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指南針

 

我國古代最早是利用太陽及其投射的影子來確定方向的,但這種方法受天氣影響較大,後以發明了司南和指南針。司南約發明於先秦時期,在我國大約沿用了一千多年的時間,指南針是在宋代才出現的。我國古代關於指南針的記載始見於北宋時期。《塋原總錄》卷一說,要定東西南北四正的方向,必須取丙午向的針,然後在丙、午的位置,中而格之,找出正確的方向。亦即讓針指丙午中間的方向,則午向就是正南的方向。《塋原總錄》是一部相墓書,撰於慶曆元年﹙公元1041年﹚。這條記載中所說的,雖沒有明確指出是什麼針,但從字G行已把磁針與羅經盤配套,作為定向儀器,並且已發現了地球的磁偏角,定為正南偏東7.8度。

 

《夢溪筆談》卷二十四載:方家以磁石磨針鋒,則能指南,然常微偏東,不全南出。水浮多蕩搖,指爪及碗脣上皆可為之,運轉尤速,但堅滑易墜,不若縷懸為最善……則針常指現。其中有磨而指北者。予家指南、北者皆有之。《夢溪筆談》是北宋沈括所著。這條記載明確指出指南針是方家﹙風水先生﹚首先發明和使用的,用的是磁石磨針鋒的人工磁化法制成,並且記述了水浮、置指甲上和懸絲等四種指南針的裝置方法,以及各種裝置方法的長處和缺陷,使人們對當時的指南針有一清晰的認識。同時,沈括也指出了當時已發現發地球的磁偏角,即正南偏東。沈括還記載了磁針有指南的,也有指北的。雖然他還不知道磁場有南北兩極,不知道由於磁場中的同性相排斥、異性相吸的作用而造成磁性不同的道理。即用磁石的北極磨針鋒,則針鋒所得的磁性為南極,磁針就會指北;反之,用磁石的南極磨針鋒,則針鋒所得的磁性就會指南,從而造成既有指南,也有指北的磁針。但他能忠實地記錄下來,為後人提供翔實的資料,是很難能可貴的。從上述材料中,我們可以看到,指南針在11世紀時已是常用的定向儀器,有多種裝置方法,並已由此發現了地球的磁偏角。指南針在航海技術上的應用大約在北宋末期,指南針開始被用於。起初它只是被當作天文導航的輔助工具。《萍洲可談》卷二中談到公元1099

1102年間的航海活動時說:舟師識地理,夜則觀星,晝則觀日,陰晦觀指南針。公元1124年,徐兢在《宣和奉使高麗圖經》卷三十四《半洋焦》條中,也說:海中不可住,維觀星斗前邁。若晦冥,則用指南浮針,以揆南北。隨韝H們對指南針性和用途了解的深化,南宋以後指南針便逐步成為主要的導航儀器,天文導航則降為輔助的地位。南宋淳祐年間﹙公元1241年-1252年﹚朱繼芳《靜佳乙稿》中的航海詩說:浮針定四維,正反映了指南針導航地位的提高。到了明代,航海中更是浮針於水,指向行舟﹙鞏珍:《西洋番國志 * 自序》﹚,獨特指南針為導引。或單向,或兩間,憑其所向,盪舟以行﹙張燮:《東西洋考》捲九舟師考》﹚。為了準確地導航,航海者特意在船舶上設置了專門放置指南針的場所,叫針房,由有航海經驗的火長﹙導航人員﹚專門掌管,一般人員不准進入。火長必須專心致志地履行其職,不能有絲毫的疏忽大意。誠如南宋吳自牧在《夢梁錄》卷十二《江海船艦》條所說的:風雨晦冥時,惟憑針盤而行。乃火長掌之,毫厘不敢差誤。蓋一舟人命所系也。明代鞏珍的《西洋番國志 @ 自序》也說:選取駕船民梢中有經慣下海者稱為火長,用作船師。乃以針經圖式付與領執,專一料理,事大責重,豈容怠忽。同時,指南針的應用還促使航海技術從定性導航進入到定量導航的階段,從而使航海者可以更正確地掌握航線上的情況。明代黃省曾在《西洋朝貢錄 * 占城國》中說:海行之法,以六十里為更,以托﹙注:為古時測深單位,合舊尺五尺。相當於今四尺。﹚避礁淺,以針位取海道。《松江府志》說:進某澳,轉某門,以至開洋,避礁避淺,皆以針定。即由航程和指南針在航線上的指向,來測知航線上的各種具體情況,從而提供較準確的導航指令。由於航程是由指南針確定的,故航海者便稱之為針路,並且根據針路來繪制航海圖,或者寫成記錄針路的專書,叫針經,又稱針譜、針簿。在航海圖和針經中,羅盤上的三百六十度分成二十四等分,分別標出方位名稱,相隔十五度為一向,叫正針;兩正針之平分線處也為一向,叫縫針。因而羅盤具有四十八個方位。這一劃分法和稱呼,可能是承襲方家的用法。針經實際上是一種航海指南,一般都記載有某地開船、航向、航程、航至某地等內容,有的還記錄有海上危險物,如沙灘、暗礁、水草、沙洲、岩石等的位置。我國的航海圖和針經大約在宋代就已出現,但早已亡佚。現存最早的航海圖和針經都是明初鄭和下西洋後留下的,著名的有《鄭和航海圖》和《兩種海道針經》等。這些航海圖和針經詳細地記錄了船舶從我國開航,駛至東南亞、印度洋沿岸,以及橫渡印度洋直達非洲東海岸的各條航線的具體情況。由此可見,指南針的應用開創了人類航海的新紀元。我國南宋和元代航海事業和大發展,明初鄭和下西洋的空前壯舉,都是與指南針的應用分不開的。指南針大約是在十二世紀下半葉由海道傳至阿拉伯,再經阿拉伯傳到歐洲,也有可能是由陸路經中亞﹙現俄國境內﹚再傳到歐洲的。指南針在歐洲的應用,給歐洲正在醞釀中的社會變革提供了一種強有力的工具,促成了近代大航海時代的到來。

