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宋代如何制造“指南针”?一个小小指南针,见证了古人智慧

2020-04-28  今古言堂

    导语

    造纸术、印刷术、指南针、火药,我国古代的“四大发明”随着丝绸之路传播到全世界,深刻影响了人类历史的发展进程。在技术水平有限的情况下,古人是如何制造指南针的?小小一个指南针,看似无足轻重,却见证了我国古代人民的智慧,促进了大航海时代的到来。

    古代指南针(罗盘)

    指南针的发展简史

    四大发明中,指南针是最不起眼的,却经历了最漫长的演变过程。

    1、指南车:纯粹的机械传动装置

    相传4000多年前,中华民族的始祖黄帝便发明了用于指南的工具——指南车。

    与后来利用地磁效应的指南针不同,并不利用磁性,它是一种纯粹的机械装置。指南车上树着一个木人,只要在出发之前将木人的手指向南方,无论接下来车子转向何方,木人的手都会始终指向指南车出发时设定的南方,所谓“车虽回运而手常指南”。

    指南车的技术核心是一套齿轮传动系统和离合装置。尽管指南车有4000多年的悠久历史,但它的存在仅限于史料上的简单文字记载,并没有确切的结构设计资料。从现存史料看,一直到了宋代,《宋史·舆服志》才详细记载了指南车的结构和制造规范,后人根据这一规范仿制了指南车。

    指南车结构图

    2、司南:天然磁石的指南工具

    由于机械装置设计比较复杂,指南车并未得到广泛应用,2000多年前,我国人民发明了。

    《古矿录》记载,战国末年,河北磁山一带的人们发现当地的一种石头可以吸铁,这便是磁石的特性。后来,人们根据这一特性将磁石打磨成一把勺子,用于指示南北方向。

    但很多学者对司南的真实性提出质疑,因为司南不像指南车那样有明确的技术规范,成书于汉代的《论衡》说“司南之杓,投之于地,其柢指南”,这已经是对“司南”及其功能最完整的记载了。

    我国现代历史学家王振铎复原过司南,一度被中国历史博物馆收藏展览,我们常见的司南就是他复原的模型,但他复原的司南并非根据史料记载的技术规范制造,而完全利用现代科学技术复原而成,2000年前的人们根本不具备这种技术。迄今为止,使用原始手工技术制造司南的努力都是失败的。

    古代司南(复原模型图)

    宋代对磁场规律的认识

    我们现在知道,指南针是利用地球磁场原理制造的。但古代科学知识不发达,人们并没有总结出磁场规律,是通过观察一些日常生活现象,对现象背后蕴含的科学规律进行了探索和应用。宋代是我国古代科学知识发展的一个高峰,在宋代史料中,保存了很多当时人们对磁场现象的记载。

    1、宋人对静电感应的认识

    宋人张邦基在其笔记《墨庄漫录》中记载:

    “孔雀毛箸龙脑香则相缀。禁中以翠尾作帚,每幸诸阁,掷龙脑以辟秽。过则以翠尾扫之,皆聚,无有遗者,亦若磁石引针、琥珀拾芥,物类相感也。”

    还记得我们小学学过的科普知识吗?玻璃棒和丝绸、橡胶棒和毛皮摩擦都会产生静电。从上述记载来看,古人虽然没有向孩子普及这类知识,但他们对静电感应现象还是有认知的。

    2、宋人对磁力特性的认识

    张邦基提到了“磁石引针”,对磁石能吸铁,古人在两千多年前就有认识和利用,但宋人进一步认识到,磁石吸铁这种特性(也就是磁力)可以不被铁磁以外的其他物质阻隔。宋人张君房在他的笔记《云笈七籖》中记载说“磁石吸铁,间隔潜应”,就是对磁力特性的清晰描述。

    磁偏角示意图

    3、宋人对磁偏角的认识

    我们现在知道,地球是一个天然磁体,拥有强大的磁力,但地球不是一个完美的球形,而是一个不完美的近似球形,而且地球的南北磁极与地理上的南北两极并不完全重合,两者有一定偏差,所以便有了“地磁子午线”与“地理子午线”的交叉,二者之间的夹角称为磁偏角。

    磁偏角对指南针有什么影响?

    很简单,指南针利用地球磁场影响制造的,用于指示南北方向,因此它指示的南北方向是南北磁极的南北,而非地理上的南北极。由于磁偏角的存在,使得指南针指示的南北方向并非正南正北,而是有所偏离,偏离的角度就是磁偏角。

    磁偏角在地球不同地区的大小不同,但在我国境内的磁偏角一般情况下为2-3度,最大不超过6度,由于方向偏差很小,基本不影响南北方向的判断和使用。

    宋代科学家沈括在其名著《梦溪笔谈》中首次明确记载了磁偏角现象:

    方家以磁石磨针锋,则能指南,然常微偏东,不全南也。

    宋代制造指南针的方法

    宋人对磁场规律的认识,是制造和完善指南针的基础,促使宋代指南针制造技术有了长足进步。

    宋代的指南针五花八门,根据指南针是否需要依靠水来运行使用,可以分为“用水的”、“不用水的”两大类,也称“水罗盘”、“旱罗盘”,两种罗盘原理相同,都是利用地磁效应。

    古代不同样式的指南针(罗盘)

    (一)指南鱼

    北宋官方编纂的军事巨著《武经总要》中详细记载了当时制造“指南鱼”的一种方法:

