指南针的应用

  指南针的发明及其在航海中的应用,迄今已是世界公认的古代中国的伟大成就之一。英国哲学家弗·培根(公元1561-1626年)曾称赞印刷术、火药和指南针是“在世界范围内把事物的全部面貌和情况都改变了”的三项发明,“竟至任何帝国、任何教派、任何星辰对人类事务的力量和影响都仿佛无过于这些机械性的发现”。马克思也曾指出,这“是预告资产阶级社会到来的三大发明”。其中,“指南针打开了世界市场并建立了殖民地”。可见,指南针的发明对人类和社会历史进程所起到的伟大作用和影响。

  中国人至晚在秦汉时期已经发明了磁性指向器,当时称它为“司南”。它是用天然磁石加工而成的,其形状类似瓢勺。将它放在栻占用的光滑的铜质地盘上,经旋动而静止时,其勺柄就指向南方。地盘上刻有古代人熟悉的天干、地支和八卦表示的24个方位。(图5-1)


  图5-1 置于地盘上的司南(王振铎复制)

  从秦汉直到唐代中期,司南不断被人们所制造和使用。生活在8世纪的韦肇在其《瓢赋》中还写道,“充玩好,则校司南以为可”。其中,“校”字晗含制作在其中。所以司南要“校”准,除地磁偏角的影响外,尚有加工工艺等问题。因为司南类似勺,因此韦肇在其诗中还说:“杓之类奚取于梓人”。“梓人”是指木工。作为植物果实瓢,是农民所种,非木工所为;作为司南这一磁性瓢勺,是由金工所为,也非木工斧锯而成。韦肇的《瓢赋》表明唐代人还在制造司南。

  唐代,大概是由司南向指南针过渡的孕育阶段。或者,唐宋之际完成了向指南针的过渡。入宋以后,有关指南针的文献突然丰富起来。指南针、指南鱼、指南龟几乎同时问世,地磁偏角、地磁倾角也相继被人们所发现和利用。具体地说,入宋以后81年,杨维德在其相墓、相风水的地理著作《茔原总录》(成书于1041年)中最早记述了指南针和地磁偏角。其后三年,曾公亮的军事著作《武经总要》问世,书中记述了以地磁场磁化钢铁片的方法。又其后40余年,即公元1086年,沈括的《梦溪笔谈》完稿,以磁体磁化钢针的方法在该书中作了详细记载。因此,至少可以推测,在杨维德记下指南针和地磁偏角之前,会有几代堪舆家已经摆弄了指南针。

  杨维德说,用指南针看风水、确定四方的方位时,指南针“当取丙午针”。“午”是地理正南方向,“丙”是地理正南偏东方向。这就是说,指南针的南向,即地磁南向是在那两个地理方向之间。地磁南向与地理南向有偏差,这就是所谓的地磁偏角。在西方,磁偏角是哥伦布在1492年的航海中发现的,比杨维德的记述要晚450年。

  曾公亮详细地记下了制造指南鱼的方法:

  以薄铁叶剪裁、长二寸宽二分、首尾锐如鱼形,置炭火中烧之,候通赤,以铁钤钤鱼首出火,以尾正对子位,蘸水盆中,没尾数分则止。以密器收之。用时置水碗于无风处,平放鱼在水面令浮,其首常南向午也。(《武经总要》)

  对这段文字需要说明的是,它是否符合科学?如何以近代磁学知识理解它?

  将“薄铁”(曾公亮所记“薄铁”很可能是钢)剪成鱼形片、烧红,当炉温高于居里点(约700℃)时,钢铁的磁畴排列完全被打乱。而当它“蘸水”即淬火急冷时,磁畴排列又复形成。关键在于冷却时,“以尾正对子位”。这表明,铁片是按地球子午线方向,即地磁的南北方向冷却的。因此,在地磁场的影响下,冷却后的铁片磁畴就都顺地磁方向排列了,从而铁片产生了磁性。又因为淬火时,铁片“没尾数分”,是斜插入水盆中淬火,这又恰好利用了地磁倾角,增强了对铁片的磁化强度。当铁片完全冷却,其磁畴也就完全按地磁方向排列,则鱼头为北极,鱼尾为南极。将这种指南鱼平放入水碗后,受地磁场影响,鱼头指向南方,鱼尾指向北方。

  其实曾公亮及其同时代的人并没有地磁场乃至地磁倾角的理性概念;而在实践中,他们却充分利用了地磁场和地磁倾角以磁化铁片。而西方,有说诺曼(robert norman)于1576年发现了磁倾角;也有说是哈特曼(george hart-mann)于1544年发现的。无论哪一说成立,归成一句话,西方人在理论上的发现比我国古代人在实际中的应用要晚500年。

