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指南針是中國古代四大發(fā)明之一,古代叫司南,由司南、羅盤和磁針構(gòu)成。

指南針是古代漢族勞動人民在長期的實踐中對物體磁性認(rèn)識的結(jié)果。作為中國古代四大發(fā)明之一,它的發(fā)明對人類的科學(xué)技術(shù)和文明的發(fā)展,起了無可估量的作用。在中國古代,指南針起先應(yīng)用于祭祀、禮儀、軍事和占卜與看風(fēng)水時確定方位。

指南針的主要組成部分是一根裝在軸上的磁針,磁針在天然地磁場的作用下可以自由轉(zhuǎn)動并保持在磁子午線的切線方向上,磁針的南極指向地理南極(磁場北極),利用這一性能可以辨別方向,常用于航海、大地測量等方面。

戰(zhàn)國時期 ,我國人民已經(jīng)發(fā)現(xiàn)磁石指南北的特性,制出了“司南”。用司南確定準(zhǔn)確的時間。這些說明司南在當(dāng)時已在多方面得到應(yīng)用。

北宋時期 ,創(chuàng)造了人工磁鐵。有術(shù)士模仿司南的原理和特性,在印有方向的底盤上安裝由磁鐵打磨而成的鋼針,并使磁鋼針的尖端為南方,末端為北方,這種儀器被稱作“羅盤”。即羅盤是司南的升級版,現(xiàn)代指南針也是由羅盤簡化改造而來。

明清時期,明后期、清初時期,西方改造后的旱羅盤傳入中國,出現(xiàn)了中西合璧式旱羅盤。

十一世紀(jì)末或十二世紀(jì)初,11世紀(jì)末或12世紀(jì)初,中國船舶開始使用指南針導(dǎo)航。指南針應(yīng)用在航海上,是全天候的導(dǎo)航工具,彌補了天文導(dǎo)航、地文導(dǎo)航之不足,開創(chuàng)了航海史的新紀(jì)元。

羅盤和磁針的傳播,據(jù)推測大約在十二世紀(jì)末十三世紀(jì)初之際,先傳播到阿拉伯,然后又由阿拉伯傳入歐洲,后來歐洲演變出旱羅盤,再于明代時經(jīng)日本傳回我國。

指南針的原理是利用地球的磁場來確定方向。地球是一個大型的磁體,有兩個磁極——北極和南極。指南針利用地球磁場的特性,用指針指出磁北極的方向。地球磁場的方向是向下傾斜的,所以指南針總是指向磁北方向。

1、司南

司南是最早的磁性指向器�！八灸稀敝�稱,始于戰(zhàn)國（公元前475年—公元前221年）,終止于唐代（公元618年—公元907年）。因為司南古義不斷演化,使它與一系列的古代發(fā)明結(jié)下了不解之緣。

記載司南的最早的文獻是《鬼谷子》,其中寫道：“鄭人之取玉也,必載司南之車,為其不惑也�！�(謀篇)從《鬼谷子》中的記載可以看出,鄭人去“取玉”,必須要帶上司南,就是為了避免方向的迷失。

在提到司南的文獻中,王充的記述是最重要的,他明確指出：“司南之杓,投之于地,其柢指南。”(是應(yīng)篇)其中的“杓”是指勺子。具備這種“指南”性能的司南,應(yīng)是磁性指向器。但是,這里的“地”是指古代械盤中的“地盤”。械盤是秦漢時期發(fā)明的,用于游戲或占卜。在“地盤”的四周刻有24個方位,中心刻有象征北斗七星的標(biāo)志。中國現(xiàn)代著名的科技史家和文物復(fù)制專家王振鐸曾依據(jù)這些記載成功地復(fù)原了漢代的司南(如圖1所示)。

圖1司南模型(王振鐸復(fù)原)勺形司南尚無實物出土,但漢代畫像石上,有類似勺形司南形象的畫面(如圖2所示),這表明王充的記載應(yīng)該是可信的。在這幅石像中,可看到,畫面主體是魔術(shù)師和雜技演員在表演,上面一行人是貴族觀眾,右上角的小方臺上放著一個疑似司南的長柄匙(見畫面外小插圖),一個人在跪著觀察它。

圖2藏于蘇黎世里特堡博物館的漢代石浮雕(本圖引自李約瑟《中國科學(xué)技術(shù)史·物理學(xué)卷》)從所留下的材料看,利用磁石指極性的司南就是磁性指向器具有的最早的形制。

