人文科普：不指南方不肯休

上图为司南模型。

下图为缕悬法指南针模型。 视觉中国供图  

近日，北斗三号全球卫星导航系统建成并开通，中国成为世界第三个独立拥有全球卫星导航系统的国家。提起卫星导航系统，不得不提我国最早的导航工具——指南针。

我国先民认识和掌握物质的磁性经过了漫长的道路。在生产劳动中，人们接触了磁铁矿，并发现了磁石引铁的性质和磁石的指向性，最终发明了指南针。宋代时期，先民已经掌握了很多有关磁学方面的知识。南宋爱国诗人文天祥出使北营到南返福州期间被元兵扣留数日，写下了《扬子江》：“几日随风北海游，回从扬子大江头。臣心一片磁针石，不指南方不肯休。”该诗收在《指南录》中，以表达作者心向南宋，冒死南归的一片丹心。

司南因自身缺陷未能得到广泛使用

指南针的始祖大约出现在战国时期。它是用天然磁石制成的，样子像一把汤勺，可以放在平滑的“地盘”上保持平衡，且可以自由旋转。当它静止的时候，勺柄就会指向南方，古人称它为“司南”。战国时期的著作《鬼谷子》中记载了司南的应用，郑国人采玉时就带了司南以确保不迷失方向。

春秋时代，人们已经能够将硬度5度至7度的软玉和硬玉琢磨成各种形状的器具，因此也能将硬度只有5.5度至6.5度的天然磁石制成司南。东汉时期思想家王充在《论衡》中对司南的形状和用法作了明确的记录。司南是用整块天然磁石经过琢磨制成勺型，勺柄作为指南极，并使整个勺的重心恰好落到勺底的正中，勺置于光滑的地盘之中，地盘外方内圆，四周刻有干支四维，合成二十四向。这样的设计是古人认真观察了许多自然界有关磁的现象，积累了大量的知识和经验，经过长期的研究才完成的。司南的出现是人们对磁体指极性认识的实际应用。

但司南有许多缺陷，如天然磁体不易找到、加工困难、测量精度差、体积大携带不方便等，这是司南在相当长时间内未能得到广泛使用的主要原因。

人工磁化法使铁片变成指南针

古代民间常将薄铁叶剪裁成鱼形，“鱼”的腹部略下凹，像一只小船，磁化后浮在水面，就能指示南北。当时以此作为一种游戏，称为 “指南鱼”，这就是指南针的雏形。北宋时，曾公亮在《武经总要》载有制作和使用指南鱼的方法：“用薄铁叶剪裁，长二寸，阔五分，首尾锐如鱼型，置炭火中烧之，侯通赤，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。用时，置水碗于无风处平放，鱼在水面，令浮，其首常向午也。”

这是一种人工磁化的方法，它利用地球磁场使铁片磁化。即把烧红的铁片放置在子午线的方向上，烧红的铁片内部分子处于比较活动的状态，使铁分子顺着地球磁场方向排列，达到磁化的目的。铁片蘸入水中，可把这种排列较快地固定下来，而鱼尾略向下倾斜可增大磁化程度。人工磁化方法的发明，对指南针的应用和发展起了巨大的作用，在磁学和地磁学的发展史上也是一件大事。

指南针的发明是我国劳动人民在长期的实践中对物体磁性认识的结果。到了宋代，这方面的知识已经相当丰富了。北宋科学家沈括在《梦溪笔谈》中就介绍了磁针装置的4种方法。

水浮法，即在磁针上穿几根灯心草，让其浮在水面。碗唇旋定法是将磁针搁在碗口边缘，磁针可以旋转。指甲旋定法是把磁针搁在手指甲上面，由于指甲面光滑，磁针可以旋转自如。缕悬法是在磁针中部涂一些蜡，粘一根蚕丝，挂在没有风的地方，用以指示方向。

衍生水针和旱针两大体系

沈括曾对上述4种方法作了比较。他指出，水浮法的最大缺点是，水面容易晃动从而影响测量结果。碗唇旋定法和指甲旋定法由于摩擦力小，转动很灵活，但容易掉落。沈括比较推崇的是缕悬法，他认为这是比较理想而又切实可行的方法。事实上，沈括指出的4种方法已经归纳了迄今为止指南针装置的两大体系——水针和旱针。

沈括在《梦溪笔谈》中提到另一种人工磁化的方法：“方家以磁石磨针锋，则能指南。”按沈括的说法，当时的人们用磁石去摩擦缝衣针，就能使针带上磁性。从现在的观点来看，这是一种利用天然磁石的磁场作用，使钢针内部磁畴的排列趋于某一方向，从而使钢针显示出磁性的方法。这种方法比地磁法简单，而且磁化效果比地磁法好，摩擦法的发明不但为世界最早，而且为有实用价值的磁指向器的出现创造了重要的技术条件。

南宋陈元靓在《事林广记》中介绍了另一类指南鱼和指南龟的制作方法。这种指南鱼与《武经总要》一书记载的不同，是用木头刻成手指一般大的鱼形木鱼，并在其腹中置入一块天然磁铁，磁铁的南极指向鱼头，用蜡封好后，从鱼口插入一根针，就成为指南鱼。将其浮于水面，鱼头便会指南，这也是水针的一类。

指南龟是当时流行的一种新装置，将一块天然磁石放置在木刻龟的腹内，在木龟腹下方挖一光滑的小孔，对准并放置在直立于木板上的顶端尖滑的竹钉上，这样木龟就被放置在一个固定的、可以自由旋转的支点上了。由于支点处摩擦力很小，木龟可以自由转动。但是，它并没有用于航海指向，而用于幻术，这就是后来出现的旱罗盘的先声。

 （作者系中国科学技术馆研究员）