 

我 國 古 代 最 早 是 利 用 太 陽 及 其 投 射 的 影 子 來 確 定 方 向 的 , 但 這 種 方 法 受 天 氣 影 響 較 大 , 後 又 發 明 了 司 南 和 指 南 針 。 司 南 約 發 明 於 先 秦 時 期 , 在 我 國 大 約 沿 用 了 一 千 多 年 的 時 間 , 指 南 針 是 在 宋 代 才 出 現 的 。

 

我 國 古 代 關 於 指 南 針 的 記 載 始 見 於 北 宋 中 期 。 《 塋 原 總 錄 》 卷 一 說 , 要 定 東 西 南 北 四 正 的 方 向 , 必 須 取 丙 午 向 的 針 , 然 後 在 丙 、 午 的 位 置 , 中 而 格 之 , 找 出 正 確 的 方 向 , 亦 即 讓 針 指 丙 午 中 間 的 方 向 , 則 午 向 就 是 正 南 的 方 向 。 《 塋 原 總 錄 》 是 一 部 相 墓 書 , 撰 於 慶 曆 元 年 ﹙ 公 元 1 0 4 1 年 ﹚ 。 這 條 記 載 中 所 說 的 , 雖 沒 有 明 確 指 出 是 什 麼 針 , 但 從 字 G 行 間 可 以 斷 定 是 磁 針 無 疑 , 說 明 當 時 已 把 磁 針 與 羅 經 盤 配 套 , 作 為 定 向 儀 器 , 並 且 已 發 現 了 地 球 的 磁 偏 角 , 定 為 正 南 偏 東 7. 5 度 。

 

《 夢 溪 筆 談 》 卷 2 4 載 : 方 家 以 磁 石 磨 針 鋒 , 則 能 指 南 , 然 常 微 偏 東 , 不 全 南 出 。 水 浮 多 蕩 搖 , 指 爪 及 碗 脣 上 皆 可 為 之 , 運 轉 尤 速 , 但 堅 滑 易 墜 , 不 若 縷 懸 為 最 善 … … 則 針 常 指 南 。 其 中 有 磨 而 指 北 者 。 予 家 指 南 、 北 者 皆 有 之 。 《 夢 溪 筆 談 》 是 北 宋 沈 括 所 著 。 這 條 記 載 明 確 指 出 指 南 針 是 方 家 ﹙ 風 水 先 生 ﹚ 首 先 發 明 和 使 用 的 , 用 的 是 磁 石 磨 針 鋒 的 人 工 磁 化 法 製 成 , 並 且 記 述 了 水 浮 、 置 指 甲 上 和 懸 絲 等 四 種 指 南 針 的 裝 置 方 法 , 以 及 各 種 裝 置 方 法 的 長 處 和 缺 陷 , 使 人 們 對 當 時 的 指 南 針 有 一 清 晰 的 認 識 。 同 時 , 沈 括 也 指 出 了 當 時 已 發 現 地 球 的 磁 偏 角 , 即 正 南 偏 東 。 沈 括 還 記 載 了 磁 針 有 指 南 的 , 也 有 指 北 的 。 雖 然 他 還 不 知 道 磁 場 有 南 北 兩 極 , 不 知 道 由 於 磁 場 中 的 同 性 相 排 斥 、 異 性 相 吸 的 作 用 而 造 成 磁 性 不 同 的 道 理 。 即 用 磁 石 的 北 極 磨 針 鋒 , 則 針 鋒 所 得 的 磁 性 為 南 極 , 磁 針 就 會 指 北 ; 反 之 , 用 磁 石 的 南 極 磨 針 鋒 , 則 針 鋒 所 得 的 磁 性 就 會 指 南 , 從 而 造 成 既 有 指 南 , 也 有 指 北 的 磁 針 。 但 他 能 忠 實 地 記 錄 下 來 , 為 後 人 提 供 翔 實 的 資 料 , 是 很 難 能 可 貴 的 。

 

從 上 述 材 料 中 , 我 們 可 以 看 到 , 指 南 針 在 1 1 世 紀 時 已 是 常 用 的 定 向 儀 器 , 有 多 種 裝 置 方 法 , 並 已 由 此 發 現 了 地 球 的 磁 偏 角 。

指 南 針 在 航 海 技 術 上 的 應 用

 

大 約 在 北 宋 末 期 , 指 南 針 開 始 被 用 於 航 海 。 起 初 它 只 是 被 當 作 天 文 導 航 的 輔 助 工 具 。 《 萍 洲 可 談 》 卷 二 中 談 到 公 元 1 0 9 9 1 1 0 2 年 間 的 航 海 活 動 時 說 : 舟 師 識 地 理 , 夜 則 觀 星 , 晝 則 觀 日 , 陰 晦 觀 指 南 針 。 公 元 1 1 2 4 年 , 徐 兢 在 《 宣 和 奉 使 高 麗 圖 經 》 卷 三 十 四 《 半 洋 焦 》 條 中 , 也 說 : 洋 中 不 可 住 , 維 觀 星 斗 前 邁 。 若 晦 冥 , 則 用 指 南 浮 針 , 以 揆 南 北 。 隨 人 們 對 指 南 針 性 能 和 用 途 了 解 的 深 化 , 南 宋 以 後 指 南 針 便 逐 步 成 為 主 要 的 導 航 儀 器 , 天 文 導 航 則 降 為 輔 助 的 地 位 。 南 宋 淳 祐 年 間 ﹙ 公 元 1 2 4 1 年 - 1 2 5 2 年 ﹚ 朱 繼 芳 《 靜 佳 乙 稿 》 中 的 航 海 詩 說 : 浮 針 定 四 維 , 正 反 映 了 指 南 針 導 航 地 位 的 提 高 。 到 了 明 代 , 航 海 中 更 是 浮 針 於 水 , 指 向 行 舟 ﹙ 鞏 珍 : 《 西 洋 番 國 志 • 自 序 》 ﹚ , 獨 恃 指 南 針 為 導 引 。 或 單 向 , 或 兩 間 , 憑 其 所 向 , 盪 舟 以 行 ﹙ 張 燮 : 《 東 西 洋 考 》 卷 九 《 舟 師 考 》 ﹚ 。

