黃興製作的磁石勺
天然磁石
王振鐸製作的磁石勺 黃興供圖
■本報記者 胡珉琦
前段時間，因為「張衡候風地動儀被歷史教材刪除」的烏龍事件，再次引發了對復原古代科技史上的技術發明一事的討論。中科院科學史所副研究員黃興收到不少類似的「疑問」，早期的指南針——司南是否也會從歷史教科書中消失？而他完成不久的博士後課題正是「天然磁石勺『司南』實證研究」。
司南在歷史上是否真的存在，以什麼形態存在，科學史界時有爭議。黃興認為，進不進教科書不是學術研究該糾結的問題。在歷史文獻記載不夠詳細和考古資料不足的情況下，科學的實證研究是解決這一問題研究的重要途徑。
爭議漩渦裡的「司南」
指南針是我國古代科技領域的重大原創性發明，科學史研究者首先關心的是，它究竟出現在什麼時候。
晚唐段成式的《酉陽雜俎》及同時期的多部文獻記載了利用磁化的針來指向。進入北宋，指南針的記載更加豐富。北宋沈括《夢溪筆談》記載：「方家以磁石磨針鋒，則能指南。」又介紹了水浮、指甲旋轉、碗唇旋定、縷懸四種方法；朱彧《萍洲可談》記載將指南針用於航海。
然而，研究者並不滿足於這個認識。在先秦文獻中，有不少關於磁石可以互相吸引、排斥和吸鐵的記載。在唐代之前，有沒有磁性指向工具，可能是什麼樣子的？在這個問題上，學者們有近百年的學術探索。
1928年，青年歷史學家張蔭麟提出，東漢王充《論衡·是應篇》「司南之杓，投之於地，其柢南指」中記載的 「司南」很可能是東漢最新發明的磁性指向器。
1945年，中國博物館學家、科技史學家王振鐸先生提出「磁石勺—銅質地盤」的司南復原方案。
之所以稱之為「磁石勺」，是因為王振鐸基於對《論衡》中那句話的理解——如勺之司南，投放於地盤之上，勺柄指南。王振鐸還用天然磁石製作了多件磁石勺，大都可以準確指南。
這一工作在當時引起巨大的反響。如今，人們最常見的那幅畫著長勺的「司南」圖像就來自於此。但這一方案也受到不少質疑。首先，考古界至今未發現古代磁石勺實物，只能依靠文獻考訂。可偏偏早期關於「司南」文獻記載都只有寥寥數語，「司南」一詞的具體指代不明確。
有學者提出有的古代文獻中的「司南」指的是指南車，有的可解釋為北鬥、官職、權力、命運等。就這一點來說，學界長期未達成共識。
再者，國家博物館不再展出當年王振鐸製作的磁石勺，有人對王振鐸製作的磁石勺「司南」模型實物也提出了疑問，諸如磁石勺是否可以在地磁場作用下指南轉動，製作過程中是否使用了現代的製作技術等。
1987年中科院自然科學史研究所研究員林文照對王振鐸的磁石勺作了指向測試，證明其中兩件具有良好的指向性。但其他研究者未能用天然磁石再次製作磁石勺；也沒有講明白為什麼王振鐸的磁石勺可以指南，而別人的不行，導致這個問題沒有令人信服的答案。
2014年，剛到中科院自然科學史所進行博士後研究的黃興接到合作導師、中科院自然科學史所所長張柏春選定的課題——以實驗方法，再次復原磁石指向器。這也算是對王振鐸復原方案的科學性作進一步的判斷。
為什麼磁石勺可以有效指南？如果我們能做到，古人能否做得到？利用磁石製作指向器有哪些可行性方案？哪種最貼合古代記載？唐朝以前是否可能存在磁指向器，有沒有歷史依據或否定性證據？
黃興認為，如果這些問題都能被一一解決，不僅可以印證古文獻的記載，還可以說明漢代存在天然磁石指向器的可能性。
實證研究的過程
張柏春在給黃興提供的研究思路中，最關鍵的一步是找到足夠剩餘磁化強度的磁石，因為這關乎復原品的指向性能。顯然，黃興的首要工作就是尋找天然磁石。
究竟什麼是磁石，是需要澄清的。黃興發現，過去研究依據化學成分來界定，將磁石與磁鐵礦等同起來，這是錯誤的。
界定的標準應該還原到古代情景下，即依據古人可直接觀察的礦石的表觀物理屬性。他解釋，那些能夠吸引礦石碎屑的、極具有顯著剩餘磁化強度的鐵礦石才算磁石；只有少部分磁鐵礦、磁赤鐵礦和磁黃鐵礦滿足這一標準。磁石的剩磁是從高溫緩慢冷卻時，通過熱剩磁效應獲得的，其磁化過程經歷了數百萬年。個別研究用通電線圈模擬地磁場，在常溫下磁化任意鐵礦石，這當然不能代表天然磁石。
在研究開始的前半年時間裡，黃興都在做野外調查。
根據古文獻記載，天然磁石最大的外部特點就是表面會吸附很多礦石碎屑，看上去就像長了一層毛。幾經周折，他最終在河北省張家口市龍煙鐵礦區內找到了這種長相奇特的石頭。