磁體定向裝置的出現(xiàn),就使人從靠觀察天體定向的被動性轉(zhuǎn)向靠地磁定向的主動性。人類最早的磁體定向裝置,是以天然條狀磁石制成的司南,它出現(xiàn)后在中國戰(zhàn)國末期(前三世紀(jì))而在漢代得到進一步的發(fā)展。司南儀的出現(xiàn)具有重要歷史意義,因為它是以與天文定向原理截然不同的磁學(xué)原理制成的新型導(dǎo)向裝置,在任何天氣條件下都能晝夜工作,迅速指出方向,操作簡便易于攜帶。

最初,“司南”指測影的表桿。如《韓非子·有度篇》說,“故先王立司南,以端朝夕�！薄岸顺�夕”即正東西,引申為確定東西南北方向。“立司南”來源于殷商甲骨文中的“立中”和戰(zhàn)國時的“立朝夕”,它們的意思都是立表以測日影。

2、磁勺

磁勺是一種天然磁石琢成的勺形指向器,當(dāng)它被發(fā)現(xiàn)的時候,其狀取法北斗七星,名稱則沿用“司南”。古文“司南”可以推定為磁勺的至少有《鬼谷子》、《論衡》、《玄覽賦》、《飄賦》四項記載�！端螘�·禮志》引《鬼谷子》曰：“鄭人取玉,必載司南,為其不惑也�！薄豆砉茸印ぶ\篇》至遲成書于西漢,或許是先秦之書,其中關(guān)于“鄭人取玉,必載司南”的傳說,暗示了磁勺與玉器業(yè)的聯(lián)系,甚難加工的磁勺應(yīng)是玉工高手的杰作。

東漢王充的的《論衡·是應(yīng)篇》說：“司南之勺,投之于地,其柢指南。”句中的“地”一般解釋為“地盤”,也可能是“池”字誤寫。這句話應(yīng)釋為：勺狀的司南,放在“地盤”上（或投入盛有適量液體（如水銀）的容器中）,它的勺柄必然自動指向南方。

此后,梁元帝蕭繹的《玄覽賦》說：“見靈烏之占巽,觀司南之候離�！碧祈f肇的《飄賦》說：“挹酒漿,則仰惟北（北斗）而有別；充玩好,則校司南以為可�！痹俅谓榻B了司南（磁勺）的功用和形狀。

磁勺的實物雖然迄今尚未發(fā)現(xiàn),但與此有關(guān)的文物至少有兩件。一是瑞士蘇黎世的Rietberg博物館中所藏的一塊公元114年的東漢畫像石,其右上角有一人正在觀測一件可能是“司南之勺”的東西。二是那志良《玉器通釋》上冊著錄的一件“司南佩”古玉器,此玉“長不過寸許,一端琢成一個小勺,一端琢成一個圓形的小盤,中間有一個橫穿�！薄八灸吓濉钡闹谱髂甏�不明,推測為唐代之物。

除了上述的表桿和磁勺之外,司南又是指南車、指南舟和報時刻漏的代稱。晉人葛洪所作的《西京雜記》中提到的“司南車”即半自動機械裝置指南車�！端螘�·禮志》記載：“晉代又有指南舟�！蹦铣�任昉的《奉和登景陽山》詩吟道：“奔鯨吐華浪,司南動輕枻�！痹娭械乃灸霞粗富始覉@池中的指南舟,可是,“指南舟”究竟怎樣導(dǎo)航,至今依然是一個迷。唐代大詩人杜甫的詠《雞》詩云：“氣交亭育際,巫峽漏司南�！币庵^夜半零時正,詩人恰聞司南的報時之聲。

3、磁針的發(fā)明

指南針的發(fā)明應(yīng)當(dāng)是在一個很漫長的時間中,慢慢地改進的結(jié)果,而不同時期的形式,應(yīng)以不同的形式出現(xiàn)。唐代堪輿家的活動相當(dāng)活躍,并開始強調(diào)方向的選擇,尋找比磁勺更方便的指向器成了當(dāng)務(wù)之急。于是指南鐵魚或者蝌蚪形鐵質(zhì)指向器及水浮磁針應(yīng)運而生。

活動于唐開元年間（713—741年）的山西堪輿家丘延瀚,被后世堪輿家推崇為堪輿術(shù)三針（正針、縫針和中針）中最早出現(xiàn)的正針法的創(chuàng)始人。明代雅好科技的寧獻王朱權(quán)則在其《神機秘籍》中說：“針法古無所傳,自昔玄真始制。”玄真即唐代浙江金華道家張志和（約730—約810年）,他的道號叫玄真子,所著《玄真子》十二卷,殘存三卷。從這殘卷中知道他頗好物理,但未找到與指南針或針法直接有關(guān)的記載。然而,這個道號不禁使人聯(lián)想到舊題晉崔豹所作的《古今注》中把蝌蚪稱為“玄針”。其文曰：“蝦蟇子,曰蝌蚪,一曰玄針,一曰玄魚,形圓而尾大,尾脫即腳生�！笔�世紀(jì)時馬縞的《中華古今注》中也有類似的記載。這項記載似乎把磁針與指南魚的發(fā)明和應(yīng)用從形狀和性能上聯(lián)系到了一起。

