▲吳國盛
作者 吳國盛 （本號主編，清華大學人文學院教授）
責編 許小編 劉小編
古代中國人創造了自己獨特的科學技術體系。這些在中世紀最為耀眼奪目的科技成就通過阿拉伯人傳到歐洲之後，對歐洲的近代科學革命產生了重要的影響。特別是中國的四大發明，對整個世界近代文明和科學的發展作出了突出的貢獻。馬克思曾寫道：「這是預告資產階級社會到來的三大發明，火藥把騎士階層炸得粉碎，指南針打開了世界市場並建立了殖民地，而印刷術則變成新教的工具，總的說來變成了科學復興的手段，變成對精神發展創造必要前提的最強大的槓桿。」
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今天的社會生活也許不會讓人感到指南針的必要性。但正是在指南針的指引下，歐洲新興的資產階級在海外開闢了一個又一個貿易市場，使近代世界聯成一體。正是在指南針的指引下，哥倫布發現了美洲大陸，大大開闊了歐洲人的視野。航行需要辨向，但在茫茫的大海上、在一望無際的大沙漠中、在人跡罕至的深山老林裡，人們只能憑太陽和北極星辨向。若是烏雲遮住了星空和太陽，人們就會手足無措。古代中國人發明的指南針解決了這一問題，尤其為海上遠航創造了條件。
遠古時期中國有所謂「指南車」，它通過齒輪傳動使運動車子上某物保持固定指向。指南車純粹是一種機械裝置，與指南針沒有什麼關係（除了均為指向工具外）。指南針的基本原理是磁針的指極性。中國人早在公元前3世紀的戰國時期就已認識到這一點。《韓非子·有度》中提到「先王立司南以端朝夕」，表明那時已經有了磁性指向工具，而且被稱為「司南」。公元1世紀初東漢王充在《論衡》中有關於司南的詳細記載：「司南之杓，投之於地，其柢指南。」表明司南的形狀象一把湯匙，有一根長柄和光滑的圓底。司南由磁石製成，靜止時長柄所指方向為南方。司南可能是最早期的指南針。由於磁性指向工具常常被置於一個標有方位的地盤之上，因此早期指南針也被稱為「羅盤」。
▲司南模型。
天然磁石在強烈震動和高溫時容易失去磁性，而司南與地盤接觸的摩擦力又太大，所以指向效果並不很好。在司南之後，人們又進一步探索性能更穩定、攜帶更方便的磁性指向工具。公元1044年左右，北宋曾公亮和丁度在他們的軍事著作《武經總要》中提到了指南魚。這是一種用人造磁鋼片做成的魚形指向標。磁魚是這樣製造的：先用高溫使鐵片內部磁疇激活，置於地磁場中排序，再迅速冷卻使磁疇的有序排列固定。這種方法很符合物理學規律，但所得磁性較弱。指南魚浮在水上，可以自由轉動。
▲沈括像（圖片來自百度百科）。
指南針的製造技術在沈括（1031－1095）的《夢溪筆談》中最早得到系統闡述。沈括指出，在磁石上磨過的小鐵針具有較穩固的磁性，因此應採用這種人造磁針代替了天然磁石製造指向工具。沈括討論了磁針裝置的四種方法，即「水浮」、置「指爪」、置「碗唇」、「縷懸」。他認為，「水浮」法雖應用較廣，但「水浮多蕩搖」是一重大缺陷。置「指爪」和「碗唇」方法是指將磁針放在指甲或碗邊，這樣做雖然摩擦力很小，但太不穩定。只有「縷懸」法是比較好的。它是用細線將磁針懸吊，在無風的地方指向效果很好。南宋時期的陳元靚在其《事林廣記》中介紹了他製造的指南龜：木刻的指南龜內部裝上磁石，底部用一根極尖的竹針支撐，使其可以自由轉動。這種指南龜日後發展成旱羅盤。
▲《夢溪筆談》書影，出自孔夫子舊書網。
沈括在製造指南針的過程中還發現了「磁偏角」。他在書中寫道：磁針「常微偏東，不全南也」。這是磁學史上一個極其重要的發現，歐洲人直到400年後才有關於這一現象的記載。
指南針發明之後即開始在宋代的航海業中發揮作用。成書於1119年的《萍洲可談》中記錄了中國海船上使用指南針的情況：海員起初還只是在陰雨天使用，但到了宋代末期以及元代，不論晝夜陰晴都使用指南針導航，實現了全天候航行。
宋元時期，中國的對外貿易和海上交通十分發達。廣州、泉州、寧波、杭州都是對外港口。中國的船隻遠達大西洋沿岸，指南針正是這些遠航水手傳給阿拉伯和波斯的。通過他們，中國發明的航海羅盤為歐洲人所熟悉。13世紀初，歐洲開始有在航海中使用指南針的記載。
▲鄭和塑像，泉州海外交通史博物館，吳國盛攝。
指南針的發明使中國的航海事業在中世紀達到了世界最高水平。早在公元842年，李鄰德就曾駕駛木帆船從寧波啟程沿海岸北上，經山東、遼寧和朝鮮到達日本。次年，李處人開闢了由日本嘉值島直達浙江溫州的新航線。1281年，鄭震率商船從泉州出發，經3個月到達斯裡蘭卡。以後多次在印度洋上航行。明代鄭和（1371－1435）於15世紀初七下西洋（指南洋群島和印度洋一帶），所率艦隊大小船隻達200多艘，人員達兩萬多，其規模之大遠勝半個世紀之後的哥倫布和達·伽馬。哥倫布的隊伍橫渡大西洋時只有88人，分乘3隻長19米的小船。達·伽馬也只有一百多人，4隻船，而鄭和的船隊中長度超過100米的大船就有50多艘，足見當時造船技術之高明。當時使用的航海技術、航海儀器也是世界上最先進的。鄭和所用的航海儀器包括羅盤、測深器和牽星板。牽星板是為計算船舶夜間所在的地理緯度而觀測星辰（主要是北極星）地平高度的儀器。運用這些儀器，鄭和詳細繪製了航海地圖，其中記載了沿岸地形、停泊位置以及航向、航程、牽星記錄和水深等數據，是世界航海史上的傑作。
【本文原載於《科學的歷程》；版本信息：第一版：湖南科學技術出版社，1995年12月；第二版：北京大學出版社，2002年10月；第三版：湖南科學技術出版社，2013年8月。轉載請聯繫作者獲取授權，並註明出處。】