那麼，與古人可利用的磁石相比，這些磁石的剩磁到底如何？
黃興用吸鐵測試的方法與古代文獻記載特別是南朝劉宋《雷公炮炙論》等記載的磁石吸鐵能力相比較，表明這批磁石處於中上等的層次。
過去，有觀點認為，加工會使天然磁石的磁化強度大大減弱，導致磁石不能指向。磁石是否會退磁，能否用準確的磁矩數據來說明？黃興再次遇到了研究難點。
磁石的外形不規則、磁化不均勻，長度約10釐米；還要在加工過程中多次測量其磁矩。現有的測量磁矩裝置要麼要求樣品為規則外形，要麼樣品長度必須小於1釐米。
經過反覆調研，沒有找到可用的設備。黃興只能用最笨的辦法，自己動手製作一個磁石磁矩測量裝置。從設計、製作、改進、定型到性能測定，前後經歷了一年的時間。好在，他終於完成了這個裝置，性能達到了研究的需求。
接下去是加工環節。同樣根據文獻記載，黃興認為，先秦之前，古人已經具備切割、琢磨石料的工藝，將磁石加工成勺狀並拋光底部都不存在技術困難，而且製作效率還逐步提高。於是，他仿照古代工藝，用電動坨具和水冷的方式，低速摩擦切割，製作了多枚磁石勺。
經過測量，黃興發現，磁石勺成型後短時間內磁化強度略有降低（約20%）。他持續監測了兩年多，磁石勺的磁化強度始終穩定在這一水平。
就在採訪現場，這些磁石勺接受指向測試時，只要用適當的力觸動勺柄，勺體就會在地磁場力作用下轉動，勺柄最終指向南方，偏差在正常範圍之內。甚至在水磨石地面上、有些顆粒感的硬桌面上，也都可以準確指向。「所以，『司南之杓，投之於地，其柢南指』中的『地』完全可以解釋為地面。」黃興說，「王振鐸所用磁石的剩磁還不是足夠好，所以他不得不設計了光滑的青銅地盤，這也使得他受到了一定的詬病。」
張柏春告訴《中國科學報》記者，為了使這項實證研究更完整，還須考慮到古地磁場的影響因素。
指南針之所以能有指向性，是受到了地磁場在水平方向的分量的作用。後者取決於地磁場總量和地磁傾角。
有意思的是，黃興根據中科院地質與地球物理所等機構的實測文獻發現，兩千多年來，北京、洛陽、天水的地磁場水平分量都呈顯著M形變化，峰值幾乎是谷值的兩倍多。公元前4世紀至公元6世紀初為高峰期，而北宋和現代則處於低谷期。而《論衡》成書的時代正處於高峰期。
因此，黃興製作了一個適用的大型亥姆霍茲線圈來模擬古地磁場，實測表明在漢代地磁環境下，磁石勺能夠更加快速定向，指向更加精準。
除此之外，針對磁石指向器是否必須是勺狀，有沒有其他可行方案等疑問，黃興還嘗試了懸吊、水浮和用其他勺體盛放磁石等多種方案。他表示，部分其他方案也是可行的；但從技術可行性和外觀品相來看，勺狀方案都是最優的。
磁石應用起源的文化內涵
值得一提的是，在這項研究開始前，黃興曾找到王振鐸的家人，看到了尚存的3枚磁石勺。在獲得允許之後，他便對其進行了測試，其中較小的兩枚是可以指南的。而其他研究者未能重複該實驗，他認為，主要是因為沒找到合適的天然磁石。
「通過這項研究，我們可以認為，在漢代至唐代的資源、地磁環境和知識背景下，實現磁性指向並不存在困難，而且有多種方法可以實現。其中，從指向效果、外觀品相和與文獻的貼合度來看，『磁石勺』可以被視為最佳的復原方案。」黃興表示，「至於《論衡》中的『司南』是否一定是磁石勺，漢代是否真實存在磁性指向技術，最終還需要等待古代遺物或者找到更翔實的古文獻記載等證據。」
科技史對於古代技術發明的研究，其實並不局限於這項技術本身。在他看來，每一項技術出現的背後，必定與其所在歷史階段的社會發展息息相關，研究者還關注究竟有什麼智慧和文化內涵貫穿其中，從而更全面地還原當時的歷史圖景。
黃興還認為，公元前7世紀前後已經有關於磁石的許多記載，這與鋼鐵業的興起密不可分。「到戰國後期，方士們想盡辦法把磁石製品包裝成各種神器，設計方術，來『忽悠』統治者。」
除此之外，在民間，方士們還將磁性技術在內的各種方術與儒家學說相結合，與風水、喪葬等禮俗文化相結合，「從而構建了虛虛實實、玄而又玄的禮儀程序，充分滿足事主們的心理需求」。
相關論文信息：
天然磁石勺「司南」實證研究.《自然科學史研究》第36卷第3期（2017年）：361-386
中國指南針史研究文獻綜述.《自然辯證法通訊》，第39卷第1期（2017）：85-94
《中國科學報》 (2018-11-09 第3版 科普)