 

為 了 準 確 導 航 , 航 海 者 特 意 在 船 舶 上 設 置 了 專 門 放 置 指 南 針 的 場 所 , 叫 針 房 , 由 有 航 海 經 驗 的 火 長 ﹙ 導 航 人 員 ﹚ 專 門 掌 管 , 一 般 人 員 不 准 進 入 。 火 長 必 須 專 心 致 志 地 履 行 其 職 , 不 能 有 絲 毫 的 疏 忽 大 意 。 誠 如 南 宋 吳 自 牧 在 《 夢 粱 錄 》 卷 十 二 《 江 海 船 艦 》 條 所 說 的 : 風 雨 晦 冥 時 , 惟 憑 針 盤 而 行 。 乃 火 長 掌 之 , 毫 厘 不 敢 差 誤 。 蓋 一 舟 人 命 所 繫 也 。 明 代 鞏 珍 的 《 西 洋 番 國 志 • 自 序 》 也 說 : 選 取 駕 船 民 梢 中 有 經 慣 下 海 者 稱 為 火 長 , 用 作 船 師 。 乃 以 針 經 圖 式 付 與 領 執 , 專 一 料 理 , 事 大 責 重 , 豈 容 怠 忽 。

 

同 時 , 指 南 針 的 應 用 還 促 使 航 海 技 術 從 定 性 導 航 進 入 到 定 量 導 航 的 階 段 , 從 而 使 航 海 者 可 以 更 正 確 地 掌 握 航 線 上 的 情 況 。 明 代 黃 省 曾 在 《 西 洋 朝 貢 錄 • 占 城 國 》 中 說 : 海 行 之 法 , 以 六 十 里 為 更 , 以 托 ﹙ 注 : 為 古 時 測 深 單 位 , 合 舊 尺 五 尺 。 相 當 於 今 四 尺 。 ﹚ 避 礁 淺 , 以 針 位 取 海 道 。 《 松 江 府 志 》 說 : 進 某 澳 , 轉 某 門 , 以 至 開 洋 , 避 礁 避 淺 , 皆 以 針 定 。 即 由 航 程 和 指 南 針 在 航 線 上 的 指 向 , 來 測 知 航 線 上 的 各 種 具 體 情 況 , 從 而 提 供 較 準 確 的 導 航 指 令 。 由 於 航 程 是 由 指 南 針 確 定 的 , 故 航 海 者 便 稱 之 為 針 路 , 並 且 根 據 針 路 來 繪 制 航 海 圖 , 或 者 寫 成 記 錄 針 路 的 專 書 , 叫 針 經 , 又 稱 針 譜 、 針 簿 。 在 航 海 圖 和 針 經 中 , 羅 盤 上 的 3 6 0 度 分 成 2 4 等 分 , 分 別 標 出 方 位 名 稱 , 相 隔 1 5 度 為 一 向 , 叫 正 針 ; 兩 正 針 之 平 分 線 處 也 為 一 向 , 叫 縫 針 。 因 而 羅 盤 具 有 4 8 個 方 位 。 這 一 劃 分 法 和 稱 呼 , 可 能 是 承 襲 方 家 的 用 法 。 針 經 實 際 上 是 一 種 航 海 指 南 , 一 般 都 記 載 有 某 地 開 船 、 航 向 、 航 程 、 航 至 某 地 等 內 容 , 有 的 還 記 錄 有 海 上 危 險 物 , 如 沙 灘 、 暗 礁 、 水 草 、 沙 洲 、 岩 石 等 的 位 置 。 我 國 的 航 海 圖 和 針 經 大 約 在 宋 代 就 已 出 現 , 但 早 已 亡 佚 。 現 存 最 早 的 航 海 圖 和 針 經 都 是 明 初 鄭 和 下 西 洋 後 留 下 的 , 著 名 的 有 《 鄭 和 航 海 圖 》 和 《 兩 種 海 道 針 經 》 等 。 這 些 航 海 圖 和 針 經 詳 細 地 記 錄 了 船 舶 從 我 國 開 航 , 駛 至 東 南 亞 、 印 度 洋 沿 岸 , 以 及 橫 渡 印 度 洋 直 達 非 洲 東 海 岸 的 各 條 航 線 的 具 體 情 況 。 由 此 可 見 , 指 南 針 的 應 用 開 創 了 人 類 航 海 的 新 紀 元 。 我 國 南 宋 和 元 代 航 海 事 業 和 大 發 展 , 明 初 鄭 和 下 西 洋 的 空 前 壯 舉 , 都 是 與 指 南 針 的 應 用 分 不 開 的 。

 

指 南 針 大 約 是 在 1 2 世 紀 下 半 葉 由 海 道 傳 至 阿 拉 伯 , 再 經 阿 拉 伯 傳 到 歐 洲 , 也 有 可 能 是 由 陸 路 經 中 亞 ﹙ 現 俄 羅 斯 境 內 ﹚ 再 傳 到 歐 洲 的 。 指 南 針 在 歐 洲 的 應 用 , 給 歐 洲 正 在 醞 釀 中 的 社 會 變 革 提 供 了 一 種 強 有 力 的 工 具 , 促 成 了 近 代 大 航 海 時 代 的 到 來 。

