上圖為(wei) 司南模型。

下圖為(wei) 縷懸法指南針模型。 視覺中國供圖  

近日，北鬥三號全球衛星導航係統建成並開通，中國成為(wei) 世界第三個(ge) 獨立擁有全球衛星導航係統的國家。提起衛星導航係統，不得不提我國最早的導航工具——指南針。

我國先民認識和掌握物質的磁性經過了漫長的道路。在生產(chan) 勞動中，人們(men) 接觸了磁鐵礦，並發現了磁石引鐵的性質和磁石的指向性，最終發明了指南針。宋代時期，先民已經掌握了很多有關(guan) 磁學方麵的星空体育官网入口网站。南宋愛國詩人文天祥出使北營到南返福州期間被元兵扣留數日，寫(xie) 下了《揚子江》：“幾日隨風北海遊，回從(cong) 揚子大江頭。臣心一片磁針石，不指南方不肯休。”該詩收在《指南錄》中，以表達作者心向南宋，冒死南歸的一片丹心。

司南因自身缺陷未能得到廣泛使用

指南針的始祖大約出現在戰國時期。它是用天然磁石製成的，樣子像一把湯勺，可以放在平滑的“地盤”上保持平衡，且可以自由旋轉。當它靜止的時候，勺柄就會(hui) 指向南方，古人稱它為(wei) “司南”。戰國時期的著作《鬼穀子》中記載了司南的應用，鄭國人采玉時就帶了司南以確保不迷失方向。

春秋時代，人們(men) 已經能夠將硬度5度至7度的軟玉和硬玉琢磨成各種形狀的器具，因此也能將硬度隻有5.5度至6.5度的天然磁石製成司南。東(dong) 漢時期思想家王充在《論衡》中對司南的形狀和用法作了明確的記錄。司南是用整塊天然磁石經過琢磨製成勺型，勺柄作為(wei) 指南極，並使整個(ge) 勺的重心恰好落到勺底的正中，勺置於(yu) 光滑的地盤之中，地盤外方內(nei) 圓，四周刻有幹支四維，合成二十四向。這樣的設計是古人認真觀察了許多自然界有關(guan) 磁的現象，積累了大量的星空体育官网入口网站和經驗，經過長期的研究才完成的。司南的出現是人們(men) 對磁體(ti) 指極性認識的實際應用。

但司南有許多缺陷，如天然磁體(ti) 不易找到、加工困難、測量精度差、體(ti) 積大攜帶不方便等，這是司南在相當長時間內(nei) 未能得到廣泛使用的主要原因。

人工磁化法使鐵片變成指南針

古代民間常將薄鐵葉剪裁成魚形，“魚”的腹部略下凹，像一隻小船，磁化後浮在水麵，就能指示南北。當時以此作為(wei) 一種遊戲，稱為(wei) “指南魚”，這就是指南針的雛形。北宋時，曾公亮在《武經總要》載有製作和使用指南魚的方法：“用薄鐵葉剪裁，長二寸，闊五分，首尾銳如魚型，置炭火中燒之，侯通赤，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(yu) 無風處平放，魚在水麵，令浮，其首常向午也。”

這是一種人工磁化的方法，它利用地球磁場使鐵片磁化。即把燒紅的鐵片放置在子午線的方向上，燒紅的鐵片內(nei) 部分子處於(yu) 比較活動的狀態，使鐵分子順著地球磁場方向排列，達到磁化的目的。鐵片蘸入水中，可把這種排列較快地固定下來，而魚尾略向下傾(qing) 斜可增大磁化程度。人工磁化方法的發明，對指南針的應用和發展起了巨大的作用，在磁學和地磁學的發展史上也是一件大事。

指南針的發明是我國勞動人民在長期的實踐中對物體(ti) 磁性認識的結果。到了宋代，這方麵的星空体育官网入口网站已經相當豐(feng) 富了。北宋科學家沈括在《夢溪筆談》中就介紹了磁針裝置的4種方法。

水浮法，即在磁針上穿幾根燈心草，讓其浮在水麵。碗唇旋定法是將磁針擱在碗口邊緣，磁針可以旋轉。指甲旋定法是把磁針擱在手指甲上麵，由於(yu) 指甲麵光滑，磁針可以旋轉自如。縷懸法是在磁針中部塗一些蠟，粘一根蠶絲(si) ，掛在沒有風的地方，用以指示方向。

衍生水針和旱針兩(liang) 大體(ti) 係

沈括曾對上述4種方法作了比較。他指出，水浮法的最大缺點是，水麵容易晃動從(cong) 而影響測量結果。碗唇旋定法和指甲旋定法由於(yu) 摩擦力小，轉動很靈活，但容易掉落。沈括比較推崇的是縷懸法，他認為(wei) 這是比較理想而又切實可行的方法。事實上，沈括指出的4種方法已經歸納了迄今為(wei) 止指南針裝置的兩(liang) 大體(ti) 係——水針和旱針。

沈括在《夢溪筆談》中提到另一種人工磁化的方法：“方家以磁石磨針鋒，則能指南。”按沈括的說法，當時的人們(men) 用磁石去摩擦縫衣針，就能使針帶上磁性。從(cong) 現在的觀點來看，這是一種利用天然磁石的磁場作用，使鋼針內(nei) 部磁疇的排列趨於(yu) 某一方向，從(cong) 而使鋼針顯示出磁性的方法。這種方法比地磁法簡單，而且磁化效果比地磁法好，摩擦法的發明不但為(wei) 世界最早，而且為(wei) 有實用價(jia) 值的磁指向器的出現創造了重要的技術條件。

南宋陳元靚在《事林廣記》中介紹了另一類指南魚和指南龜的製作方法。這種指南魚與(yu) 《武經總要》一書(shu) 記載的不同，是用木頭刻成手指一般大的魚形木魚，並在其腹中置入一塊天然磁鐵，磁鐵的南極指向魚頭，用蠟封好後，從(cong) 魚口插入一根針，就成為(wei) 指南魚。將其浮於(yu) 水麵，魚頭便會(hui) 指南，這也是水針的一類。

指南龜是當時流行的一種新裝置，將一塊天然磁石放置在木刻龜的腹內(nei) ，在木龜腹下方挖一光滑的小孔，對準並放置在直立於(yu) 木板上的頂端尖滑的竹釘上，這樣木龜就被放置在一個(ge) 固定的、可以自由旋轉的支點上了。由於(yu) 支點處摩擦力很小，木龜可以自由轉動。但是，它並沒有用於(yu) 航海指向，而用於(yu) 幻術，這就是後來出現的旱羅盤的先聲。

 （作者係中國科學技術館研究員）

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