指南針進化史

生活中，我們不管是步行還是駕車出行時，常常需要辨別方向。我們現在已經有了GPS導航定位系統了，從此，媽媽再也不用擔心我迷路了。所以我們把指南針——這個開啟人類文明之旅、探索未知世界的工具卻漸漸遺忘了。現在我們的日常生活中似乎很少用到它了，但是世界這麼大，你也想去看看吧！那麼，指南針便是你外出旅行必備利器，因為高科技在關鍵時刻也有可能失靈呢！現在，同我一起走近史上指南針的世界，去了解指南針進化史吧！

進化簡史

戰國時期，人們發明了指南針的前身——司南；

晉、南北朝時期，將司南的勺狀磁石改為磁針；

唐代末期，人們在司南的基礎上發明了水羅盤；

北宋時期，出現了指南魚；

南宋時期，出現了旱羅盤；

元代時，水羅盤和旱羅盤傳入了西方；

明後期、清初時期，西方改造後的旱羅盤傳入中國，出現了中西合璧式旱羅盤。

司南——指南針的前身

大家聽說過司南嗎？它便是指南針的前身，它出現在距今2000多年的戰國時期，而在漢代得到進一步發展。要使司南得以發明，首先需要發現磁石以及磁石的指極性，在戰國時的史書中就有記載磁石可以吸鐵的，後來人們也發現了磁石的指極性，並由此原理製成了司南。司南看上去是一個方盤，方盤上標有方位。中間放一勺狀磁石，撥動磁勺，讓其自由旋轉後靜止下來，勺柄所指的方向就是南方。利用磁石指極性發明的司南，從戰國一直到南北朝還在不斷應用和發展。

漢代司南的新復原圖，潘吉星復原（2002）

司南的改進

但是以天然磁石製成的司南，由於磁勺是琢磨而成的，這樣一來磁勺的磁性有所減弱。同時磁勺與方盤之間還存在著摩擦力，所以司南的靈敏性不夠。而且磁勺也不會固定在盤心，每次使用的時候都需要手動撥動磁勺，讓其轉動，然後定向。這樣的方法在顛簸狀態下使用起來不太方便，甚至沒辦法定向了。

到了晉、南北朝時期，人們注意到了磁石可以吸引鐵針，並且也可以使鐵針磁化，他們便試圖將司南的勺狀天然磁石改為磁針，這樣便實現了磁體在材料和形態上的改進。司南原來是方形地盤，當其勺狀磁石改為磁針時，圓形地盤便取代了方形地盤，這樣更加適合磁針的指向需要。

但是磁針直接放在地盤上時是不能自由旋轉的，所以如果要用磁針來代替勺狀磁石，那麼還是需要考慮怎樣使磁針在地盤中心自由旋轉，使其定向。古人們也想出了多種方法去解決這個問題

第一種方法：懸針法。將磁針用細線於無風的地方懸在地盤上，讓其自由旋轉，然後定向。人們發現這種方法是可行的，但是容易受風的影響，會不停擺動，也還是不能在顛簸狀態下使用。人們把磁針改造成蝌蚪形或者魚形薄片。這種方法在晉朝和南北朝時確實用過。

第二種方法：浮針法。將司南的中心圓做得凹下去，裡面盛滿水，然後讓小磁針浮在上面，使其定位。正如我國科技史研究學者潘吉星教授的論斷，這種方法解決了磁針在地盤上的投放問題，這是對司南革命性的改進。按照這種方法製造的指南裝置其實在北宋的文獻中也有所記載，也就是水羅盤的原理，但是其實在唐代時已經出現這種指南裝置了。

第三種方法：支軸法。將磁針利用樞軸支撐起來，讓其自由旋轉，從而可以定向。這是宋朝時才出現的方法。

指南針的發明及進化

到了唐代末期，出現了風水學上用的水羅盤，但是其構造和早期的司南很不一樣，主要由可轉動的磁針和刻度盤組成，所以可以算得上是一項發明。而且在唐代時人們就已經發現了磁偏角，也就是磁針靜止時，磁針並不是指向地球的地理北極，而是與真正的地球北極有一定的夾角，這個角就是磁偏角。

到了北宋時，北宋大臣曾公亮描述了一種指南魚的做法。用魚形的人工磁體代替了指南魚，其做法是將薄鐵片做成魚形，將魚首和魚尾都做得尖尖的，然後將其加熱到很高的溫度。取出後將其按照南北磁極朝向放置，使魚頭向南，魚尾向北，馬上放入冷水中，這樣鐵片便成了磁體。然後將這條磁魚放在水碗狀容器裡面，便可使其指示方向。

《武經總要》載水羅盤「指南魚」復原圖，潘吉星復原（2001）

北宋海陸旅行時，人們用的就是水羅盤，它有兩種形式，只是磁體磁化方式的不同，一種是曾公亮描述的方法，一種則是將鐵針與磁石摩擦的方法。這兩種形式的指南針在北宋得到廣泛使用，並且也傳到了國外。水羅盤一直沿用到了明清時代。而在北宋時，將指南針用於航海方面的記錄也多了起來，所以中國比西方使用航海羅盤早100多年的歷史[1]。