 

「四大發明」之中,指南針便利了人們的旅行,尤其使遠距離的海上交通成為可能,促進了世界各地經濟文化的交流,有力地加速了人類社會的進展。指南針是根據物理學上的磁學原理創製出來的,它的發明說明了我國古代有著豐富的磁學知識。

 

磁體是指具有磁性的物體,它有天然的和人造的兩大類。四氧化鐵就是一種天然磁體,它具有比較明顯的磁性,因此比較容易被人們所發現。我國遠在春秋時期,人們已需要甚多的金屬材料,因此礦產的採掘和冶煉工業得到了蓬勃的發展。礦工們在鐵礦的開採與加工中,常常和磁鐵礦打交道,逐漸認識到它那奇妙的吸鐵性質,因而給予特別的注意。在《管子》等先秦古書中,曾有「上有慈石者下有銅金」的記載。當時人們已覺察到磁石往往和鐵礦儲存在一塊。

 

在春秋戰國的著作中,便屢屢記載到磁體的吸鐵性質了。如西元前三世紀的《呂氏春秋》上的「磁石召鐵」,時代相隔不遠的《鬼谷子》上的「磁石之取針」等都是。這個時候大概已經比較普遍地認識到磁性了,並且把它比作為慈愛的母親對子女的吸引。東漢的高誘在註釋《呂氏春秋》時說:石是鐵的母親,但石又有慈和不慈的,慈愛的石,能吸引它的子女(),不慈的石則不能吸引。所以漢以前都把磁石寫成「慈石」,就是「慈愛的石頭的意思。後來人們不免也用磁石試著去吸引其他的金屬或物體,結果如何呢?西漢時期的《淮南子》一書寫道:「若以慈石之能連鐵也,而求其引瓦,則難矣」,「及其於銅則不通」。三國時有人也說:「慈石不受曲針」。所謂「曲針」,大約指的是金、銀、銅之類金屬的針,這當然是不受磁石吸引的。這些記載,說明漢代已經認識到磁石只能吸引鐵而不能吸引其他東西,這是一點前進。我們知道,磁體對鐵只能是相吸,而磁體和磁體相近,情況就比較複雜一點。磁體總有兩個極,一個叫做南極,另一個叫北極。凡是異性極相接近,互相吸引,凡是同性極相接近,則互相排斥。這個現象在西漢時期也被發現了。當時有個「方士」名叫樂大,搞了兩個磁體,樣子很像是棋子,互相接近,抵說不但能移相吸(「相抵」),還能夠「相拒不休」,就是互相排斥。這就是所謂「鬥棋」的把戲,他把這個把戲表演給漢武帝看,可把那皇帝逗樂了,因此獲得一個「五利將軍」的官位。

 

另外,在長期接觸中,人們認識到磁體的磁性有強弱,有的磁體對鐵的吸力大,有的小。西元五世紀,南北朝劉宋時代的著作《雷公炮炙論》堙A按照吸鐵重量的不等,把磁石分別命名。稍後,著名的醫生、科學家陶弘景對此作了研究。他在《名醫別錄》中指出優質的磁石出產於南方,磁性很強,能連吸三根或四根鐵釘,就是使幾根針首尾相連成一條線吸掛在磁體上。他還指出,質量最好的磁石,甚至能連吸十根以上的鐵針。陶弘景說這種優質的磁石能夠吸住一、二斤重的鐵刀。這不但指出了磁性有強弱之分,而且可以說是世界上關於磁力測量的最早的文字記載!

 

磁體只能對鐵族物質(鐵、鎳、鈷.)有力的作用,這種作用力是任何物質所不能阻隔的。磁力的這一特點,宋代的陳顯微已經指出過,他說磁力可以「隔礙相通」。張君房的《雲笈七籤》說得更明白,所謂「磁石吸鐵,間隔潛應」。在西洋,這個事實遲至一六○○年才為醫生吉伯所發現,晚於我國六百年。磁力能不能透過一切的物質呢?奇怪的是,只有鐵族物質倒能夠阻隔磁力的作用,譬如我們坐在火車車廂堨普}收音機,是不能收到無線電廣播的。這就是因為電臺發射過來的電磁波,被車廂的鐵皮所阻隔,這叫做「磁屏」作用。這個奇特的規律,遠在三百多年前就被發現了。清初一位名叫劉繼莊的,在《廣陽雜記》中記載著這樣一件事:有人問他,什麼東西可以阻隔磁石對鐵的吸力。他的一位過房兒子名叫阿孺的代他回答說,只有鐵可以阻隔。那人對此很感興趣,回去就動手做試驗,果然不差,十分高興。第二次來說,他已經試過了,這是千真萬擁的。劉氏的這位世兄可說是我國最早發現「磁屏」的人,固然可佩,但那位提出問題的先生,也確實富有鑽研精神,他不但能提出這樣新奇的問題,而且能用實驗的方法去驗證人家的話,可說是具有科學頭腦,實在可敬。至於劉繼莊本人也有功績,首先他能把此事記錄下來,為科學史保存一條重要的材料。

 

我們的祖先並不滿足於獲得這些知識,他們要深入探討磁力的本質,要給磁力提出一種理論的解釋,遠在西漢時期,董仲舒就提出過這個問題,但無法解釋,只說「磁石取鐵」,「奇而可怪」,那道理是人們所不能了解的(「非人所意也」)。到了東漢,就富有創見地把「磁石引針」與「頓牟掇芥」兩個現象緊緊地聯繫起來。這就是把磁現象和靜電現象聯繫在一起,認為都是因為「氣性」相同,互相感動的結果。到了宋代就有人試著用古代的陰陽五行理論去解釋,認為「磁石吸鐵」是「陰陽相感」,是「神和氣合」的結果。這些解釋都是非常模糊的,也遠遠沒有觸到問題的要點,但是能夠從鐵和磁石之間內在的「氣」的聯繫去尋找原因,這個思想還是可貴的。

