指南针

指南针是中国古代四大发明之一，具有十分重要的历史地位。

指南针是利用磁体的指极性制成的一种方向指示器，所以它的发明是以磁体指极性的被发现为前提条件的。一般说来，要发现磁石吸铁现象并不困难，但要发现磁石的指极性，就难得多了。就目前所知而言，最早明确提出磁石能吸铁的文献记载，当推《吕氏春秋·精通》所写的“慈石召铁，或引之也。”而明确提及磁石指极性的先秦文献，则至今尚未发现。在战国末年成书的《韩非子·有度》中有“故先王立司南，以端朝夕”的记载，《鬼谷子·谋篇》里也有“郑子取玉，必载司南，为其不惑也”之语。这里的“司南”，无疑是一种指南器，可以起到标示方向的作用，它有可能是依据磁石的指极性而制成的。不过，从文献本身我们还难以做出进一步的判断。

一般认为，东汉王充《论衡·是应篇》中提到的司南，可以断定是一种磁性指南器。其有关文字如下：

“司南之杓，投之于地，其柢指南。”

杓，是勺子。“地”，指中央光滑的地盘。“柢”，是勺的长柄。从这段话中可知，做成勺子样式的“司南”，放置在坚硬光滑的“地盘”之上，它的长柄会自动指向南方。这样的“司南”，只能是一种磁体。

根据《论衡》中的这段描述及其他有关文献资料，今人王振铎复原出了古代司南的原型。复原品藉天然磁石琢制而成，其大小形状类似通常家用汤勺，只是其底部呈球形。将它放在一块以青铜做成的地盘中央，它就会转动起来，直到与地磁场方向基本一致为止。这时它的勺柄指向地磁场南极。地盘四周刻着四维（乾、坤、巽、艮）、八干（甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、癸）和十二支（子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥）共二十四个方位。盘中央琢磨得非常光滑，磁勺即置于其上。

用天然磁石磨制司南，需要一定的技巧，一般情况下不易成功。因此，有学者怀疑《论衡》中的司南不是磁性指向器。但是，用天然磁石确实能够磨制出上述形状的司南来，王振铎即曾有过成功的尝试。不过，用天然磁石琢磨司南，其成品率低，磁性弱，且与地盘接触时转动摩擦阻力也比较大，效果难免要受影响。因此，它的使用和流传都受一定的限制。

司南不能叫做指南针，它只是指南针的一种原始形式。指南针形制很多，其原始形式除司南以外，还有一种高级些的，叫指南鱼。指南鱼的具体制作方法及应用载于北宋初年曾公亮主编的《武经总要》，该书的“前集”卷十五提到：

“若遇天景曀霾，夜色暝黑，又不能辨方向，则当纵老马前行，令识道路。或出指南车或指南鱼，以辨所向。指南车法世不传，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，没尾数分则止。以密器收之。用时置水碗于无风之处，平放鱼在水面令浮，其首常南向午也。”

这段话中记述的指南鱼制作方法，符合科学道理。把鱼形铁片加热到通

红，这时它的温度高于居里点，铁片原有的磁畴瓦解，整个铁片成为顺磁体。在蘸水冷却时，磁畴重新形成，在形成过程中，由于受地磁场作用，磁畴形成规则排列，鱼即被磁化。对着北方的鱼尾被磁化成为指北极，鱼首则成指南极。所以，这段话是利用地磁场的磁化法制造人工磁体的可贵记录。

在上面这段记载中，古人不但利用热处理法使指南鱼获得磁性，而且还

使用淬火法。淬火相变使得磁化了的指南鱼具有较强的矫顽力。同时，指南鱼“首尾锐如鱼形”，呈长条状，这有助于减小退磁因数，使指南鱼的磁性可以保持更长久。

还需要指出的是，“没尾数分则止”，包含着深刻的科学道理。因为鱼尾向下倾斜，使得整个鱼体与地磁场方向更为接近，从而增强了磁化效果。我们知道，在中高纬度地区，地磁场有相当大的倾角，如果把鱼水平放置，那就只有地磁场的水平分量起作用，磁化效果就要差一些。古人不懂得地磁场和地磁倾角，他们是在实践中把握住了这些因素的。“以密器收之”，指的是对指南鱼的保存。如果“密器”是用铁做成的封闭盒子，或者盒内置有磁石铁条之类物体，指南鱼放进去以后，就会与铁盒或磁石、铁条形成闭合磁路，这有利于保存指南鱼的磁性。其他质地和形式的“密器”则无此功效。

