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宋代如何制造“指南針”?一個小小指南針,見證了古人智慧

原創
2020-04-28  今古言堂

    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,古人是如何制造指南針的?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于指南的工具——指南車。

    與后來利用地磁效應的指南針不同,并不利用磁性,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。盡管指南車有4000多年的悠久歷史,但它的存在僅限于史料上的簡單文字記載,并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制造規范,后人根據這一規范仿制了指南車。

    指南車結構圖

    2、司南:天然磁石的指南工具

    由于機械裝置設計比較復雜,指南車并未得到廣泛應用,2000多年前,我國人民發明了。

    《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。后來,人們根據這一特性將磁石打磨成一把勺子,用于指示南北方向。

    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范,成書于漢代的《論衡》說“司南之杓,投之于地,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,但他復原的司南并非根據史料記載的技術規范制造,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,使用原始手工技術制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制造的。但古代科學知識不發達,人們并沒有總結出磁場規律,是通過觀察一些日常生活現象,對現象背后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,擲龍腦以辟穢。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?!?/blockquote>

    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《云笈七籖》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并不完全重合,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么影響?

    很簡單,指南針利用地球磁場影響制造的,用于指示南北方向,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。由于磁偏角的存在,使得指南針指示的南北方向并非正南正北,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,由于方向偏差很小,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。

    宋代制造指南針的方法

    宋人對磁場規律的認識,是制造和完善指南針的基礎,促使宋代指南針制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》中詳細記載了當時制造“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。

    這種制造“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“用時置水碗于無風處,平放魚在水面令浮,其首常南向午也”,需要借助水,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”。

    編輯

    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,易于漂浮,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,缺點是依賴于水,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:在磁針中部涂抹一點點蠟,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,綴于針腰,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”,而后兩種都不需要水,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,一如前法制造,但于尾邊敲針入去,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,須是釘尾后?!?/blockquote>

    指南龜的設計十分精巧,先用木頭刻一只烏龜,然后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只“磁龜”;然后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后,體內磁石呈南北方向,龜尾的針指向南。

    指南龜造型精美,但制作比較復雜,因此在當時多用于幻術,并未被大量應用。

    宋代的指南龜結構圖

    (四)羅盤

    初期的指南針大多沒有用于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”基礎上略加改造制成。

    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后,很快得到了廣泛應用。

    宋代的造船業、航海業高度發達,船只航行在茫茫大海上,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)制造簡單,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,毫厘不差,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,一點也不夸張。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)打開了世界市場并建立了殖民地?!?/strong>

    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。盡管我們的科學技術在近代落后了,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。

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