 

什麼叫做磁體的揩極性呢?就是說,把一根磁體支掛起來,當它靜止時,必然有一端指在北向,叫做北極,另一端指在南向,叫做南極。磁體的磁性主要就集中在這兩個極上。磁體為什麼能有這種指極性呢?原來地球就是一個極大的磁體,它的兩個極分別接近於地理南極與地理北極。所以,處於地球表面的磁體支掛起來,可以自由轉動時,由於同性極相斥,異性極相吸的結果,就使得磁體總是靜止於南北向上。我國古代的四大發明之一的指南針,就是利用磁體的指極性製成的。

 

我們的祖先大約在戰國時代發現了磁體的指極性。當時的著作《韓非子•有度篇》奡N有「先王立司南以端朝夕」的話。「司南」就是指南的意思,「端朝夕」就是正四方的意思。此後,在這方面有很多發明,到了明代的李豫亨記載過一件事:說一個姓汪的人,把一根普通的鐵杖橫著懸掛起來,用手一擊,使之旋轉,待靜止後,鐵杖必定指向南北。李氏自己也試驗過,果然是真的。這堜珨〞犒篕琱W也是磁體的指極性問題。因為一根鐵杖放到地球磁場堙A久而久之受到感應,產生了磁性,成為磁體,因此表現出指極性來。

           

上面已經提到,地球的兩個磁極和地理南北極只是「接近」,並不完全重合。因此,磁針事實上也並不完全精確地指向正南北方而略微有偏,這個角度叫做磁偏角。因為地球是球形的,所以在北半球,磁針的北極必向下傾斜,和水乎方向成一夾角,這個夾角叫做磁傾角。不同地點有不同大小的磁傾角和磁偏角。磁傾角的存在,遠在北宋初年就發現了。那時的一本軍事書《武經總要》(完成於一○四四年),在敘述人工磁化的時候就特別指出,被地磁場磁化的鋼魚,在加熱之後,當浸到冷水時,要使魚尾略向下傾。這是意識到我國的地磁力略有傾斜,故使魚尾下傾,正對磁力,可以充分發揮地球磁力的作用,使鋼魚更好地被磁化。我國各地的磁偏角雖然十分微小,但在北宋時代竟也被發現了。沈括的《夢溪筆談》中十分明確地記載說,磁針能夠指南,但「常微偏東,不全南也」。明白無誤地說明了磁偏角是向東的。這是世界上關於磁偏角的最早記載。在後來的各個時期也都陸續有所載。至元明時代,甚至對不同地點磁偏角不同與同一地點不同時期有不同的磁偏角(這是因為地磁變化引起的)也有了發現,譬如明代的方以智就注意到我國的磁偏角使磁針偏東,羅馬帝國的磁針則偏西,這不能不令人驚嘆。在歐洲,到了十三世紀才發現磁針指向並非正南北方,但當時他們多誤解為磁針裝置工藝上的缺點。到了一四九二年,哥倫布橫渡大西洋,才真正發現了磁偏角,較我國遲了四百多年!

 

從上面的介紹可以看出,從西元前四世紀開始,我國就發現了磁石能夠吸鐵,而且只能吸鐵。後來,還能對磁性的強弱作定量的測量,從漢代開始,發現了磁體互相接近時,可能相吸,也可能相斥。清初發現了鐵的「磁屏」作用。磁體的指極性,遠在戰國時期就知道了,最晚在北宋就發現了磁偏角與磁傾角。

 

磁能是可以人造的。拿一根本來沒有磁性的鐵釘,靠近或接觸一塊磁體,或者用磁體在它上面順著一個方向磨擦幾下,這根鐵釘就可以吸引另一根鐵釘;也就是說,原來沒有磁性的鐵釘有了磁性。如果這根針是鋼鐵的,就比較強的剩磁,那麼離開了磁體,它還能保持有磁性,那就成了磁體了,這叫人工磁化。這是什麼緣故呢?原來像鐵這種物質,它的每個鐵微粒,都是有磁性的,我們叫它為磁分子。只是因為磁分子排列漫無規則,它們的磁性互相抵消,所以就顯不出磁性來。經與別的磁體一接觸或接近,或者經過磁體順向磨擦,磁分子在磁體的作用下,就得到規則的排列,它們的磁性就互相加強,因而顯出磁性來。對某些材料來說,磁分子一經排列好了,雖然離開磁體,也能保持,就成了磁體了。我國古代就用這些辦法進行人造磁體。

 

上面已經提到的西漢時期的「方士」欒大,大概是我國歷史上第一個人造磁體的人。他怎麼造那些棋子狀的磁體呢?沒有說。不過,同時代的《淮南萬畢術》中記載一種人造磁體的方法。據說,把天然磁體搗碎,碾成粉末,攙入一些鐵粉,再用雞血拌成漿狀,塗在很小很輕的棋子外面,讓它放著乾燥,待凝固後,互相接近,就發現能相互吸引或排斥。

 

欒大用的很可能就是這種辦法。我們分析起來,是有道理的。天然磁石被粉碎以後,每個微粒都是有磁性的。攙入一點鐵粉,有大大加強磁性的作用;拌以雞血後,放到地面,在慢慢凝固的過程中,磁能粉末和鐵粉就在地球磁性的作用下,得到有規則的排列。那許多粉末的磁性相互加強,因而就成了一塊磁體。當接近時有可能相互吸引或相互排斥,好像打架一樣,就成了「鬥棋」的把戲。作為「方士」們的幻術看,當然沒有什麼意義,以此騙得一個「五利將軍」更是荒唐的事。但在事實上卻是世界上最早的人造磁體方法,從這一點看,是應該得到相當高的評價。

