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从司南到罗盘:指南针如何发明出来的?

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南宋著名爱国诗人文天祥著有一首《扬子江》。其中写道,“几日随风北海游,回从扬子大江头。臣心一片磁针石,不指南方不肯休。”这自然是用指南针的指向来比喻自己忠于南宋的决心,却也在无意中显示,后世“四大发明”中的“指南针”在宋代已然普及。毫无疑问,这是中国对人类文明做出的又一个伟大贡献。

 

无关“指南车”

 

在诸多冠以“指南”之名的器物中,“指南车”显得相当引人瞩目。顾名思义,“指南车”车上立有一个木人伸出一只手,不管车子开到哪个方向去,那只手指都如同“指南针”一样永远指向南方。

 

相传早在5000多年前的黄帝时代,中国人就已经发明了“指南车”。按照晋代成书的《古今注》记载,“人文始祖”黄帝率领部众与蚩尤部落在涿鹿交战。蚩尤不仅野蛮而强悍,还会法术。他在两军交战时造出一场大雾,黄帝的士卒因迷失方向而发生混乱。紧要关头,黄帝推出了秘密武器——指南车。凭借指南车在大雾弥漫的涿鹿战场上辨明方向后,黄帝率军一举战胜了蚩尤。同一本书里还继续提到,西周初期,南方“越裳氏”使臣回国迷路,周公曾经派五部“司南车”护送他们归国。

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指南车示意图,出自明代文献学家王圻、王思义父子撰写的百科式类书《三才图会》)(又名《三才图说》)插画。古代文献相传,指南车车上立有一个木人,伸出之手永远指向南方

 

这两个故事相当精彩,但其中的破绽亦很明显。中土出土文物的马车最早也不过距今3500年左右的殷商时代,比一般车子复杂得多的“指南车”怎么可能出现于更早1000多年的黄帝时代?不过,中国的古人的确曾经发明过“指南车”。按照裴松之注《三国志》的说法,魏明帝(曹叡)时期,博士马钧成功制作了指南车。后来的《晋书》详细记载了这种指南车的功能:“刻木为仙人,衣羽衣,立车上;车虽回转,而手掌指南。”

 

“指南车”为什么能“指南”呢?由于《古今注》采用了“司南车”的说法,在很长一段时间里,中西方学者都以为指南车就是载有磁石用来指示方向的车子。可是,从“司南”的复原试验不难想见,连区区磁勺指南的功能都难以实现,遑论用磁石制成司南仙人,抑或用磁石带动木制司南仙人了。中外学者们绞尽脑汁设计、制造了种种类型的机械装置,都达不到这种技术要求。直到1947年,一位名叫兰彻斯特(George Lanchester)的西方学者终于利用差速齿轮装置设计成功可以指南的指南车:“看来,我们欧洲人在近六十年前发明的差速装置的原理,中国人早在四千年前就已经认识和使用它了。”

 

这就是说,指南车的工作原理并非利用地球磁场的磁效应,而很可能利用了现代车辆上常用到的齿轮差动装置。

 

尽管这的确是我国古代劳动人民智慧的完美体现,但这样的指南车虽然与指南针一样都用来指示方向,但结构和工作原理都截然不同。两者名虽相似,实则全然无关。有关“指南车”的记载,自然就更不能与“指南针”混为一谈了。

从指南鱼到指南针


但另一种名称类似的“指南鱼”,却是货真价实的“指南针”前身。它的出现,其实是古人对磁学认识深化后水到渠成的结果。在长期的历史实践中,当古人意识到天然磁石是多么不可靠时,自然就开始寻找它的替代品——人工磁铁。三国魏人管辂所著的《管氏地理指蒙》中明确提到将铁针磁化后可指南北。不过,后人考证该书实为唐人伪作,实际写作年代在公元9世纪至10世纪期间。也就是说,最迟在晚唐年间,中国人懂得了如何进行人工磁化了。

 

北宋庆历四年(1044)成书的《武经总要》里,就记载了利用人工磁化的办法制作“指南鱼”的办法。这其实是一本当时的“军事大全”。按其说法,在“夜色暝黑,又不能辨方向”的情况下,“指南鱼”就可以派上用场,“以辨所向”了。

 

“指南鱼”究竟是怎么回事呢?首先,要把薄铁片做成鱼状,并将其置炭火中加热至通红。接下来,用铁钳夹住鱼头出火,将其尾对着北方。在这样的位置时将其放入水盆中淬火,使尾浸入水中数分,然后取出,收藏在密闭的容器里。如此就大功告成了。使用时,用一小碗盛水,放在无风处。把鱼尽可能平放在水面,使其浮于水面,鱼头就会朝南。

 

