水上之友——指南針1(3 / 3)

指南針是我國最早發明的,但它是經過漫長的歲月逐漸發展改進而成的。

司南發明後,古人能夠在遠行中辨別方向。但司南有其局限性,用磁石製造司南,磁極不容易找準,而且在琢製的過程中,磁石因受震動而會失去部分磁性。

再加上司南在使用時底盤必須放平,體積比較大,所以在使用時,很難令人滿意。因此,古人在發明了司南之後,不斷在進行改進。

繼司南之後,我們的祖先又製成了一種新的指南工具,即指南魚。

北宋時期,農業、手工業和商業都有了新的發展。在這個基礎上,我國的科學技術獲得了輝煌的成就。宋代時候,我國在指南針的製造方麵,跟造紙法和印刷術一樣,也有很大的發展。

當時有一部官編的軍事著作叫《武經總要》,其中記載:行軍的時候,如果遇到陰天黑夜,無法辨明方向,就應當讓老馬在前麵帶路,或者用指南車和指南魚辨別方向。

《武經總要》這部書是在1044年以前寫成的。這就是說,在那個時候,我國已經有指南魚,並且把它應用到軍事方麵去了。

指南魚是用一塊薄薄的鋼片做成的,形狀很像一條魚。它有兩寸長,5寸寬,魚的肚皮部分凹下去一些,可以像小船一樣浮在水麵上。

鋼片做成的魚沒有磁性,所以沒有指南的作用。如果要它指南,還必須再用人工傳磁的辦法,使它變成磁鐵具有磁性。

關於怎樣進行人工傳磁,《武經總要》記載:把燒紅的鐵片放置在子午線的方向上。鐵片燒紅後,溫度高於磁性轉變點時的溫度,鐵片中的原來無序狀態的磁疇便瓦解而成為順磁體,蘸水淬火後,磁疇又形成,但在地磁場作用下磁疇排列有方向性,故能指南北。

我國人發明用人造磁鐵做指南魚,這是一個很大的進步。這說明我國古人很早就已具有相當豐富的磁鐵知識了。

就在鋼片指南魚發明後不久,又有人發明了用鋼針來指南。這種人工磁化的小鋼針,可算是世界上最早製成的真正的指南針了。

北宋時期科學家沈括在《夢溪筆談》中提到一種人工磁化的方法:技術人員用磁石摩擦縫衣針,就能使針帶上磁性。

從現在的觀點來看,這是一種利用天然磁石的磁場作用,使鋼針內部磁疇的排列趨於某一方向,從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,摩擦法的發明不但世界最早,而且為有實用價值的磁指向器的出現,創造了條件。

關於磁針的裝置方法,沈括介紹了4種方法:

一是水浮法,就是將磁針上穿幾根燈心草浮在水麵,就可以指示方向。

二是碗唇旋定法,就是將磁針擱在碗口邊緣,磁針可以旋轉指示方向。

三是指甲旋定法,就把磁針擱在手指甲上麵由於指甲麵光滑,磁針可以旋轉自如指示方向。

四是縷懸法,就是磁針中部塗一些蠟,粘一根蠶絲,掛在沒有風的地方,就可以指示方向了。

沈括還對4種方法進行比較,他指出,水浮法的最大缺點,水麵容易晃動影響測量結果。碗唇旋定法和指甲旋定法,由於摩擦力小,轉動很靈活,但容易掉落。

沈括比較推崇的是縷懸法,他認為這是比較理想而又切實可行的方法。沈括指出的4種方法,已經歸納了迄今為止指南針裝置的兩大體係,即水針和旱針。

另外,由於長江黃河流域一帶地磁有大約50度左右的傾角,如水平放置指南魚,則隻有水平方向分量起作用,而以一定角度放入水中,則使魚磁化的有效磁場強度增大,磁化效果更好。