 

西晉時代,出現了一種指南魚,大概也是人造磁體做的,至於用的是怎樣一種磁化方法則不得而知。上面提到的《武經總要》堳h有詳細的介紹:用鋼片做成一條「魚」,放在炭火媬N得通紅,然後用鐵鉗夾著魚頭,拿出火外,把魚尾正對北方,蘸入水中。這樣鋼魚就帶有磁性了;然後把它收藏在一個密閉的盒子堙A大概是把這「磁魚」放置在一塊天然磁體旁邊,讓它繼續磁化或保持磁性。經過這麼一熱一冷怎樣能使鋼魚帶上磁性呢?原來,如上面所說的,每個鋼分子都是有磁性的,當它被加熱升高溫度時,分子就可以比較自由地運動,受到地球磁性的作用,將按一定的規則排列起來,它們的磁性相互加強,突然冷卻就使分子排列固定下來,那麼磁性也就保持下來了。

 

以上兩種方法,都是利用地磁進行人造磁體,尤其是後者十分簡便,它比歐洲同樣的磁化方法早了四百多年。到了明代,方以智的《物理小識》中還記載到,鐵條因為長時問地放在地面上也就自然出現了磁性,這奡N包含著對地磁感應的認識了。

 

北宋科學家沈括在《夢溪筆談》一書堸O載了一種人造磁體的方法。據說,當時專門研究藥物醫理的人,即所謂「方家」,常用磁石去磨擦針鋒,就能使針帶上磁性。這種方法也是利用磁體的磁性使使針內分子得到規則排列,以使分子的磁性相互加強而顯出磁性來。這個方法就更加簡單了,而且磁化效果比地磁法好得多,這種方法的發明,使磁體的實用成為可能,所以它的意義是極其巨大的!

 

由上面的介紹,可見我國從西漢時期就出現了人造磁體,最遲在北宋時期就掌握了利用地磁進行磁化與利用磁體磨擦傳磁的方法。磨擦傳磁法甚至在今天還在使用。這兩種方法可能都是我國所首創的。

 

現代物理學理論指出,磁與電有著不可分割的聯繫,幾乎是形影不離,可稱為孿生兄弟。在工業生產和科學研究中,磁體也成了電的不可缺少的伙伴。磁體被大量地應用,電話、電報、無線電乃至大型加速器,那一樣都離不開磁體。在我國古代當然還談不上這些,可是磁體也被巧妙地利用起來。

 

當然,在開始的時候,磁化是被作為鐵礦砂用來煉鐵的。發現了它的奇妙性質之後,其用途就廣了。據說有人曾用它作為特殊建築的材料。秦始皇統一中國後,在陝西咸陽建造了一座很大的很華麗的阿房宮,為了防備刺客暗殺,用大塊大塊的磁石建造北闕門,如有暗藏武器的人經過其門。就會被強大的磁石所吸住,即刻予以逮捕。究竟逮住了多少刺客,那就不清楚了。或許刺客們知道了這堛熄孎恣A也就不從這北門出入了。當然,這只能作為後人的設想來對待。不過這個設想,也是很可貴的。據說晉代的名將馬隆也曾把這個設想用於軍事上。有一次,他的部隊和羌人作戰,對方的士兵身披鐵甲,非常勇悍,他的部隊傷亡很大。馬隆就設下一條計策:在一條狹窄的小路兩旁堆放了大量磁力很強的磁石,命自己的士兵只穿上皮革製的護身衣,依計而行。一天對陣,部隊故意敗退,把敵人引進這條小道。由於羌人身披鐵甲,受了磁石強大的吸力,動作極感困難。而馬隆的士兵,由於身穿皮革服,沒有受到吸力,故進退自如,行動敏捷。那羌人以為他們是神人下降,不禁大為驚恐,士無鬥志,爭先逃命。於是,馬隆打了個大勝伏。

 

這種記載的可靠性如何還很難說,但也並非憑空想出來的。古書上關於這方面還有些值得注意的事實,例如三國時代的《南州異物志》記載到一件事:南方某處的江水很淺,水底有很多磁石,有些釘有鐵質連鐶的大船,經過這堙A竟被吸住,通不過去。也許就是在這些事實的啟發下,有人作了上述種種設想。即使作為一種設想來看,也是有一定的科學意義的。

 

在古代手工業生產中,也巧妙她利用了磁石吸鐵的特點。我國陶瓷工業有很悠久的歷史,製作出來的瓷器,潔白而細膩,真是精美絕倫。但在生產過程中有一個問題曾使人大傷腦筋。那就是在釉水中往往含有鐵屑,上了瓷面燒製出來就使可愛的瓷器表面出現點點黑斑。製瓷工人,應用磁石來過濾釉水,將釉水中的鐵屑吸附在磁石上,加以清除,解決了這個問題。同樣,我國長期的製藥工藝中,往往用鐵製的梓臼搗碎藥材,這樣不免會有鐵屑留在藥堙A吃下去有害於病人的腸胃。人們也常用磁石吸去鐵屑,使得藥物潔淨。

 

天然磁石在醫藥方面有很大的用處。首先,它是一種有多種療效的內服藥。遠在戰國時代,我國就有「自煉五石」服之治病的記載。磁石就是五石之一。在古希臘,大約於西元前二百年左右,有個醫生也利用磁石作為瀉藥,但在年代上比我國要晚一些,可見我國是首先進行磁療的國家。到了漢晉時期,人們對磁石的藥性療效就記載得更加詳細了。直到現在,磁石仍在中醫中藥堻Q廣泛地使用著,配有磁石的成藥就有十幾種。

