中國古代物理學-指南針

　　指南針的發明及其在航海中的應用，迄今已是世界公認的古代中國的偉大成就之一。英國哲學家弗·培根(公元1561-1626年)曾稱讚印刷術、火藥和指南針是「在世界範圍內把事物的全部面貌和情況都改變了」的三項發明，「竟至任何帝國、任何教派、任何星辰對人類事務的力量和影響都彷彿無過於這些機械性的發現」。馬克思也曾指出，這「是預告資產階級社會到來的三大發明」。其中，「指南針打開了世界市場並建立了殖民地」。可見，指南針的發明對人類和社會歷史進程所起到的偉大作用和影響。　　中國人至晚在秦漢時期已經發明了磁性指向器，當時稱它為「司南」。它是用天然磁石加工而成的，其形狀類似瓢勺。將它放在栻佔用的光滑的銅質地盤上，經旋動而靜止時，其勺柄就指向南方。地盤上刻有古代人熟悉的天干、地支和八卦表示的24個方位。(圖5-1)

　　圖5-1 置於地盤上的司南(王振鐸複製)　　從秦漢直到唐代中期，司南不斷被人們所製造和使用。生活在8世紀的韋肇在其《瓢賦》中還寫道，「充玩好，則校司南以為可」。其中，「校」字晗含製作在其中。所以司南要「校」准，除地磁偏角的影響外，尚有加工工藝等問題。因為司南類似勺，因此韋肇在其詩中還說：「杓之類奚取於梓人」。「梓人」是指木工。作為植物果實瓢，是農民所種，非木工所為；作為司南這一磁性瓢勺，是由金工所為，也非木工斧鋸而成。韋肇的《瓢賦》表明唐代人還在製造司南。　　唐代，大概是由司南向指南針過渡的孕育階段。或者，唐宋之際完成了向指南針的過渡。入宋以後，有關指南針的文獻突然豐富起來。指南針、指南魚、指南龜幾乎同時問世，地磁偏角、地磁傾角也相繼被人們所發現和利用。具體地說，入宋以後81年，楊維德在其相墓、相風水的地理著作《塋原總錄》(成書於1041年)中最早記述了指南針和地磁偏角。其後三年，曾公亮的軍事著作《武經總要》問世，書中記述了以地磁場磁化鋼鐵片的方法。又其後40餘年，即公元1086年，沈括的《夢溪筆談》完稿，以磁體磁化鋼針的方法在該書中作了詳細記載。因此，至少可以推測，在楊維德記下指南針和地磁偏角之前，會有幾代堪輿家已經擺弄了指南針。　　楊維德說，用指南針看風水、確定四方的方位時，指南針「當取丙午針」。「午」是地理正南方向，「丙」是地理正南偏東方向。這就是說，指南針的南向，即地磁南向是在那兩個地理方向之間。地磁南向與地理南向有偏差，這就是所謂的地磁偏角。在西方，磁偏角是哥倫布在1492年的航海中發現的，比楊維德的記述要晚450年。　　曾公亮詳細地記下了製造指南魚的方法：　　以薄鐵葉剪裁、長二寸寬二分、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。用時置水碗於無風處，平放魚在水面令浮，其首常南向午也。(《武經總要》)　　對這段文字需要說明的是，它是否符合科學？如何以近代磁學知識理解它？　　將「薄鐵」(曾公亮所記「薄鐵」很可能是鋼)剪成魚形片、燒紅，當爐溫高於居里點(約700℃)時，鋼鐵的磁疇排列完全被打亂。而當它「蘸水」即淬火急冷時，磁疇排列又復形成。關鍵在於冷卻時，「以尾正對子位」。這表明，鐵片是按地球子午線方向，即地磁的南北方向冷卻的。因此，在地磁場的影響下，冷卻後的鐵片磁疇就都順地磁方向排列了，從而鐵片產生了磁性。又因為淬火時，鐵片「沒尾數分」，是斜插入水盆中淬火，這又恰好利用了地磁傾角，增強了對鐵片的磁化強度。當鐵片完全冷卻，其磁疇也就完全按地磁方向排列，則魚頭為北極，魚尾為南極。將這種指南魚平放入水碗後，受地磁場影響，魚頭指向南方，魚尾指向北方。　　其實曾公亮及其同時代的人並沒有地磁場乃至地磁傾角的理性概念；而在實踐中，他們卻充分利用了地磁場和地磁傾角以磁化鐵片。而西方，有說諾曼(Robert Norman)於1576年發現了磁傾角；也有說是哈特曼(George Hart-mann)於1544年發現的。無論哪一說成立，歸成一句話，西方人在理論上的發現比我國古代人在實際中的應用要晚500年。　　另一種以磁感應製造指南針的方法見於沈括的《夢溪筆談》卷二四：「方家以磁石磨針鋒，則能指南。然常微偏東，不全南也。」前一句是指南針的磁化感應方法，後一句指明地磁偏角的存在。沈括同時記述了多種安裝指南針的方法：1)指甲法，將磁針擱在光滑的指甲上，可以旋轉自如；2)絲懸法，以單根蠶絲繫於針腰，懸吊磁針，相系處滴上少許蠟。3)水浮法，把磁針穿在數根燈草上，用燈草托浮磁針於水面；4)碗唇法，把磁針放在光滑的碗口邊緣上；此外還發現感應磁化時，不僅有指南，也有指北的磁針，並承認自己「莫可原其理」。由此不難看出，當時的中國人尚未知道地球本身也是個大磁體。　　沈括之後有關指南針及其製法的記載越來越多，大概它已成為中國人的普通常識了。也是在宋代，陳元靚在《事林廣記》中還記載了兩種指南針——指南龜和指南魚。將磁針裝入木刻小龜腹中，龜腹心刻一小圓穴，以一竹釘作為旋轉支軸。撥轉木龜，龜則指南。此種裝置稱之為「指南龜」。類似的，將小條形磁針安裝在木刻魚腹中，將木魚浮於水面，則指南，故稱「指南魚」。如果分別在魚頭、魚尾插入一小鐵針，既易於識別方向，又方便用手撥轉。圖5-2繪畫了古代人所發明的各種指南針及其安裝方法。　　將指南針與刻度盤相結合，使之成為一種辨識方向的儀器，稱為羅盤。刻度盤在中國產生於先秦時期，但羅盤只有在磁針誕生之後才有可能問世。