从现代的物理学眼光看,这就是一种利用强大地球磁场的作用来使铁片磁化的方法。正如水烧开后会改变形态变成蒸汽一样,当磁铁被加热到“居里点(770℃)”后,铁磁体由于内部分子剧烈热运动的影响会褪去磁性。同样,正如蒸汽在冷却过程中又能重新冷凝成水那样,高温的铁冷却到“居里点”以下时,只要在冷却时位于南北方向,它就能从地球本身的磁场作用中获得微弱的磁性,令鱼头总是指向南方。

 

这是世界上最早利用地磁磁化“指南针”的记载。但这种人工磁化法所获得的磁性仍不够强,实用价值也不大,然而人工磁化这一方法本身,就是磁学史和地磁学史的一件大事。沈括在稍后的《梦溪笔谈》(1086年)里记载了另一种更加先进的人工磁化方法:“方家以磁石摩针锋,则能指南。”这是因为在钢针内部本来就存在着一个一个小单元磁体,称之为“磁畴”。但由于这些磁畴排列杂乱无章,所以相互之间都把磁性抵消了,使得钢针总体上就不具备磁性了。钢针受到磁石的摩擦后,受到磁石磁场的强烈影响,这样原来杂乱无章排列的小磁畴就像听话的小学生一样变得有规律的排列,其磁南极和磁北极都各自指向相同的方向,最终这根钢针就变成了磁针——指南针。由于这种人工磁化的方法既简便又有效,具有较高的实用价值。于是,在19世纪现代电磁铁出现之前,几乎所有的“指南针”都是以类似的“人工磁化法”制成的。

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北宋水浮法指南针复原模型,据《梦溪笔谈》和《本草衍义》按1:1比例复制。宋沈括在《梦溪笔谈》中记载,“水浮法”即将几小段灯草穿在带磁的钢针上,使磁针可以浮在水面,和指南鱼起同样作用而实用性更强

 

值得注意的是,沈括在记述了“指南针”的制法以后紧接着就写道,指南针的指向“常微偏东,不全南也”。这是不是说明古人发明的指南针功能不够完善呢?真相恰恰与之相反。从磁学角度看,针状磁体比琢磨而成的勺状天然磁石或是铁片制作的指南鱼在形状上都更加合理,因为其内部磁畴排列更规则而均匀,其指极灵敏度也随之增加,所以才能发现指示方位的偏移。

 

今天的物理学知识告诉我们,地球磁场的方向与地理方向有着微小的偏差,比如地磁北极与地理北极相距将近2000公里。地理北极与地磁北极之间的角度差称为“磁偏角”。由于磁偏角的存在,“指南针”的指向的确略微偏离了正南方向。沈括在《梦溪笔谈》里所记录的,正是关于“磁偏角”的认识。在这方面,中国人又一次走在了全世界的最前面。西方据说直到1492年意大利人哥伦布在横渡大西洋的航行中才观察到磁偏角现象,比沈括晚了四百多年。

 

沈括不愧为那个时代的伟大科学家,他在《梦溪笔谈》里还总结了四种放置指南针的方法。第一种叫“水浮法”,把几小段灯草穿在带磁的钢针上,使磁针可以浮在水面,和指南鱼起同样作用而实用性更强,其缺点是水面常会动荡,磁针所指不准。第二种叫“指甲旋定法”,第三种叫“碗唇旋定法”,就是把磁针放在手指甲上或放在碗边上。宋时的碗与今日使用的碗不同,碗唇较厚,比较适合放置指南针,但手指甲和碗边都比较光滑,磁针很容易滑落,应用起来不太方便。第四种叫“缕旋法”。即用蜡把线的一端粘在针腰,挂在无风处,这种方法不怕震动,磁针也不会滑落。尽管各有千秋,这些方法比起当年王充所说的“司南之杓,投之于地”,无疑都要进步得多了。

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缕悬法指南针,现藏杭州南宋官窑博物馆。《梦溪笔谈》中共记载了四种放置指南针的方 法 :“水浮法”“指甲旋定法”“碗唇旋定法”,以 及“缕旋法”。该方法即用蜡把线的一端粘在针 腰,挂在无风处,这种方法不怕震动,磁针也不 会滑落 

 


浮针辨四维

 

宋代中国在人工磁化和磁针装置两方面的突破,奠定了“指南针”用于航海的技术基础。很快,把指南针放置在方位盘上后,“罗盘”便应运而生了。南宋人曾三异在《因话录》里记载,“地螺或有子午正针,或用子午丙壬间缝针。”此处的“地螺(罗)” 就是刻有各个方向的罗经盘,“子午正针”是用磁针来确定地磁南北极方向,“子午丙壬间的缝针”则是以日影来确定地理南北极方向,两个方向间所夹的角度即为磁偏角。利用罗盘,人们就能比较准确地知道自己的方位,而不再像原来那样只能了解一个大概的方向了。