 

除了作內服藥以外,晉代的葛洪(約西元二八一~三六一年),北宋的何新希都記載到:當小兒誤吞鐵釘時,可用一枚棗核大的磁石,把它磨光滑,並鑽一個小孔,用絲穿著,讓小兒吞下,可把鐵釘吸出來。這是醫學上利用磁力的一種手術。另外,南宋時代的嚴用和曾講過這麼一個醫療耳聾的經驗:用黃豆那麼大的一枚磁石,以棉花包著塞到耳朵堙A另用一塊鐵含在口腔內,就會使耳朵媊惆黖S如刮風下雨的呼呼作響,這樣耳朵就會通起來,恢復聽力,這是磁力用於醫療的又一例子。

 

現代有所謂磁化水治病,讓水通過一定強度的磁場,即成為磁化水,它可用於治療結石症和驅治蛔蟲,頗有成效。在我國古代,也有用磁化水治病的。南北朝時期的陶弘景就說過,「煉水,亦令人有子」。「煉水」就是指磁化水,可用於醫治不育之症。無疑,這是人類使用磁化水治病的最早記載。

 

由上面介紹可以知道,我國古代不但對磁體性質了解很多,而且在實際應用方面,也開始得很早,在軍事、生產和醫療三個方面都有巧妙的實際應用。

 

提起指南針,往往聯想起一些傳說。其中一個傳說是:遠在四千多年前,我國南方九黎部族的首領蚩尤,帶領人馬同由黃帝率領的黃帝族和炎帝族的聯合部隊,在今河南省琢鹿進行激烈戰鬥。蚩尤有點法術,在戰鬥中作起「五里霧」來,伸手不見五指,黃帝的軍隊迷失了方向。正在危急之中,黃帝發明出一種指南儀器來指示方向,遂使他的軍隊不再迷路,戰鬥也取得了勝利。另外一個傳說是:在三千多年前的西周時期,南方一個叫做越裳氏的部族,派遣使臣,帶了禮物向周王朝貢,那使臣完成了任務要返回去時,周公怕他迷失方向,特地造了一架指南儀器送給他。這兩個傳說,當然是後人編起來的。作為傳說也不要緊,但是也帶來麻煩,使得不少人相信黃帝和周公發明了指南針。這是一個大誤會。傳說中的指南儀器不是指南針,而是指南車。那是利用一系列齒輪作用,使得不管車向什麼方向轉彎,立在車上的木頭人的手臂總是指向南方,而且,這種指南車的發明者,不是黃帝或周公,而是東漢時代的科學家張衡。他的製法不久就失傳了。三國時期的機械發明家馬鈞曾經重新設計製造出來,宋代的科學家燕肅、吳德仁也都製造過。

 

我們所說的指南針,是指利用磁體的指極性造成的指南儀器,與指南車完全是不同性質的兩碼事。

 

上面提到的戰國時期的「司南」,就是最早的磁指南器。怎麼知道「司南」是指南針而不是指南車呢?因為戰國時期根本還沒有指南車,而且同時代的著作《鬼谷子》堸O載到,當時鄭國的一些玉工,到遠處去採玉,往往帶有「司南」以便指示方向,這只能是磁針。況且,東漢時期的王充,對「司南」的形狀和用法有明確的記載。《論衡.是應篇》說:「司南之杓,投之於地,其柢指南」。這就使我們知道,「司南」大約是用整塊的天然磁石,輕輕琢成勺子的形狀,把它的南極磨成勺子的長柄,並使整個勺子的重心恰巧落在勺子底部的正中,另外再配以光滑的底盤(「地」),底盤四周刻有「八干」(甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、癸)和「十二支」(子、丑、寅、卯、辰、巴、午、未、申、西、戌、亥),加上「四維」(乾、坤、巽、艮),共二十四向。使用的時候,先把底盤放正,再把勺形的「司南」放上去,用手輕輕一撥,使它轉動,等到停下來,它的長柄(「柢」就指向南方。這不是憑空推想,是經過專家們仔細研究而得出的結論。一些文物也為此提供了證擄。譬如有一幅東漢時期的石刻,那上面刻著一個小勺子放在一個小方臺上,大約就是這種「司南」。另外,有些出土的銅盤或塗漆的木盤,也很像是「司南」的底盤。

 

這種「司南」有許多缺點。首先,它有一定的體積和重量。設想戰國時代那些採玉的鄭國人用的就是這種儀器,攜帶起來一定不大方便。其次,要求勺底和地盤表面都必須十分光滑,摩擦力要很小,否則就難以轉動。所以製造也很不容易。更重要的是,用整塊天然磁石琢磨出一個勺子,實在很難。因為天然磁體不易得到,且磁性本來就很弱,在琢磨加工過程中,常常會使磁性失去。所以這種「司南」的製造,材料來源困難,加工的廢品率很高,使用的靈敏度很低。因此「司南」的發展受到限制,儘管從戰國、秦漢、六朝以迄隋唐,關於「司南」的記載雖然不少,但總不見有什麼大的發展。只有到發現了人工磁化的方法,尤其是發明磁針以後,使材料來源擴大,製造工藝簡化,指向靈敏度提高,這才使指南針的普遍使用成為可能。當然,更重要的是海上交通事業的發展,急切需要指南儀器。這種需求是推動指南儀器發展約主要動力。

 

