从天然磁石到指南针——中国古人对磁的感性认识和科学萌芽
早在1550年，意大利数学家杰罗姆·卡丹（Jerême Cardan）第一个提出指南针、印刷术和火药是中国的“三大发明”，认为它们是“整个古代没有能与之相匹敌的发明”。19世纪下半叶，艾约瑟（Joseph Edkins）和丁韪良（William Alexander Parsons Martin）等来华传教，将造纸术、印刷术、火药和指南针并列为中国的卓越发明。1943年，英国学者李约瑟（Joseph Needham）在重庆提出了造纸术、印刷术、指南针和火药为中国古代“四大发明”的说法。这个说法一时间轰动了整个中国，进而逐渐被世界广泛认可。
杰罗姆·卡丹、丁韪良、李约瑟
在教科版小学《科学》教科书二年级下册的首页，描绘了一幅中国古人在茫茫大海上航行、依靠指南针辨别方向的场景。指南针是我国劳动人民在长期生活实践中，随着对物质磁性认识的不断深入，并经过多方实验和研究，发明的用于指向的磁性工具。
北宋的沈括是一位政治家和科学家。他出生在浙江杭州钱塘县（现在的浙江杭州），从小就跟随父亲游历各地，仔细观察了各地的地理形势、山川道路和人文风俗，并进行了详细的记录。沈括在数学、物理、化学、天文、地理、水利、医药和艺术等方面都有很深的造诣和卓越的成就，被李约瑟誉为“中国整部科学史中最卓越的人物”。沈括在他晚年的著作《梦溪笔谈》中，记录了人工磁化的方法，总结了指南针的四种使用或安装方法：指甲旋定法、碗唇旋定法、水浮法和缕悬法。此外，沈括还指出，指南针不指正南，而“常微偏东”，这表明他已发现了地磁偏角的存在。沈括的系统总结和科学实验，极大地推动了指南针的发展和应用。11世纪末到12世纪初，中国船舶开始使用指南针导航。12世纪末到13世纪初，指南针传入阿拉伯，后来辗转传入欧洲，直接应用于欧洲后来的航海活动和地理大发现。指南针的发明对推动人类文明的进步起到了不可估量的作用。
《梦溪笔谈》中记述的四种磁针使用方法
1.磁石若只如初见
早在春秋时期，中国劳动人民在找矿时就发现了天然磁铁矿，即磁石，并发现了这种神奇的黑色石头具有吸铁特性。《管子·地数篇》中就记载着：“上有慈石者，下有铜金。”《吕氏春秋·精通》中就有“慈招铁，或引之也”的记载。既然磁石能吸引铁，那么它是否可以吸引其他金属呢？西汉《淮南子》中记载：“若以慈石之能连铁也，而求其引瓦，则难矣。”“慈石能吸铁，及其于铜则不通也。”说明在汉代时我们的先民已经认识到磁石只能吸铁，但不能吸引金、银、铜等金属和砖瓦之类的物品。
天然磁石
中国古人很早就将磁石的磁性用于军事，成功将磁性用于战争的记载则来自《晋书·马隆传》。公元279年，马隆在一次战役中，在敌人必经的狭窄道路两旁堆放磁石。身穿铁甲的敌兵路过时，被磁石吸住，而马隆的兵将身穿犀甲，行动如常。敌人以为神兵，故而大败。在医药上，中国古人也利用了磁石的性能。晋代有用磁石吸出体内铁针的病案。
在生活实践中，中国古人还观察到两块磁铁放在一起相互靠近时，有时候互相吸引，有时候相互排斥的现象。在西汉时期，有一个名叫栾大的方士还利用磁石的这个性质做成“斗棋”，献给当时的皇帝——汉武帝刘彻，并当场演示，通过调整两个棋子的相互位置，让二者相互吸引或排斥。汉武帝看过表演后惊奇不已，龙心大悦，竟封栾大为“五利将军”。
在对磁性的认识过程中，中国古人还观察到磁石具有指向性，并逐渐掌握了人工磁化制作指南鱼和指南针的方法。传统观点认为，指南针的原型大约出现在战国时期，是将天然磁石磨成勺形放在光滑的平面上，在地磁场的作用下，勺柄指南，故名司南。唐宋时期，由于堪舆学的发展及其强调对方向的精准识别，极大地推动了寻找制作比天然磁石更灵敏、更轻便的磁指向器。于是，指南鱼或蝌蚪形指南铁器及水浮铁针应运而生。北宋时曾公亮与丁度编撰的《武经总要》详细记载了指南鱼的制作方法及其使用方法：把薄铁片剪成鱼形，烧红后将尾部浸入水中，使鱼尾指向正北方位，并且稍微向下倾斜，然后取出，这样鱼形薄铁片就被磁化了。让磁化后的鱼形薄铁片浮在水面，就成为可以指向的指南鱼。