關(guān)于指南魚的制備方法,見于北宋曾公亮等利用前人資料編撰的《武經(jīng)總要》�！段浣�(jīng)總要》前集卷十五載其法曰：“用薄鐵葉剪裁,長二寸,闊五分,首尾銳如魚形,置炭火中燒之,候通赤,以鐵鈐鈐魚首出火,以尾正對子位,蘸水盆中,沒尾數(shù)分則止,以密器收之�！边@種方法利用地磁場使鐵片磁化,并知道魚形鐵片微向下傾斜對磁化有利,實際上已發(fā)現(xiàn)近代科學(xué)中所謂的磁傾角的影響。使用時,指南魚浮于水面,與水浮磁針的原理是一致的。

水浮磁針的制作方法首見于北宋沈括的《夢溪筆談》卷二十四,其文曰：“方家以磁石摩針鋒,則能指南�！边@種方家在實踐中總結(jié)出來的鋼針磁化法,經(jīng)過沈括之手公布于世,有力地促進了磁針在堪輿和航海兩大領(lǐng)域中的應(yīng)用和普及。指南針進入到實用磁針的階段,對裝置方法的研究提到了議事日程。沈括全面研究和比較了“水浮”法、置“指爪”法、置“碗唇”法及“縷懸”法的優(yōu)缺點,認(rèn)為“縷懸”法最佳�！捌浞ㄈ⌒吕k中獨繭縷,以芥子許蠟,綴于針腰,無風(fēng)處懸之,則針常指南。”現(xiàn)代磁強計中懸掛的小磁鐵,就采用了此相似的方法。磁針指的精度,與司南及指南魚不可同日而語,故磁針的發(fā)明,很快導(dǎo)致了磁偏角的發(fā)現(xiàn)。

五代亂世的《管氏地理指蒙·釋中第八》曰：磁針“體輕而徑所指必端應(yīng)一氣之所召,土曷中而方曷偏,較軒轅之紀(jì),尚在星虛丁癸之躔”。軒轅黃帝時代的磁偏角,作者以為尚在“星（午）虛（子）丁癸”方向,而當(dāng)時“針指坎離定陰陽之分野,格偏壬丙探僭越之津涯”。偏角變?yōu)槟掀珫|15°。

由于堪輿術(shù)的神秘性,中國唐宋堪輿著作在流傳中又相互影響,有所增刪,要從眾多早期堪輿著作中理出磁針、磁偏角以至羅盤的發(fā)明、發(fā)現(xiàn)年代,誠非易事,然而,北宋司天監(jiān)楊惟德于慶歷元年（1041年）奉命編撰的相墓大全《塋原總錄》卷一位磁偏角的發(fā)現(xiàn)訂定了下限。書中說：“客主的取,宜匡四正以無差,當(dāng)取丙午針,于其正處,中而格之,取方直之正也�！边@里明確地記載了“丙午針”,即后世沈括在《夢溪筆談》卷二十四中所說的磁針“常微偏東,不全南也”。在西方,直到13世紀(jì)才知道磁針偏南。1429年哥倫布（ChristopherColumbus,1451—1506年）橫渡大西洋時,正式測到磁偏角現(xiàn)象。

中國發(fā)現(xiàn)了元代水浮法指南針瓷碗。1959年,在遼寧旅順甘井子元代墓葬中出土了兩件磁州窯白釉褐花大碗,大碗內(nèi)底部彩繪兩個同心圓,圓內(nèi)繪并排的三點,中間一線相連。乍看此圖形似一個不規(guī)則的“王”字,故被稱為“王字紋碗”。碗外底圈足內(nèi)又墨書一個“針”字。經(jīng)科技史學(xué)家王振鐸先生研究證實,這種碗就是航海時指示方向所用的針碗。它的使用方法是這樣的：針碗的水面上漂著穿在浮漂上的磁針,碗內(nèi)底的“王”字形標(biāo)志則有助于標(biāo)明方向。先將“王”字中的細(xì)道與船身中心線對直,如船身轉(zhuǎn)向,磁針便和該細(xì)線形成夾角,從而顯示航向轉(zhuǎn)移的角度。類似的碗在江蘇丹徒照臨村元代窖藏和河北省磁縣漳河故道元代沉船內(nèi)都有發(fā)現(xiàn)。

