宋代如何制造“指南针”？一个小小指南针，见证了古人智慧

导语

造纸术、印刷术、指南针、火药，我国古代的“四大发明”随着丝绸之路传播到全世界，深刻影响了人类历史的发展进程。在技术水平有限的情况下，古人是如何制造指南针的？小小一个指南针，看似无足轻重，却见证了我国古代人民的智慧，促进了大航海时代的到来。

古代指南针（罗盘）

指南针的发展简史

四大发明中，指南针是最不起眼的，却经历了最漫长的演变过程。

1、指南车：纯粹的机械传动装置

相传4000多年前，中华民族的始祖黄帝便发明了用于指南的工具——指南车。

与后来利用地磁效应的指南针不同，并不利用磁性，它是一种纯粹的机械装置。指南车上树着一个木人，只要在出发之前将木人的手指向南方，无论接下来车子转向何方，木人的手都会始终指向指南车出发时设定的南方，所谓“车虽回运而手常指南”。

指南车的技术核心是一套齿轮传动系统和离合装置。尽管指南车有4000多年的悠久历史，但它的存在仅限于史料上的简单文字记载，并没有确切的结构设计资料。从现存史料看，一直到了宋代，《宋史·舆服志》才详细记载了指南车的结构和制造规范，后人根据这一规范仿制了指南车。

指南车结构图

2、司南：天然磁石的指南工具

由于机械装置设计比较复杂，指南车并未得到广泛应用，2000多年前，我国人民发明了。

《古矿录》记载，战国末年，河北磁山一带的人们发现当地的一种石头可以吸铁，这便是磁石的特性。后来，人们根据这一特性将磁石打磨成一把勺子，用于指示南北方向。

但很多学者对司南的真实性提出质疑，因为司南不像指南车那样有明确的技术规范，成书于汉代的《论衡》说“司南之杓，投之于地，其柢指南”，这已经是对“司南”及其功能最完整的记载了。

我国现代历史学家王振铎复原过司南，一度被中国历史博物馆收藏展览，我们常见的司南就是他复原的模型，但他复原的司南并非根据史料记载的技术规范制造，而完全利用现代科学技术复原而成，2000年前的人们根本不具备这种技术。迄今为止，使用原始手工技术制造司南的努力都是失败的。

古代司南（复原模型图）

宋代对磁场规律的认识

我们现在知道，指南针是利用地球磁场原理制造的。但古代科学知识不发达，人们并没有总结出磁场规律，是通过观察一些日常生活现象，对现象背后蕴含的科学规律进行了探索和应用。宋代是我国古代科学知识发展的一个高峰，在宋代史料中，保存了很多当时人们对磁场现象的记载。

1、宋人对静电感应的认识

宋人张邦基在其笔记《墨庄漫录》中记载：

“孔雀毛箸龙脑香则相缀。禁中以翠尾作帚，每幸诸阁，掷龙脑以辟秽。过则以翠尾扫之，皆聚，无有遗者，亦若磁石引针、琥珀拾芥，物类相感也。”

还记得我们小学学过的科普知识吗？玻璃棒和丝绸、橡胶棒和毛皮摩擦都会产生静电。从上述记载来看，古人虽然没有向孩子普及这类知识，但他们对静电感应现象还是有认知的。

2、宋人对磁力特性的认识

张邦基提到了“磁石引针”，对磁石能吸铁，古人在两千多年前就有认识和利用，但宋人进一步认识到，磁石吸铁这种特性（也就是磁力）可以不被铁磁以外的其他物质阻隔。宋人张君房在他的笔记《云笈七籖》中记载说“磁石吸铁，间隔潜应”，就是对磁力特性的清晰描述。

磁偏角示意图

3、宋人对磁偏角的认识

我们现在知道，地球是一个天然磁体，拥有强大的磁力，但地球不是一个完美的球形，而是一个不完美的近似球形，而且地球的南北磁极与地理上的南北两极并不完全重合，两者有一定偏差，所以便有了“地磁子午线”与“地理子午线”的交叉，二者之间的夹角称为磁偏角。

磁偏角对指南针有什么影响？

很简单，指南针利用地球磁场影响制造的，用于指示南北方向，因此它指示的南北方向是南北磁极的南北，而非地理上的南北极。由于磁偏角的存在，使得指南针指示的南北方向并非正南正北，而是有所偏离，偏离的角度就是磁偏角。

磁偏角在地球不同地区的大小不同，但在我国境内的磁偏角一般情况下为2-3度，最大不超过6度，由于方向偏差很小，基本不影响南北方向的判断和使用。

宋代科学家沈括在其名著《梦溪笔谈》中首次明确记载了磁偏角现象：

方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。

宋代制造指南针的方法

宋人对磁场规律的认识，是制造和完善指南针的基础，促使宋代指南针制造技术有了长足进步。

宋代的指南针五花八门，根据指南针是否需要依靠水来运行使用，可以分为“用水的”、“不用水的”两大类，也称“水罗盘”、“旱罗盘”，两种罗盘原理相同，都是利用地磁效应。

古代不同样式的指南针（罗盘）

（一）指南鱼

北宋官方编纂的军事巨著《武经总要》中详细记载了当时制造“指南鱼”的一种方法：

“以薄铁叶剪裁，长二寸，阔五分，首尾锐如鱼形，置炭火中烧之，候通赤，以铁钤钤鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收之。