具体而言,罗盘又分为“水罗盘”与“旱罗盘”两种。水罗盘的原理其实就是沈括所说的“水浮法”。罗盘碗内绘有类似“卅”的图形,碗底圈足内用墨书“王”字。使用时,先在碗内注水,放入一根穿在浮漂上的磁针,随后将碗底“王”字中的竖线对准船身中心线,如发生转向,磁针与细线间会出现夹角,可指示方向的变化。至于“旱罗盘”,顾名思义,它在使用时则无须用水。譬如以铜钉支承磁针在方位盘上自由旋转时,这种有固定支点的指南仪器形式与古老的“司南”相似,但从灵敏度上比后者要高得多。

 

过去有一段时间,人们认为中国古代只有水罗盘,旱罗盘则是明代中后期之后从西洋引进的。就连复原司南的王振铎也曾经认为:“明代以前中国之罗盘磁针,皆为借水之浮力而转动之被传磁之缝纫针,别无其他形制。”不过这个看法最终被考古发现证明是错误的。1985年5月,江西临川县发现了曾任福建邵武府知军的朱济南(1140—1197)之墓。墓中的瓷俑张仙人所持的罗盘有16个方位的刻度,罗盘中间的磁针形状与水浮磁针不同,其菱形中央有一明显的圆孔,表示出用轴支承的结构。以此看来,中国至迟早于欧洲200多年就在南宋初发明了旱罗盘。自古以来,中国人不管建筑什么,都先要选择地形,进而选择方向。对于需要在深山之中勘测吉地的风水先生而言,“旱罗盘”无疑是个实用的工具。另一方面,之所以“旱罗盘”没有如“大航海时代”的西方船只中那样得到广泛使用,原因恐怕在技术之外。沿袭“指南鱼”的传统,中国的古人已经习惯在航海时使用“水罗盘”了。明朝早期《西洋番国志》(1434)就明确指出“水罗盘”在航行时的功用:“斩木为盘,书刻干支之字,浮针于水,指向行舟。”

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南宋邵武府知军朱济南墓的瓷俑张仙人,出土于今江西抚州临川区

 

指南针实际在中国古代航海中的应用,当然比明朝要早得多。成书于汉代初年的《淮南子·齐俗篇》曾说到在大海中航行“夫乘舟而惑者不知东西,见北极则悟矣”,说明当时水手还是用天体位置(北极星)来确定方位,并不依靠指南设备。
到了宋代,情况就大不一样了。朱彧在《萍洲可谈》中写道:“舟师识地理,夜则观星,昼则观日,阴晦观指南针。”这是人类使用指南针为航船导航的最早的文字记录。据史料记载,1101年至1103年间,朱彧随父来到当时对外通商的大港广州。《萍洲可谈》记录了朱彧在广州的见闻。由此可以推知,我国古人开始用指南针导航的时间不会晚于1103年。到了南宋时期,成书于1225年的《诸蕃志》记载:“舟舶往来,惟以指南针为则。昼夜守视惟谨,毫厘之差,生死系矣。”这更是生动地描述出了指南针在航海中的重要性。同时代的诗人朱继芳对此有感而发:“沉石寻孤屿,浮针辨四维”——“浮针”二字,也意味着当时使用的只会是“水罗盘”(不然针浮不起来)。

 

再来看世界其他地区,阿拉伯文献关于磁石的最早记载出现于11世纪,晚于中国1000多年,而且只谈到磁石吸铁。他们有关指南针的记载出现于13世纪前半叶,比中国晚几个世纪。欧洲人直到公元1190年才有使用磁针导航航海的记载;1200年意大利北部开矿时曾用过磁针。由此可见,即便不考虑汉代的“司南”,仅凭北宋时代的文献与考古证据,也已经足以保证中国对“四大发明”之一的“指南针”的所有权了。而且,阿拉伯世界的早期磁针呈鱼状,浮于方位盘上水池中指南,故也称“指南仪”。13世纪的欧洲水罗盘浮体也有鱼形铁片。两者与中国的“指南鱼”迹近孪生。显然指南针技术传播的源头在中国。这无疑是因为中国人掌握的磁学知识在近代以前长期居于世界领先地位。

 

从科技史上来看,指南针的应用,不仅使人类获得了全天候航行的能力,而且它与早已发明的尾舵、风帆一起,使得用指南针定向,用尾舵掌握航向,以及有效地利用风帆等远洋航行的三大基本条件已基本具备。自此,人类才第一次获得在茫茫大海上航行的自由。无怪乎英国学者李约瑟在皇皇巨著《中国科学技术史》说,指南针在航海中的应用,“是航海技艺方面的巨大改革”,它把“原始航海时代推至终点,预示计量航海时代的来临”。

 

参考资料:

潘吉星:《中国古代四大发明:源流、外传及世界影响》;

黄兴:《中国指南针史研究文献综述》;

陈思璁:《司南漫谈》;

荣亮:《浮针辨四维:航海罗盘演进史》



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