《夢溪筆談》所載水浮指南針復原圖，潘吉星復原（2001）

南宋時人們也會使用一種旱羅盤，原理就是將磁針用銅釘支撐在上面，使其自由旋轉定向。因為無須用水，所以叫做旱羅盤。但旱羅盤的起源其實應該追溯到兩宋之際。所以宋代指南針有水羅盤、旱羅盤兩種形式，水羅盤製造簡便，磁體有針狀磁體和魚形狀磁體兩種，但是它們定向不穩，容易漂浮。旱羅盤製造較為精細，一律是用磁針的，它們定向也比較穩定。

南宋旱羅盤復原圖，潘吉星復原（2001）

指南針傳入西方

到了元代，中國的水羅盤、旱羅盤傳入西方，西方人對旱羅盤進行了改造。明清時代，用的水羅盤較多，磁體多為針狀。清初以後，因為西方改造後的旱羅盤也進入了中國，所以中西方製造指南針的技術進行了相互融合，出現了中西合璧式旱羅盤，這種旱羅盤由於使用方便並且靈敏，便流行起來。而這種旱羅盤和現代羅盤儀比起來也相差無己了。

指南針開啟探索之旅

有了指南針後，人類探索未知世界的願望便得以實現了。北宋時，將指南針用於航海的記載便多了起來，宋元時期都有許多的航海記錄，到了明代就出現了我們所熟悉的鄭和下西洋的故事，才出現了後面的哥倫布發現美洲新大陸、麥哲倫環球旅行的故事。

我們還要接著聊一下鄭和下西洋的故事，因為這是中國航海事業上的一個偉大壯舉，更是世界航海事業上的偉大壯舉。鄭和於1405年至1433年間先後統率由百餘艘遠洋帆船和27000多名船員和官兵組成的龐大船隊七下西洋，足跡遍及亞非30餘國，這是人類第一次大規模走向遠洋的空前壯舉[2]。他平均每4年要航海一次，而且每次航海往返還要約兩年呢，他在28年里差不多有一半的時間都在航海中度過了。而且最近很有趣的一個新聞是，美國學者發現美洲新大陸居然是我們中國人發現的，而且這個中國人極有可能就是鄭和，並且人家還有考古學證據呢！你相信嗎？

按磁針指極性原理所做的指南針

現代指南針

到了現代社會，我們已經很少用到上面所說的磁針指極性原理所做的指南針了。就算是需要用到指南針，我們現在也多用電子指南針了。隨著科學技術的發展，人們已經能夠研製出結合了多種消除誤差技術和抗干擾技術的電子指南針。電子指南針內部結構是固定的，沒有動來動去的小磁針等可移動部件。而且它們可以簡單地和其它電子系統介面，因此可代替舊的磁指南針。電子指南針具有較高的精度和較強的穩定性，所以它們也得到了廣泛運用。

全球導航衛星系統

談到現代社會的導航定位，不得不說一下我們文章開頭說到的GPS系統（Global Positioning System的縮寫），也就是全球衛星定位系統，它廣泛應用於我們的生產生活中。生活中的車載定位系統、手機地圖定位導航都會藉助它，它與我們的生活可是緊密相關啊，甚至許多人去不熟悉的地方都要依賴導航定位系統了。

現在全球其實是有四大衛星定位系統，美國的GPS系統、俄羅斯的GLONASS系統、歐盟的伽利略衛星導航系統和我們中國的北斗系統。這裡需要特別介紹一下我們中國的北斗系統。隨著2003年第3顆「北斗導航試驗衛星」的成功發射，它與前兩顆「北斗一號」工作衛星組成了中國完整的衛星導航定位系統，標誌著中國已建立了完善的第一代衛星導航定位系統。其定位精度20米，基本可以滿足運輸、漁業、林業、氣象、電信、水利、測繪等行業以及大眾用戶的應用需求[3]。今年7月25日，我國又成功發射兩顆北斗導航衛星，使北斗導航系統的衛星總數增加到了19枚[4]。

未來幾年內全球導航衛星系統將進入新的階段，四大衛星定位系統90餘顆導航衛星並存，到那時候實時定位的精度達到1到5米也不再是件難事了[5]。

主要參考文獻：

[1]潘吉星.中國古代四大發明：源流、外傳及世界影響[M]. 合肥：中國科學技術大學出版社，2002.

[2]夏勁.陳茜.中西兩種科學文化背景下的鄭和下西洋和地理大發現之比較[J]. 自然辯證法通訊,2006,28(4):13-18.

[3]侯瑞.張麗娟.淺談北斗導航定位衛星系統的建設與應用[J].消費電子, 2014, (18):151.

[4]新京報.北斗導航系統衛星增至19枚，將試驗全球組網[網路]，http://news.xinhuanet.com/info/2015-07/27/c_134449786.htm.

[5]陳俊勇.全球導航衛星系統進展及其對導航定位的改善[J].大地測量與地球動力學, 2009,29(2):1-3.

註：文章中關於指南針歷史主要是在我國著名科學技術史專家潘吉星教授研究專著的基礎上編寫的，其中部分圖片取自其專著《中國古代四大發明：源流、外傳及世界影響》。

特別鳴謝：中國科學院自然科學史研究所研究員劉益東老師審稿

作者：王凱山 華東師範大學

本作品為「科普中國-科技創新里程碑」原創 轉載時務請註明出處