中国古代物理学-指南针
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时间：2015-01-29
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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。
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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