指南鱼的制作，比之司南要简便得多。而且它浮在水面上，转动时所受摩擦力也要小得多，这就提高了它指南的准确度。但是，用地磁场磁化所得到的磁性毕竟是比较弱的，这就限制了它的普及和使用。所以，最后指南鱼还是让位给了指南针。因为指南针采用了新的磁化方法，磁性较强，而且它用磁针代替指南鱼扁长的铁片，既提高了指向精度，又减小了退磁因数，因而比指南鱼更为进步。

指南针出现的具体时间，现在很难断定。但可以肯定的是，它不会迟于11 世纪。11 世纪上半叶，北宋学者杨惟德撰相墓书《茔原总录》，其卷一提到：

“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。”

意思是说，定方位时，应使东西南北没有差错。为此，应该使用磁针。磁针

稳定不动时，它的指向为丙午方向，这时再加以修正，就能得到正确的水平四向。

这段话给我们提供了两个信息：其一，当时已经发明了磁针；其二，人们还发现了磁偏角现象，并提出了校正磁针定向误差的方法。《茔原总录》撰进于庆历元年（1041 年），与曾公亮等撰《武经总要》（1040—1044 年）同时。这表明磁针与指南鱼问世时间差不多，而磁针不久就全面取代了指南鱼。

最早明确提到指南针制法的文献，是北宋沈括的《梦溪笔谈》，该书卷二十四“杂志一”写道：

“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。水浮多荡摇，指爪及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬为最善。其法取新纩中独茧缕，以芥子许蜡，缀于针腰，无风处悬之，则针常指南。其中有磨而指北者。予家指南、北者皆有之。磁石之指南，犹柏之指西，莫可原其理。”

这些话给我们传递了一些有价值的信息。它表明，当时人们已经掌握了用天然磁石摩擦磁化铁针来制作指南针的方法。在现代电磁铁出现之前，这种方法是制作指南针最常见而有效的方法。在这段话中，沈括不但记叙了指南针的制作方法，提示了磁偏角的存在，而且还讨论了指南针的安装方法。他介绍了四种安装方法：水浮法、指甲托法、碗口托法，丝悬法（如图 1 所示）。在这四种方法中，第二和第三种虽然运转灵活，但“坚滑易坠”，因而不常被人们所采用。水浮法到后来发展成为水罗盘，在古代航海中获得了

广泛应用；丝悬法则至今仍在一些实验中使用。

沈括对于丝悬法评价很高，这是有道理的。他选用独缕蚕丝悬针，因为独缕，本身没有扭转的弊病，不会似合股丝线呈螺状结构。另外，用芥菜子大小的蜡珠粘合独缕蚕丝，缀于针腰，这就避免了像结扭针腰那样使独缕产生弹性。这样，能够使磁针产生扭矩的，只有地磁场的作用。因此，用丝悬法安置的指南针，灵敏度是相当高的。

沈括之后，人们仍然在不断探讨指南针的装置方法。其中值得一提的是南宋陈元靓著的《事林广记》卷十中所记的指南龟的制法。根据他的记述，在做指南龟时，先以木刻龟，在龟体上沿首尾方向开一洞，放入条形磁石，然后以蜡填满，在龟尾部敲入一根针，作为表示方向之用。再用一块木板，上面安一个竹钉，把龟腹下面挖一小孔，支在竹钉上。转动木龟，当它静止后，龟首指北，针尾即指南。其构造如图 2 所示。从结构上来看，这里用竹钉作支轴，可以说是后世旱罗盘用支轴承托磁针的先驱。

磁针的安置问题解决以后，指南针形制的进一步发展，就是与方位盘联成一体，这就是后人所谓的罗盘或罗经盘，它在古代社会生活中发挥了巨大作用。

指南针在古代主要被堪舆家们用于相宅相墓，同时也被用于航海及其他。正是这后者对人类社会进步发挥了巨大作用，因而指南针才得以跻身于古代四大发明的行列。我国典籍记载指南针用于航海，始于宋代朱彧 1119 年写的《萍洲可谈》，书中写道：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针。”之后，类似的文献层出不穷，这表明在航海活动中，指南针普及得相当快。这一发明后来经阿拉伯传入欧洲，对欧洲的航海业乃至整个人类社会的文明进程，都产生了巨大影响。