宋代如何製造「指南針」?一個小小指南針,見證了古人智慧

導語

造紙術、印刷術、指南針、火藥，我國古代的「四大發明」隨著絲綢之路傳播到全世界，深刻影響了人類歷史的發展進程。在技術水平有限的情況下，古人是如何製造指南針的？小小一個指南針，看似無足輕重，卻見證了我國古代人民的智慧，促進了大航海時代的到來。

古代指南針（羅盤）

指南針的發展簡史

四大發明中，指南針是最不起眼的，卻經歷了最漫長的演變過程。

1、指南車：純粹的機械傳動裝置

相傳4000多年前，中華民族的始祖黃帝便發明了用於指南的工具——指南車。

與後來利用地磁效應的指南針不同，指南車並不利用磁性，它是一種純粹的機械裝置。指南車上樹著一個木人，只要在出發之前將木人的手指向南方，無論接下來車子轉向何方，木人的手都會始終指向指南車出發時設定的南方，所謂「車雖回運而手常指南」。

指南車的技術核心是一套齒輪傳動系統和離合裝置。儘管指南車有4000多年的悠久歷史，但它的存在僅限於史料上的簡單文字記載，並沒有確切的結構設計資料。從現存史料看，一直到了宋代，《宋史·輿服志》才詳細記載了指南車的結構和製造規範，後人根據這一規範仿製了指南車。

指南車結構圖

2、司南：天然磁石的指南工具

由於機械裝置設計比較複雜，指南車並未得到廣泛應用，2000多年前，我國人民發明了司南。

《古礦錄》記載，戰國末年，河北磁山一帶的人們發現當地的一種石頭可以吸鐵，這便是磁石的特性。後來，人們根據這一特性將磁石打磨成一把勺子，用於指示南北方向。

但很多學者對司南的真實性提出質疑，因為司南不像指南車那樣有明確的技術規範，成書於漢代的《論衡》說「司南之杓，投之於地，其柢指南」，這已經是對「司南」及其功能最完整的記載了。

我國現代歷史學家王振鐸復原過司南，一度被中國歷史博物館收藏展覽，我們常見的司南就是他復原的模型，但他復原的司南並非根據史料記載的技術規範製造，而完全利用現代科學技術復原而成，2000年前的人們根本不具備這種技術。迄今為止，使用原始手工技術製造司南的努力都是失敗的。

古代司南（復原模型圖）

宋代對磁場規律的認識

我們現在知道，指南針是利用地球磁場原理製造的。但古代科學知識不發達，人們並沒有總結出磁場規律，是通過觀察一些日常生活現象，對現象背後蘊含的科學規律進行了探索和應用。宋代是我國古代科學知識發展的一個高峰，在宋代史料中，保存了很多當時人們對磁場現象的記載。

1、宋人對靜電感應的認識

宋人張邦基在其筆記《墨莊漫錄》中記載：

「孔雀毛箸龍腦香則相綴。禁中以翠尾作帚，每幸諸閣，擲龍腦以闢穢。過則以翠尾掃之，皆聚，無有遺者，亦若磁石引針、琥珀拾芥，物類相感也。」

還記得我們小學學過的科普知識嗎？玻璃棒和絲綢、橡膠棒和毛皮摩擦都會產生靜電。從上述記載來看，古人雖然沒有向孩子普及這類知識，但他們對靜電感應現象還是有認知的。

2、宋人對磁力特性的認識

張邦基提到了「磁石引針」，對磁石能吸鐵，古人在兩千多年前就有認識和利用，但宋人進一步認識到，磁石吸鐵這種特性（也就是磁力）可以不被鐵磁以外的其他物質阻隔。宋人張君房在他的筆記《雲笈七籖》中記載說「磁石吸鐵，間隔潛應」，就是對磁力特性的清晰描述。

磁偏角示意圖

3、宋人對磁偏角的認識

我們現在知道，地球是一個天然磁體，擁有強大的磁力，但地球不是一個完美的球形，而是一個不完美的近似球形，而且地球的南北磁極與地理上的南北兩極並不完全重合，兩者有一定偏差，所以便有了「地磁子午線」與「地理子午線」的交叉，二者之間的夾角稱為磁偏角。

磁偏角對指南針有什麼影響？

很簡單，指南針利用地球磁場影響製造的，用於指示南北方向，因此它指示的南北方向是南北磁極的南北，而非地理上的南北極。由於磁偏角的存在，使得指南針指示的南北方向並非正南正北，而是有所偏離，偏離的角度就是磁偏角。

磁偏角在地球不同地區的大小不同，但在我國境內的磁偏角一般情況下為2-3度，最大不超過6度，由於方向偏差很小，基本不影響南北方向的判斷和使用。

宋代科學家沈括在其名著《夢溪筆談》中首次明確記載了磁偏角現象：

方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也。

宋代製造指南針的方法

宋人對磁場規律的認識，是製造和完善指南針的基礎，促使宋代指南針製造技術有了長足進步。

宋代的指南針五花八門，根據指南針是否需要依靠水來運行使用，可以分為「用水的」、「不用水的」兩大類，也稱「水羅盤」、「旱羅盤」，兩種羅盤原理相同，都是利用地磁效應。