    “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。

    这种制造“指南鱼”的方法有三个要点:

    1、“置炭火中烧之”,是通过加温促进分子运动,使铁磁物质中的“磁畴”增加动能,使它们在地球磁场的作用下由原始混乱状态变成规则排列;

    2、“蘸水盆中”,将加热至赤红的鱼尾浸入冷水中,通过急速冷却让排列规则的磁畴固定下来;

    3、“以尾正对子位,没尾数分则止”,让鱼尾正对北极且略向下倾斜,是为最大程度利用地磁感应,使之最大程度地磁化。

    《武经总要》记载的指南鱼“用时置水碗于无风处,平放鱼在水面令浮,其首常南向午也”,需要借助水,将其浮在水面上,鱼头所指方向就是南方,但这种磁化方法获得的磁性比较弱,实用性比较差,所以宋人不断对其改善,发明了“指南针”。

    编辑

    宋代发明的指南鱼

    (二)指南针

    指南鱼以薄铁皮裁剪为鱼形,再通过加热冷却磁化,有两个缺陷,一是磁性弱,二是铁鱼重。

    北宋著名政治家、科学家沈括的《梦溪笔谈》记载说“方家以磁石磨针锋,则能指南”

    磁针相比指南鱼,有三大优点:

    1、以磁石磨成,磁性很强;

    2、细针形,易于漂浮,精确性高;

    3、无须加热、淬火,工艺简单。

    磁针是有了,具体该如何安置和使用?沈括记载了三种方法及其优缺点:

    1、水浮法:跟指南鱼一样,浮在水面上,缺点是依赖于水,而“水浮多荡摇”,不稳定。

    2、指爪及碗唇法:把磁针放在指甲边缘或碗口边沿上,优点是“运转尤速”,但“坚滑易坠”,容易滑落。

    3、缕悬法:在磁针中部涂抹一点点蜡,蜡上粘一根蚕丝,悬挂在安静无风的地方,磁针受磁场作用影响,在静止状态下便可指使南北方向,原文记载如下:

    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。

    沈括综合比较了三种方法,认为“缕悬为最善”,而后两种都不需要水,可归类为“旱罗盘”。

    沈括及其《梦溪笔谈》

    (三)指南龟

    生活在宋末元初的陈元靓,在笔记《事林广记》中记载了一种“指南龟”的做法:

    “以木刻龟子一个,一如前法制造,但于尾边敲针入去,用小板子上安以竹钉子,如箸尾大,龟腹下微陷一穴,安钉子上拨转常指北,须是钉尾后。”

    指南龟的设计十分精巧,先用木头刻一只乌龟,然后在龟体中以首尾方向放入一根条形磁石,以黄蜡将龟体内填满,此时乌龟就变成了一只“磁龟”;然后在乌龟尾部敲入一铁针与磁石末端相连,把木龟支在竹针上转动,待乌龟受磁场影响静止后,体内磁石呈南北方向,龟尾的针指向南。

    指南龟造型精美,但制作比较复杂,因此在当时多用于幻术,并未被大量应用。

    宋代的指南龟结构图

    (四)罗盘

    初期的指南针大多没有用于固定磁针的方位盘装置,所以懈怠和使用起来不是特别方便,但随着指南针应用越来越多,人们很快就将方磁针和方位盘结合起来连为一体,发展为“罗盘”。

    罗盘有水罗盘、旱罗盘两种。

    水罗盘比较简单,一般在“磁针浮水”基础上略加改造制成。

    旱罗盘不需要依赖水,亦称罗经盘,罗盘以木刻成,一般为圆形,刻有方位,与安置在盘中央的磁针配合使用,前文所述的“指南龟”,可以说是古代旱罗盘的鼻祖。

    指南针的重大意义

    指南针在宋代发明以后,很快得到了广泛应用。

    宋代的造船业、航海业高度发达,船只航行在茫茫大海上,最怕迷失方向,客观上需要一种可靠的指南工具,而指南针(罗盘)制造简单,携带方便,准确可靠,迅速成为航海必备神器。

    到南宋时,所有远洋海船都配备了指南针,宋人赵汝适所著笔记《诸蕃志》记载:

    渺茫无际,天水一色,舟舶往来,唯以指南针为则,昼夜守视唯谨,毫厘不差,生死系矣。

    海上丝绸之路在宋代达到顶峰,我国的航船可远涉重洋,最远抵达地中海和非洲沿岸,不仅促进了东西方的经济文化交流,还把指南针带到了欧洲,促进了大航海时代的到来。达伽马、哥伦布、麦哲伦等大航海家们,之所以能完成环球旅行和发现美洲大陆的冒险,指南针发挥了极其重要的作用。

    大航海时代

    从这个角度来看,说小小指南针改变了人类文明进程,一点也不夸张。正因为如此,马克思才在《机器、自然力和科学的应用》一书中说:“罗盘(指南针)打开了世界市场并建立了殖民地。”

    结语

    小小一个指南针,见证了我国古代人民的智慧,改变了人类文明的进程,这是世所公认的伟大成就。鲁迅先生说过“中国人发明了指南针,外国人用来航海,中国人却用来看风水”,这个评价只是针对实行“海禁”的明朝和“闭关锁国”的清朝而言。尽管我们的科学技术在近代落后了,但不必妄自菲薄,只要我们充分发挥自己的智慧,我们的科学技术必将重返世界最顶尖的国家之列。

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