”方向时,方向盘的“午”才是地理的正南向。这是至今所发现的有关磁偏角的最早文献记载。

        沈括在记述用天然磁石磨擦钢针可以指南的时候指出:“然常微偏东,不全南也。”沈括在这里说的是“常微偏东”,而不是必微偏东。他在说到悬挂磁针的时候,也是说“针常指南”。稍后一些的寇宗奭,在他编的《本草衍义》中收录了沈括的话,但他去掉“微”字,而保留“常”字,写成“常偏东”,“常指南”、“常偏丙位”等等,足见沈、寇二人对“常”字不是随便用的。从后来的地磁学发展知道,磁偏角是随地点的变化而变化的,而同一地点的磁偏角大小又随时间的推移而不断改变。这些变化是由于地磁极不断变动所致。沈括在《梦溪笔谈》里之所以记为“常微偏东”,可能是由于他观察磁针指南是在一个比较长的时间里,同时也由于他观察磁针是在随身携带在各个不同的地点上,因此他所得到的各个偏角值大小不一样,多数是偏东的,但是也不完全是这样。欧洲人首次发现磁偏角随地点变化是在哥伦布由西班牙航往美洲的途中;而发现同一地点的磁偏角随时间变化是在1634年。这些发现都是比较具体而详细的。而沈括的记述却很笼统,但是我们可以认为,磁偏角是在不断变化的这一现象,在《梦溪笔谈》里就有所反映。

        到了南宋,磁偏角因地而异的情况有了更明确的记载,并且被应用到堪舆罗盘上,如前面已经提到的曾三异,他在《同话录》中说:“天地南北之正,当用子午。或谓今江南地偏,难用子午之正,故以丙壬参之。”这就是说,在地磁子午线和地理子午线一致的地方,用子午正针就可以了;而在我国东部沿海一带,地磁子午线和地理子午线有一夹角,就要参用丙壬缝针。

       到元明清时期,堪舆罗盘也都设有缝针,而且不同时期、不同地域所制的罗经盘的缝针方位也都不一致。这可以看成是我国古代关于偏角因时、地而变化的原始记录。

        从上面的介绍可以看出,我国古代关于磁学和地磁学的知识是相当丰富的,而指南针的发明,尤其是指南针在航海中的应用,更开世界磁性导航的先河。我国古代劳动人民以自己的辛劳和智慧为人类古代文明做出了巨大的贡献

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