古代不同樣式的指南針（羅盤）

（一）指南魚

北宋官方編纂的軍事巨著《武經總要》中詳細記載了當時製造「指南魚」的一種方法：

「以薄鐵葉剪裁，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，沒尾數分則止，以密器收之。

這種製造「指南魚」的方法有三個要點：

1、「置炭火中燒之」，是通過加溫促進分子運動，使鐵磁物質中的「磁疇」增加動能，使它們在地球磁場的作用下由原始混亂狀態變成規則排列；

2、「蘸水盆中」，將加熱至赤紅的魚尾浸入冷水中，通過急速冷卻讓排列規則的磁疇固定下來；

3、「以尾正對子位，沒尾數分則止」，讓魚尾正對北極且略向下傾斜，是為最大程度利用地磁感應，使之最大程度地磁化。

《武經總要》記載的指南魚「用時置水碗於無風處，平放魚在水面令浮，其首常南向午也」，需要藉助水，將其浮在水面上，魚頭所指方向就是南方，但這種磁化方法獲得的磁性比較弱，實用性比較差，所以宋人不斷對其改善，發明了「指南針」。

宋代發明的指南魚

（二）指南針

指南魚以薄鐵皮裁剪為魚形，再通過加熱冷卻磁化，有兩個缺陷，一是磁性弱，二是鐵魚重。

北宋著名政治家、科學家沈括的《夢溪筆談》記載說「方家以磁石磨針鋒，則能指南」。

磁針相比指南魚，有三大優點：

1、以磁石磨成，磁性很強；

2、細針形，易於漂浮，精確性高；

3、無須加熱、淬火，工藝簡單。

磁針是有了，具體該如何安置和使用？沈括記載了三種方法及其優缺點：

1、水浮法：跟指南魚一樣，浮在水面上，缺點是依賴於水，而「水浮多蕩搖」，不穩定。

2、指爪及碗唇法：把磁針放在指甲邊緣或碗口邊沿上，優點是「運轉尤速」，但「堅滑易墜」，容易滑落。

3、縷懸法：在磁針中部塗抹一點點蠟，蠟上粘一根蠶絲，懸掛在安靜無風的地方，磁針受磁場作用影響，在靜止狀態下便可指使南北方向，原文記載如下：

取新纊中獨繭縷，以芥子許蠟，綴於針腰，無風處懸之，則針常指南。

沈括綜合比較了三種方法，認為「縷懸為最善」，而後兩種都不需要水，可歸類為「旱羅盤」。

沈括及其《夢溪筆談》

（三）指南龜

生活在宋末元初的陳元靚，在筆記《事林廣記》中記載了一種「指南龜」的做法：

「以木刻龜子一個，一如前法製造，但於尾邊敲針入去，用小板子上安以竹釘子，如箸尾大，龜腹下微陷一穴，安釘子上撥轉常指北，須是釘尾後。」

指南龜的設計十分精巧，先用木頭刻一隻烏龜，然後在龜體中以首尾方向放入一根條形磁石，以黃蠟將龜體內填滿，此時烏龜就變成了一隻「磁龜」；然後在烏龜尾部敲入一鐵針與磁石末端相連，把木龜支在竹針上轉動，待烏龜受磁場影響靜止後，體內磁石呈南北方向，龜尾的針指向南。

指南龜造型精美，但製作比較複雜，因此在當時多用於幻術，並未被大量應用。

宋代的指南龜結構圖

（四）羅盤

初期的指南針大多沒有用於固定磁針的方位盤裝置，所以懈怠和使用起來不是特別方便，但隨著指南針應用越來越多，人們很快就將方磁針和方位盤結合起來連為一體，發展為「羅盤」。

羅盤有水羅盤、旱羅盤兩種。

水羅盤比較簡單，一般在「磁針浮水」基礎上略加改造製成。

旱羅盤不需要依賴水，亦稱羅經盤，羅盤以木刻成，一般為圓形，刻有方位，與安置在盤中央的磁針配合使用，前文所述的「指南龜」，可以說是古代旱羅盤的鼻祖。

指南針的重大意義

指南針在宋代發明以後，很快得到了廣泛應用。

宋代的造船業、航海業高度發達，船隻航行在茫茫大海上，最怕迷失方向，客觀上需要一種可靠的指南工具，而指南針（羅盤）製造簡單，攜帶方便，準確可靠，迅速成為航海必備神器。

到南宋時，所有遠洋海船都配備了指南針，宋人趙汝適所著筆記《諸蕃志》記載：

渺茫無際,天水一色，舟舶往來，唯以指南針為則，晝夜守視唯謹，毫釐不差，生死系矣。

海上絲綢之路在宋代達到頂峰，我國的航船可遠涉重洋，最遠抵達地中海和非洲沿岸，不僅促進了東西方的經濟文化交流，還把指南針帶到了歐洲，促進了大航海時代的到來。達伽馬、哥倫布、麥哲倫等大航海家們，之所以能完成環球旅行和發現美洲大陸的冒險，指南針發揮了極其重要的作用。

大航海時代

從這個角度來看，說小小指南針改變了人類文明進程，一點也不誇張。正因為如此，馬克思才在《機器、自然力和科學的應用》一書中說：「羅盤（指南針）打開了世界市場並建立了殖民地。」

結語

小小一個指南針，見證了我國古代人民的智慧，改變了人類文明的進程，這是世所公認的偉大成就。魯迅先生說過「中國人發明了指南針，外國人用來航海，中國人卻用來看風水」，這個評價只是針對實行「海禁」的明朝和「閉關鎖國」的清朝而言。儘管我們的科學技術在近代落後了，但不必妄自菲薄，只要我們充分發揮自己的智慧，我們的科學技術必將重返世界最頂尖的國家之列。