4、羅盤的發(fā)明與西傳

磁針問世后,先后用于堪輿和航海。為了使用方便,讀數(shù)容易,加上磁偏角的發(fā)現(xiàn),對指南針的使用技巧提出了更高的要求,方家首先將磁針與分度盤相配合,創(chuàng)制了新一代指南針——羅盤。不過有些場合,碗中的水浮磁針仍在使用,故沈括《夢溪筆談》卷二十四稱“水浮多蕩搖”。江蘇、河北和遼寧旅大曾出土元代的不帶刻度的指南針專用針碗。當(dāng)航船還在使用浮針加針碗時,堪輿羅盤卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)地跑到了前面。

考古資料表明,堪輿家選擇墓穴采用二十四向表示法大約始于唐末。南唐何溥主持建徽城,看風(fēng)水時也用二十四向表示法。何溥所撰的《靈城精義》“理氣章正訣”中說,“地以八方正位,定坤道與輿圖,故以正子午為地盤,居內(nèi)以應(yīng)地之實�！碧煲允�二分野,正躔度之次舍,故以壬子丙午為天盤,居外以應(yīng)天之虛�！弊髡摺�時代不明的《九天玄女青囊海角經(jīng)》“理氣篇”中有一段幾乎相同的文字,兩者應(yīng)同出一源。

羅盤古稱“地螺”、“地羅”。南宋曾三聘的《因話錄》（作于公元1200年前后）“子午針”條說：“地螺,或有子午正針,或用子壬丙午間縫針�！痹�三聘是江西臨江俯峽江（今江西西清江）人。離峽江不遠(yuǎn)的江西臨川,于1985年出土了世界上最早的堪輿旱羅盤模型,正可與《因話錄》的記載相互印證。1985年5月,江西臨川南宋朱濟南墓（葬于1198年）出土了座底墨書“張仙人”的瓷傭一式兩件。風(fēng)水先生“張仙人”傭 ,左手抱一羅盤。值得注意的是,該羅盤的磁針與水羅盤的磁針根本不同,中部增大呈菱形,菱形中央有一明顯圓孔,明確現(xiàn)象地表示這是一種用軸支承的旱羅盤。

中國的磁針和羅盤先后經(jīng)由陸水兩路西傳,曾給人類的文明的進程帶來重大的影響。以前史學(xué)界認(rèn)為磁針在水中的水羅盤與指南針一脈相承,是中國的發(fā)明,但旱羅盤是歐洲所發(fā)明,16世紀(jì)才經(jīng)由日本船傳入中國。而今臨川羅盤證明：旱羅盤的發(fā)明權(quán)也屬于中國。

中國在12世紀(jì)已經(jīng)發(fā)明旱羅盤即現(xiàn)代指南針基本形式。經(jīng)過阿拉伯人有效改進后才傳入歐洲。但是歐洲現(xiàn)存關(guān)于指南針的記載早于阿拉伯,阿拉伯語中指南針（al-konbas）一詞也似源于古意大利語。近來在江西臨川一座葬于公元1198年的宋墓里發(fā)現(xiàn)一俑（標(biāo)寫“張仙人”）,手持一似風(fēng)水羅盤“亦是旱羅盤”物,有觀點認(rèn)為旱羅盤中國也可能早于西方使用,但可能先發(fā)明于江南沿海（如泉、廣）一帶應(yīng)用,故博學(xué)如沈括也未見到,今后尚須考古文物工作者努力。內(nèi)陸后世旱羅盤則多用于風(fēng)水羅盤和校時羅盤,如174/l189曾三異《同話錄》“地螺,或有子午正針,或用子午丙壬間縫針。天地南北之正,當(dāng)用于午�！薄暗芈荨笨赡苁且环N校時羅盤,主要用途是校時。

指南針在航海上的應(yīng)用對地理大發(fā)現(xiàn)和海上貿(mào)易有極大的促進作用。指南針的發(fā)明源于中國古人如何定向問題的研究,也表明古人對如何定向問題的重視,為此,指南針被譽為中國古代四大發(fā)明之一。古代中國人將指南針用于軍事和航海的活動,也被用于堪輿術(shù),后來還輾轉(zhuǎn)傳入歐洲,在歐洲的航海活動和地理大發(fā)現(xiàn)中,發(fā)揮了不可替代的重要作用。在航海技術(shù)發(fā)明中,指南針也是最重要的單項發(fā)明。