《武经总要》记载的水罗盘“指南鱼”复原图，潘吉星复原（2001）
指南鱼的制作是一个非常了不起的发现和发明，包含丰富的科学道理：当铁片烧至通红，温度超过其居里温度点（Tc）时，磁畴瓦解，其铁磁性消失，变成顺磁性；随后在水中逐渐冷却到居里温度点以下时，鱼尾正对子位（北方），在地磁场作用下，磁畴重新形成且具有方向性，因而被磁化。而且，知道将鱼形铁片微向下倾斜对磁化有利，表明中国古人已经发现并开始利用地磁倾角（地磁场对水平面的倾角）。
值得注意的是，近年来有学者提出中国古代的司南可能并不是磁指向器，而是利用机械传动系统来指明方向的指南车。现在广为大众所熟悉的“司南”是一把磁勺放在一个铜盘上的造型，确切的出现时间是20世纪40年代末，是我国著名科技史学家王振铎根据明嘉靖通津草堂本流传下来的东汉时期思想家王充写的《论衡》中“司南之杓，投之于地，其柢指南”的记载，考证后制作的模型。1952年，按照这个磁勺“司南”造型，中国科学院物理研究所的钱临照找来最好的磁石，请人雕琢出一把造型优美的天然磁石器物。因为“司南”代表了中国古代科学成就，被时任中国科学院院长郭沫若作为访问苏联的外交礼品。然而，按照这个造型制作出来的磁勺并不能指南。2005年，中国国家博物馆考古学者孙机根据对前北平历史博物馆旧藏残宋本《论衡·是应篇》的考证提出，“司南之杓”的“杓”字实为“酌”，而且这个“酌”字一直至元本都没有改变。这样一来，“司南之酌，投之于地，其柢指南”的现代汉语解释就成了：“使用司南车，把它放置在地上，其横杆指向南方。”也就是说，司南其实指的是指南车，是一种木制的、靠机械结构的运动来固定指向的器物。如果孙机的论点正确，就说明司南与天然磁石指南无关了。需要指出的是，古人制作司南和指南车的技术均已失传，也没有留下实物。因此，有关司南是最早的指南针还是指南车，还有待进一步的考古学研究证实。
汉代司南的新复原图，潘吉星复原（2002）
2.柳暗花明定海针
真正中国古代磁学知识和指南针技术的集大成者是北宋时期政治家、科学家沈括。沈括在《梦溪笔谈》卷二十四《杂志一》中写道：“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。水浮多荡摇，指爪及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬为最善。其法取新纩中独茧缕，以芥子许蜡缀于针腰，无风处悬之，则针常指南。其中有磨而指北者。予家指南、北者皆有之。”这条记载概括了沈括对磁学的四大主要贡献。
（1）指出指南针是方家（堪舆家）首先发明和使用的，是以天然磁石去摩擦钢针使其带上磁性，从而在地磁作用下保持指南或指北性能。与天然磁石磨制而成的司南和采用地磁场磁化制作的指南鱼相比，指南针的制作相对简便且磁性强，指向精度更高，更具使用价值。
（2）详细记述了指南针的四种安装方法。第一种是水浮法，将磁针上穿几根灯芯草浮于水面进行指南，这是水罗盘的肇始，后来广泛用于早期航海，虽然比较平稳，但容易动荡不定；第二种是指甲旋定法，将磁针置于指甲上，指甲表面光滑，磁针转动灵活，但容易滑落；第三种是碗唇旋定法，将磁针置于碗口边上，转动较灵活，也容易滑落；第四种是缕悬法，用蚕丝将磁针悬挂起来，转动灵活又稳定。
《梦溪笔谈》所载水浮指南针复原图，潘吉星复原（2001）