原來我國在很早的時候,就開始了海上交通。二千多年前的秦始皇,皆派出好多人乘坐大船到海上去尋仙訪藥。此後,海上交通不斷有所發展。至隋唐五代時期,除了到日本、朝鮮等地的海船航行更為頻繁外,和阿拉伯各國的貿易關係也十分密切。那時海船越造越大,長度達二十餘丈,可以搭六、七百個乘客。宋代從廣西開到南海去的大船「舟如巨室,帆若垂天之雲」。可以容納一千人,存貯糧食可供一年之用,船上還釀酒養豬;可見其規模之大。而且海船的活動範圍也很廣闊,除了日本、朝鮮以外,東起廣州,西至波斯灣,都有我國的船隻航行。據說那時候波斯灣各個口岸,大部分是我國的商船。我國的船隊可以說是南洋海上交通的最強大的力量。毫無疑問,在沒有應用指南儀器以前,海上航行是十分困難與危險的。水連天,天連水,水天相連,茫茫一片,看不到邊,望不到岸,真是叫人蒙頭轉向。晴朗天氣還好,白天可以參看太陽,夜晚可以參看星星。一遇上陰天,就完全束手無策了。歷史上有過這樣一回事:唐文宗開成三年(西元八三八年),日本一個著名的和尚園仁,乘坐海船來我國求法。船到中途,遇到了陰雨,掌舵的迷共了航向,乘客更是恐慌起來,大家七嘴八舌,你說該向北方去,他講應朝西走。船上一片混亂,不免有的流著眼淚寫起遺囑來:也有的呼天號地,喚兒喊娘的。正在漂泊無定之際,幸好到了一處波綠水淺的地方,大家這才驚魂稍定,但又不知道這娷鰴隻a有多遠。最後只好沉石停船,等候天晴再行啟航。可見海上交通是多麼地需要指南儀器。海上交通的迫切需要,成了指南儀器發展的巨大推動力,指南針便應運而生了

 

西晉時代的崔豹在《古今注》奡ㄗ鴗@種「指南魚」,它的形制大概和上面提到的北宋曾公亮的《武經總要》中的「指南魚」是相類似的東西:就是用一片薄薄的鋼片剪成一條魚的形狀,大約兩寸長,五分寬,魚的肚皮部分略微下凹,像一隻小船,磁化以後,浮在水面,就能指向南北。這在西晉時代,可能還是作為幻術表演的,但在《武經總要》堙A就明確說在行軍時用來指示方向了。書中說:在行軍中,如遇見陰雨天氣,或夜晚昏暗不能辨別方向,則應讓老馬在前面行走,可以識路,或者以指南車、指南魚來辨別方向。可見這時軍隊的行進已應用了磁指南器,但還是一種比較次要的輔助儀器。

 

當時人們對此作了很多的研究和改進,他們的成就在《夢溪筆談》堭o到反映。沈括記載說:「方家以磁石磨針鋒,則能指南,然常微偏束,不全南也。」這堨]括了人工磁化製造指南針的方法和磁偏角的記載。接著他介紹了指南針在裝製技術上的四種方法:1.水浮法:把指南針浮於水面以指示方向。據後來書上介紹,是在指南針上穿幾根燈蕊草,就可以浮著。2.指甲旋定法:把指南針擱在手指甲面上,由於指甲面光滑,磁針就和古時的「司南」一樣,可以旋轉自如,指示方向了。3.碗唇旋定法:把磁針擱在光滑的碗口邊緣上也可以旋轉指示方向。4.縷懸法:在磁針中部塗上一點蠟,粘上一根蠶絲(要用新繭絲,比較韌性,不易斷)掛在沒有風的地方,即可指示方向。

 

沈括還對這四種方法作了比較,指出水浮法的缺點在於水面容易晃動;指甲旋定法和碗唇旋定法,雖然摩擦小,靈敏度高,但容易掉落;所以還是以縷懸法比較理想,切於實用。事實上,沈括的四種方法已經歸納了迄今為止指南針裝置的兩大體系-水針與旱針。

 

什麼叫水針和旱針呢?在使用「司南」時需要有地盤配合,在使用指南針時也需要有方位盤配合。人們最初使用時可能還沒有,所以沈括《夢溪筆談》中的記載都不曾提到方位盤。不久就發展成為磁針和方位盤聯成一體,這就是「羅經盤」或叫「羅盤」。方位盤仍是二十四向,形式則由方形演變成圓形。羅經盤的出現,無疑是指南針發展史上的一大進步,因為只要一看磁針在方位盤上的位置,就能定出方向來。我國在南宋時代就出現了「羅經盤」,當時叫「地螺」。

 

按磁針在方位盤上的擱置方法不同,可分為水針和旱針兩大類。所謂「水針」就是磁針用水浮法擱在方位盤上;凡是不用水浮的就叫做旱針或叫乾針,就是乾燥無水的意思。宋時多是水針。北宋宣和五年(一一二三年)徐競著《宣和奉使高麗田經》一書,說陰天行船用的是「指南浮針」。南宋朱繼芳作航海詩,也有「沈石尋孤嶼,浮針辨四維」之勺,都可以說明用的是指南浮針。這種水針一直到了清代末年還在生產使用,可見也有一定的實用性。所謂「乾針」,一般是用一個支軸的尖端在磁針的中部,使磁針平衡旋轉。宋末元初時已經有了這一類東西。宋末的《事林廣記》中,記載著一種指南魚和指南龜。指南魚的製作方法與北宋《武經總要》堣雯衁漱ㄓ@樣,是用木頭刻成魚形,像手指那麼大,然後把一塊天然磁石塞進木魚的腹堙A使南極向外,用蠟封好,再向魚口奡﹞J一根針,就成為指南魚,將它浮在水面,魚頭就會指南,這仍是水針的一類。

 

指南龜的做法也是用木頭刻成,放進天然磁石,然後在木龜的腹部下方挖一個小孔,再將它安在竹釘子上,讓它自由旋轉;也就是說給木龜設置一個固定的支點,撥動木龜,靜止之後,就會指向南北,這當然就是旱針了。

 

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