  另一种以磁感应制造指南针的方法见于沈括的《梦溪笔谈》卷二四:“方家以磁石磨针锋,则能指南。然常微偏东,不全南也。”前一句是指南针的磁化感应方法,后一句指明地磁偏角的存在。沈括同时记述了多种安装指南针的方法:1)指甲法,将磁针搁在光滑的指甲上,可以旋转自如;2)丝悬法,以单根蚕丝系于针腰,悬吊磁针,相系处滴上少许蜡。3)水浮法,把磁针穿在数根灯草上,用灯草托浮磁针于水面;4)碗唇法,把磁针放在光滑的碗口边缘上;此外还发现感应磁化时,不仅有指南,也有指北的磁针,并承认自己“莫可原其理”。由此不难看出,当时的中国人尚未知道地球本身也是个大磁体。

  沈括之后有关指南针及其制法的记载越来越多,大概它已成为中国人的普通常识了。也是在宋代,陈元靓在《事林广记》中还记载了两种指南针——指南龟和指南鱼。将磁针装入木刻小龟腹中,龟腹心刻一小圆穴,以一竹钉作为旋转支轴。拨转木龟,龟则指南。此种装置称之为“指南龟”。类似的,将小条形磁针安装在木刻鱼腹中,将木鱼浮于水面,则指南,故称“指南鱼”。如果分别在鱼头、鱼尾插入一小铁针,既易于识别方向,又方便用手拨转。图5-2绘画了古代人所发明的各种指南针及其安装方法。

  将指南针与刻度盘相结合,使之成为一种辨识方向的仪器,称为罗盘。刻度盘在中国产生于先秦时期,但罗盘只有在磁针诞生之后才有可能问世。


  图5-2 指南针及其安装法

  1至4为沈括记载的四种安装法:1.指甲法;2.丝悬法;3.水浮法;4.碗唇法;5.陈元靓记述的指南龟;6.指南木鱼;7.曾公亮记述钢片指南鱼。

  起初,罗盘被称为“地螺”。它的发明,首先被堪舆家用于相墓、相宅、看风水。考古学家在江西临川一座葬于公元1198年的宋墓中发掘出两个“张仙人瓷俑”。瓷俑造型生动,右手持一

  罗盘,置于左胸前。(图5-3)从瓷俑竖持罗盘和罗盘的磁针中央有转动中心这两点,可以断定该罗盘是旱罗盘,安装磁针的方式很可能是回旋枢轴。罗盘的盘面是圆形的,其方向刻度也颇清楚。这一事实表明,旱罗盘至晚产生于12世纪下半叶。沈括和陈元靓所述及的丝悬磁针和指南龟,都是旱罗盘的始祖。其余方法后来皆发展为水罗盘。


  图5-3 张仙人瓷俑

  简单地说,就是将磁针、指南鱼放入水碗中,再在碗外缘加上一刻度盘,就成为水罗盘。元代,盛行“针碗”。将瓷碗做得比平常稍大些,到了描彩上釉这道工序时,在碗内底画出24个方位,这样烧制的瓷碗就称为“针碗”。在这种水碗内放入指南针,就可以识别指针方向。针碗在航海船舶中颇具优点。因为,针碗不是放在甲板或内舱桌面上,而是置于后舱沙堆之中,碗底又深。因此,水碗不随船的颠簸而翻倒、打碎,即使船舶摇荡,沙堆可减缓碗的移动,而碗内的水总是平衡的。磁针所受航行的干扰就相对小些。这也是中国人在解决复杂技术问题中表现出的聪明才智。

  指南针发明后不久,就被用于航海。宋代朱彧〔yu与〕的《萍洲可谈》一书,记述了其父亲在1099至1102年间在广州做官时的见闻,其中述及航海中“阴晦观指南针”。这个时间只比沈括《梦溪笔谈》成书晚10年。在朱或之后,北宋末,徐竞于宣和五年(公元1123年)出使高丽(今朝鲜半岛)。当他的船队驶出蓬莱山之后,逢阴晦天气“则用指南浮针”,即是水罗盘。不久,赵汝适在《诸蕃志》中写道:

  舟舶往来,惟以指南针为则,昼夜守视唯谨,毫厘之差,生死系矣。

  这是航海中完全依靠指南针导向的写照。用指南针导航又不可有“毫厘之差”,则非罗盘莫属。可见,在12世纪初,中国人在航海中使用指南针或罗盘已相当普遍了。

  据科学史文献记载,欧洲最早知道磁针的是法国人戴普鲁万斯(gyuot de prorins),他在公元1190—1210年间指出,水手将针和一种难看的石头摩擦后,用草浮水面可以指北。后来,英格兰的修道士尼坎姆(alexander neckam,公元1157—1217年)在其《论器具》书中作了类似叙述。他们比杨维德、曾公亮和沈括的记述晚了100至150年。“张仙人瓷俑”手持枢轴式罗盘出现在1197年之前,而号称制造罗盘的法国大师佩雷格林纳斯(petrus peregrinus,生活于13世纪)设计制造的带有刻度的罗盘则在1269年。中国人最早创制并使用磁针和罗盘的历史是无可争议的。现在一般地认为,有关磁、罗盘的知识是由阿拉伯人从中国传到欧洲的。应当说,一旦指南针上了航船,其传播之快应与航速等同。

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