（3）提出与其他三者相比，缕悬法“弹性韧性好，不易扭曲搅结，便于使用”，因此为最佳方法。法国科学家库仑（C.A.de Coulomb）在1777年参加法国科学院悬赏征集船用罗盘的最佳方案时，提出以丝悬指南针的方法，最后获得了头等奖，实际上就是沈括在600年前总结的缕悬法。
（4）发现指南针的指向是在地理南向而略微偏东一些，即地磁子午线与地理子午线并不完全重合，在世界上首次观测到地磁偏角现象，这比欧洲记录早了400多年。
沈括注重继承传统，善于观察和开拓创新，重视调查研究和科学实验，对当时中国在磁学领域所取得的成就进行了系统总结，极大地推动和普及了世人对指南针的认识。不久之后，宋末元初的中国人将方位盘与磁针连成一体构成罗盘，也叫罗经盘，还出现了将磁针穿上小木条浮在水上的指南鱼和枢轴支撑式的指南龟，即“水针（水罗盘）”和“旱针（旱罗盘）”的先驱。
南宋旱罗盘复原图，潘吉星复原（2001）
指南针的发明、完善和使用，一举改变了早期航海中仅靠天象定航向的窘境，开启了中国宋朝航海商贸时代，促进了中外贸易的发展，给人类文明的进程带来了重大影响。1119年，北宋朱彧在《萍洲可谈》中第一次记载了指南针用于航海：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针。”一般认为，约在1180年前后，中国的指南针（罗盘）通过阿拉伯商人传入欧洲，并在欧洲成熟和发展。此后，指南针在世界航海事业上被广泛应用，直接影响了15～16世纪的大航海时代和欧洲人的地理大发现。依靠海道针经（24/48方位指南针）导航并结合“过洋牵星术”（天文导航），我国明代伟大航海家郑和七下西洋，率领庞大船队历经东南亚、印度洋、波斯湾和红海，访问了30多个国家，最远到达非洲东海岸，在世界航海史上写下了光辉的一页。郑和航海结束后，1492年，意大利航海家克里斯托弗·哥伦布（Cristoforo Colombo）起航，横越大西洋，抵达了美洲大陆；1498年，葡萄牙航海家达·伽马（Vasco da Cama），组织了更大的船队，从葡萄牙的里斯本港出发，开辟了从欧洲绕好望角到印度的新航路；1519年，葡萄牙航海家斐迪南·麦哲伦（Fernao de Magalhaes）率领的船队，成功绕地球航行一周，证明了地球是圆的，并打开了通往东方的新航线。
3.雾里看花难悟理
可以看出，中国古人执着于对磁石的认识和磁性的应用。遗憾的是，对磁现象的本质及解释往往是含糊的，对物质磁性产生机理和指南针工作原理缺乏深入细致的研究，甚至出现一些匪夷所思的解释。具体表现在以下几个方面。
（1）中国古人根据磁石吸铁能力对磁石进行分类，也发现了磁石并不能吸附金、银和铜等金属以及砖瓦等物品，但并没有深入研究物质磁性的来源和产生机理，因而没能认识到物质的磁性是普遍存在和多种多样的。
（2）中国古人很早就有“琥珀拾芥”和“玳瑁吸”的记载，即琥珀和玳瑁摩擦后生电吸引微小物体的现象，并根据吸引现象将电与磁并列为同一类。汉代王充在《论衡·乱龙篇》中写道：“顿牟掇芥，磁石引针，皆以其真是，不假他类。”东晋郭璞在《山海经图赞》中也写道：“磁石吸铁，玳瑁取芥，气有潜通，数亦宜会，物之相投，出乎意外。”然而由于缺乏系统的科学研究和数理分析，中国古人并没有建立完整的电磁场理论，把电与磁统一起来，使人类进入电气化时代。
琥珀
（3）尽管中国古人在很早就观察到了磁指向性、地磁倾角和地磁偏角现象，然而由于缺乏严密的科学研究和理论探讨，中国古人并没有认识到地球有磁场，也没有建立正确的指南针理论。