这种制造“指南鱼”的方法有三个要点：

1、“置炭火中烧之”，是通过加温促进分子运动，使铁磁物质中的“磁畴”增加动能，使它们在地球磁场的作用下由原始混乱状态变成规则排列；

2、“蘸水盆中”，将加热至赤红的鱼尾浸入冷水中，通过急速冷却让排列规则的磁畴固定下来；

3、“以尾正对子位，没尾数分则止”，让鱼尾正对北极且略向下倾斜，是为最大程度利用地磁感应，使之最大程度地磁化。

《武经总要》记载的指南鱼“用时置水碗于无风处，平放鱼在水面令浮，其首常南向午也”，需要借助水，将其浮在水面上，鱼头所指方向就是南方，但这种磁化方法获得的磁性比较弱，实用性比较差，所以宋人不断对其改善，发明了“指南针”。

宋代发明的指南鱼

（二）指南针

指南鱼以薄铁皮裁剪为鱼形，再通过加热冷却磁化，有两个缺陷，一是磁性弱，二是铁鱼重。

北宋著名政治家、科学家沈括的《梦溪笔谈》记载说“方家以磁石磨针锋，则能指南”。

磁针相比指南鱼，有三大优点：

1、以磁石磨成，磁性很强；

2、细针形，易于漂浮，精确性高；

3、无须加热、淬火，工艺简单。

磁针是有了，具体该如何安置和使用？沈括记载了三种方法及其优缺点：

1、水浮法：跟指南鱼一样，浮在水面上，缺点是依赖于水，而“水浮多荡摇”，不稳定。

2、指爪及碗唇法：把磁针放在指甲边缘或碗口边沿上，优点是“运转尤速”，但“坚滑易坠”，容易滑落。

3、缕悬法：在磁针中部涂抹一点点蜡，蜡上粘一根蚕丝，悬挂在安静无风的地方，磁针受磁场作用影响，在静止状态下便可指使南北方向，原文记载如下：

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。

沈括综合比较了三种方法，认为“缕悬为最善”，而后两种都不需要水，可归类为“旱罗盘”。

沈括及其《梦溪笔谈》

（三）指南龟

生活在宋末元初的陈元靓，在笔记《事林广记》中记载了一种“指南龟”的做法：

“以木刻龟子一个，一如前法制造，但于尾边敲针入去，用小板子上安以竹钉子，如箸尾大，龟腹下微陷一穴，安钉子上拨转常指北，须是钉尾后。”

指南龟的设计十分精巧，先用木头刻一只乌龟，然后在龟体中以首尾方向放入一根条形磁石，以黄蜡将龟体内填满，此时乌龟就变成了一只“磁龟”；然后在乌龟尾部敲入一铁针与磁石末端相连，把木龟支在竹针上转动，待乌龟受磁场影响静止后，体内磁石呈南北方向，龟尾的针指向南。

指南龟造型精美，但制作比较复杂，因此在当时多用于幻术，并未被大量应用。

宋代的指南龟结构图

（四）罗盘

初期的指南针大多没有用于固定磁针的方位盘装置，所以懈怠和使用起来不是特别方便，但随着指南针应用越来越多，人们很快就将方磁针和方位盘结合起来连为一体，发展为“罗盘”。

罗盘有水罗盘、旱罗盘两种。

水罗盘比较简单，一般在“磁针浮水”基础上略加改造制成。

旱罗盘不需要依赖水，亦称罗经盘，罗盘以木刻成，一般为圆形，刻有方位，与安置在盘中央的磁针配合使用，前文所述的“指南龟”，可以说是古代旱罗盘的鼻祖。

指南针的重大意义

指南针在宋代发明以后，很快得到了广泛应用。

宋代的造船业、航海业高度发达，船只航行在茫茫大海上，最怕迷失方向，客观上需要一种可靠的指南工具，而指南针（罗盘）制造简单，携带方便，准确可靠，迅速成为航海必备神器。

到南宋时，所有远洋海船都配备了指南针，宋人赵汝适所著笔记《诸蕃志》记载：

渺茫无际,天水一色，舟舶往来，唯以指南针为则，昼夜守视唯谨，毫厘不差，生死系矣。

海上丝绸之路在宋代达到顶峰，我国的航船可远涉重洋，最远抵达地中海和非洲沿岸，不仅促进了东西方的经济文化交流，还把指南针带到了欧洲，促进了大航海时代的到来。达伽马、哥伦布、麦哲伦等大航海家们，之所以能完成环球旅行和发现美洲大陆的冒险，指南针发挥了极其重要的作用。

大航海时代

从这个角度来看，说小小指南针改变了人类文明进程，一点也不夸张。正因为如此，马克思才在《机器、自然力和科学的应用》一书中说：“罗盘（指南针）打开了世界市场并建立了殖民地。”

结语

小小一个指南针，见证了我国古代人民的智慧，改变了人类文明的进程，这是世所公认的伟大成就。鲁迅先生说过“中国人发明了指南针，外国人用来航海，中国人却用来看风水”，这个评价只是针对实行“海禁”的明朝和“闭关锁国”的清朝而言。尽管我们的科学技术在近代落后了，但不必妄自菲薄，只要我们充分发挥自己的智慧，我们的科学技术必将重返世界最顶尖的国家之列。