　　圖5-2 指南針及其安裝法　　1至4為沈括記載的四種安裝法：1.指甲法；2.絲懸法；3.水浮法；4.碗唇法；5.陳元靚記述的指南龜；6.指南木魚；7.曾公亮記述鋼片指南魚。　　起初，羅盤被稱為「地螺」。它的發明，首先被堪輿家用於相墓、相宅、看風水。考古學家在江西臨川一座葬於公元1198年的宋墓中發掘出兩個「張仙人瓷俑」。瓷俑造型生動，右手持一　　羅盤，置於左胸前。(圖5-3)從瓷俑豎持羅盤和羅盤的磁針中央有轉動中心這兩點，可以斷定該羅盤是旱羅盤，安裝磁針的方式很可能是迴旋樞軸。羅盤的盤面是圓形的，其方向刻度也頗清楚。這一事實表明，旱羅盤至晚產生於12世紀下半葉。沈括和陳元靚所述及的絲懸磁針和指南龜，都是旱羅盤的始祖。其餘方法後來皆發展為水羅盤。

　　圖5-3 張仙人瓷俑　　簡單地說，就是將磁針、指南魚放入水碗中，再在碗外緣加上一刻度盤，就成為水羅盤。元代，盛行「針碗」。將瓷碗做得比平常稍大些，到了描彩上釉這道工序時，在碗內底畫出24個方位，這樣燒制的瓷碗就稱為「針碗」。在這種水碗內放入指南針，就可以識別指針方向。針碗在航海船舶中頗具優點。因為，針碗不是放在甲板或內艙桌面上，而是置於後艙沙堆之中，碗底又深。因此，水碗不隨船的顛簸而翻倒、打碎，即使船舶搖蕩，沙堆可減緩碗的移動，而碗內的水總是平衡的。磁針所受航行的干擾就相對小些。這也是中國人在解決複雜技術問題中表現出的聰明才智。　　指南針發明後不久，就被用於航海。宋代朱彧〔yu與〕的《萍洲可談》一書，記述了其父親在1099至1102年間在廣州做官時的見聞，其中述及航海中「陰晦觀指南針」。這個時間只比沈括《夢溪筆談》成書晚10年。在朱或之後，北宋末，徐競於宣和五年(公元1123年)出使高麗(今朝鮮半島)。當他的船隊駛出蓬萊山之後，逢陰晦天氣「則用指南浮針」，即是水羅盤。不久，趙汝適在《諸蕃志》中寫道：　　舟舶往來，惟以指南針為則，晝夜守視唯謹，毫釐之差，生死系矣。　　這是航海中完全依靠指南針導向的寫照。用指南針導航又不可有「毫釐之差」，則非羅盤莫屬。可見，在12世紀初，中國人在航海中使用指南針或羅盤已相當普遍了。　　據科學史文獻記載，歐洲最早知道磁針的是法國人戴普魯萬斯(Gyuot de Prorins)，他在公元1190—1210年間指出，水手將針和一種難看的石頭摩擦後，用草浮水面可以指北。後來，英格蘭的修道士尼坎姆(Alexander Neckam，公元1157—1217年)在其《論器具》書中作了類似敘述。他們比楊維德、曾公亮和沈括的記述晚了100至150年。「張仙人瓷俑」手持樞軸式羅盤出現在1197年之前，而號稱製造羅盤的法國大師佩雷格林納斯(Petrus Peregrinus，生活於13世紀)設計製造的帶有刻度的羅盤則在1269年。中國人最早創製並使用磁針和羅盤的歷史是無可爭議的。現在一般地認為，有關磁、羅盤的知識是由阿拉伯人從中國傳到歐洲的。應當說，一旦指南針上了航船，其傳播之快應與航速等同。
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