（4）更为荒诞的是，有些文人学者从阴阳五行学说出发，提出指南针的“感应说”。例如，最晚成书于宋代的《管氏地理指蒙》首先提出如下逻辑：“磁针是铁打磨成的，铁属金，按五行生克说，金生水，而北方属水，因此北方之水是金之子。铁产生于磁石，磁石是受阳气的孕育而产生的，阳气属火，位于南方，因此南方相当于磁针之母。这样，磁针既要眷顾母亲，又要留恋子女，自然就要指向南北方向。”围绕磁偏角现象，中国古人认为地是平的，大小有限，因此地面必然有个中心，通过该中心的那条子午线就是唯一的南北方向，一旦测量地点不在这条南北线上，指南针所指向自然“少偏”。直到19世纪中叶，中国仍有学者用“感应学”说来解释指南针问题。
威廉·吉尔伯特
高斯
中西方对磁性认识的分水岭——地磁学作为一门科学出现发生在17世纪初，其标志就是威廉·吉尔伯特（William Gilbert）在1600年出版的《论磁》一书。威廉·吉尔伯特出生于英国科尔切斯特市，1569年获得剑桥大学医学博士学位。他起初研究化学，1580年前后开始对磁学和电学发生兴趣。在前人对磁石性质和地球形状认识的基础上，威廉·吉尔伯特将一块天然磁石磨制成一个大磁石球，取名为“小地球”，用小铁丝制成小磁针放在磁石球上面，结果发现这根小磁针的全部行为和指南针在地球上的行为十分相似。由此，他断定地球本身是一个巨大的磁体，其磁场类似于条形磁铁的磁场，它的两极位于地理北极和地理南极附近，但并不是由地球旋转轴确定的地理南北极。在吉尔伯特在他的“小地球”上勾画地磁场图案后的近200年间，大批英、法和德等国的科学家开始在广阔的大陆上和浩瀚的大洋上测定真正的地磁场，并开展深入而系统的科学研究和理论分析。1840年，大数学家卡尔·弗里德里希·高斯（Johann Carl Friedrich Gauss）发表了《地磁概论》，对地磁场做了周密的数字分析，奠定了近代地磁学的数理基础，最终促使近代地磁学的诞生。
地磁与磁偏角
随着地磁学的诞生和研究逐渐深入，19世纪中期地球磁场的基本模型在西方国家中逐步建立起来。西方科学家已经开始利用磁针和以磁针为基础制成的磁强计测定了不同地区和不同时期的地磁场（地磁偏角、地磁倾角和地磁场强度）变化，绘制了大量的地磁图。这些科学实践活动，不但为后来人们研究地磁场起源和变化，以及探讨物质磁性产生基础和机理积累了宝贵资料，也最终澄清了指南针的工作原理，建立了西方的指南针理论。简而言之，地球是个球形大磁体，其磁性起源于地球内部，可视为一个磁偶极，其中一极在地理北极附近（地磁南极），另一极在地理南极附近（地磁北极）。磁轴（假想的两个磁极之间的直线）与地球的自转轴存在一个夹角（地磁偏角），地球外部的磁力线从地磁北极发出指向地磁南极，在南半球倾斜向上，在北半球倾斜向下。指南针在地球磁场中受“同磁极相斥，异磁极相吸”的磁场力作用，其磁针会沿磁力线方向一端指南一端指北。
按磁针指极性原理所做的指南针
总而言之，中国古人在实践中观察到了天然磁石的“吸铁”和“指向”特性，并经过反复试验发明了指南针，并开创了指南针导航的历史。然而，由于缺乏细致深入的科学研究和逻辑严密的数理推演，中国古人没有建立自己的地磁场理论，造成对指南针工作原理的不理解或错误认识。12世纪末到13世纪初期，指南针传到欧洲后大放异彩，加上15世纪至16世纪欧洲人的世界地理大发现，最终促成了19世纪中期地球磁场基本模型的建立和指南针工作原理的探明。19世纪末到20世纪初，大批来华的传教士将西方近代磁学知识介绍到中国，才逐渐使中国学者摒弃建立在阴阳五行学说基础上的“感应说”，重新从新的视角探讨指南针的理论问题。
（作者：李金华，中国科学院地质与地球物理研究所）
文章节选自《科学教师教学用书 （二年级下册）》一书，教育科学出版社出版。
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