長江黃河流域一帶的地磁傾角,這一現象後來被稱為磁偏角。沈括在《夢溪筆談》第二十四卷中寫道,磁針能指南,“然常微偏東,不全南也”。

這是世界上現存最早的磁偏角記錄。在西方,直至1492年哥倫布在橫渡大西洋時才發現磁偏角這一現象,比沈括晚了400多年。

磁偏角是指磁針靜止時,所指的北方與真正北方的夾角。各個地方的磁偏角不同,而且,由於磁極也處在運動之中,某一地點磁偏角會隨之而改變。

在正常情況下,我國磁偏角最大可達6度,一般情況為兩三度。東經25度地區,磁偏角在一兩度之間;北緯25度以上地區,磁偏角大於2度;若在西經低緯度地區,磁偏角是5度至20度;西經45度以上,磁偏角為25度至50度。毫無疑問,沈括對磁偏角的發現與認識啟發了後人。

南宋學者陳元靚在《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《武經總要》一書記載的不一樣,是用木頭刻成魚形,有手指那麼大。木魚腹中置入一塊天然磁鐵,磁鐵的S極指向魚頭,用蠟封好後,從魚口插入一根針,就成為指南魚。將其浮於水麵,魚頭指南,這也是水針的一類。

指南龜也是南宋時期流行的一種新裝置,將一塊天然磁石放置在木刻龜的腹內,在木龜腹下方挖一光滑的小孔,對準並放置在直立於木板上的頂端尖滑的竹釘上,這樣木龜就被放置在一個固定的、可以自由旋轉的支點上了。由於支點處摩擦力很小,木龜可以自由轉動指南。

這種木頭指南魚和指南龜,很可能是一些懂得方術的方士創造的,做成以後隻是用來變戲法。所以《事林廣記》的作者,把它們當做《神仙幻術》了。

當時它並沒有用於航海指向,而用於幻術。但是這就是後來出現的旱羅盤的先驅。

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。

[旁注]

徐福 秦代著名方士,是鬼穀子先生的關門弟子。他博學多才,通曉醫學、天文、航海等知識,而且同情百姓,故在沿海一帶民眾中名望頗高。曾被秦始皇派遣,出海采仙藥,一去不返。後有徐福在日本的平原、廣澤為王之說。

《武經總要》 北宋時期官修的一部軍事著作。作者為宋仁宗時的文臣曾公亮和丁度。兩人奉皇帝之命用了5年的時間編成。該書是我國第一部規模宏大的官修綜合性軍事著作,對於研究宋代以前的軍事思想非常重要。其中大篇幅介紹了武器的製造,對科學技術史的研究也很重要。

磁疇 是指磁性材料內部的一個個小區域,每個區域內部包含大量原子,它們都像一個個小磁鐵那樣整齊排列,但相鄰的不同區域之間原子磁矩排列的方向不同。各個磁疇之間的交界麵稱為磁疇壁。磁性材料在正常情況下並不對外顯示磁性,隻有當被磁化後才能對外顯示。

磁偏角 是指磁針靜止時,所指的北方與真正北方的夾角。地球表麵任一點的磁子午圈同地理子午圈的夾角。因指南針、磁羅盤是測定磁偏角最簡單的裝置,所以磁偏角的發現和測定的曆史也很早。磁針指北極N向東偏則磁偏角為正,向西偏則磁偏角為負。

《事林廣記》 南宋時期陳元靚所撰日用百科全書。門類廣泛,天文、地理、政治、社會、文學、遊藝,無所不包。包含較多的市井狀態和生活顧問材料,插圖很多。它開辟了後來類書圖文兼重的途徑,明代的《三才圖會》、清代的《古今圖書集成》都受其影響。

[閱讀鏈接]

北宋時期科學家沈括的科學成就是多方麵的。

他提倡的新曆法,與今天的陽曆相似;記錄了指南針原理及多種製作法,發現地磁偏角的存在,闡述凹麵鏡成像的原理,對共振等規律加以研究;他對於有效的藥方,多有記錄,並有多部醫學著作;他創立“隙積術”和“會圓術”;他對衝積平原形成、水的侵蝕作用等都有研究,並首先提出石油的命名。

此外,他對當時科學發展和生產技術的情況,如畢昇發明的活字印刷術、金屬冶煉的方法等皆詳為記錄。