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指南針，讀作zhǐ nán zhēn，古代叫司南，主要組成部分是一根裝在軸上的磁針，磁針在天然地磁場(chǎng)的作用下可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)并保持在磁子午線的切線方向上，磁針的南極指向地理南極(磁場(chǎng)北極)，利用這一性能可以辨別方向。
常用于航海、大地測(cè)量、旅行及軍事等方面。物理上指示方向的指南針的發(fā)明有三類部件，分別是司南、羅盤和磁針，均屬于中國(guó)的發(fā)明。據(jù)《古礦錄》記載最早出現(xiàn)于戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的磁山一帶。
指南針是中國(guó)古代勞動(dòng)人民在長(zhǎng)期的實(shí)踐中對(duì)磁石磁性認(rèn)識(shí)的結(jié)果。作為中國(guó)古代四大發(fā)明之一，它的發(fā)明對(duì)人類的科學(xué)技術(shù)和文明的發(fā)展，起了無(wú)可估量的作用。在中國(guó)古代，指南針起先應(yīng)用于祭祀、禮儀、軍事和占卜與看風(fēng)水時(shí)確定方位。
產(chǎn)生背景
地球是一個(gè)大磁體。地球的兩個(gè)極分別在接近地理南極和地理北極的地方。地球表面的磁體，當(dāng)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)因磁體同性相斥、異性相吸的性質(zhì)指示南北——這個(gè)道理，古人不夠明白；但這類現(xiàn)象，古人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)。
磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)
先秦時(shí)代的中國(guó)勞動(dòng)人民已經(jīng)積累了對(duì)磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，在探尋鐵礦的時(shí)候，常常遇到磁鐵礦，即磁石（主要成分是四氧化三鐵——化學(xué)式FeO別名氧化鐵黑、磁鐵、吸鐵石，為具有磁性的黑色晶體，故又稱為磁性氧化鐵）?！豆茏印返臄?shù)篇中早已記載了這些發(fā)現(xiàn)：“山上又磁石者，其下有金銅?！薄?/span>山海經(jīng)》中也有類似的記載。磁石的吸鐵特性很早被人發(fā)現(xiàn)，《呂氏春秋》九卷精通篇就有：“慈招鐵，或引之也?！惫湃朔Q“磁”為“慈”。古人把磁石吸引鐵看作慈母對(duì)子女的吸引。并認(rèn)為：“石是鐵的母親，但石有慈和不慈兩種，慈愛的石頭能吸引他的子女，不慈的石頭就不能吸引了。”漢以前古人把磁石寫成“慈石”，是慈愛石頭的表達(dá)。到了西漢，有一個(gè)名叫欒大的方士，他利用磁石的特性做了兩個(gè)棋子的東西，通過調(diào)整兩個(gè)棋子極性的相互位置，有時(shí)兩個(gè)棋子相互吸引，有時(shí)相互排斥。欒大稱其為“斗棋”。他把這個(gè)新奇的玩意獻(xiàn)給漢武帝，并當(dāng)場(chǎng)演示。漢武帝驚奇不已，龍心大悅，竟封欒大為“五利將軍”。
李約瑟的觀點(diǎn)，他在《中國(guó)對(duì)航海羅盤研制的貢獻(xiàn)》一文，有明確的闡述。他從《古今注》、《管氏地理指蒙》、《九天玄女青囊海角經(jīng)》等書的記載中推測(cè)出如下結(jié)論：“磁石指向性轉(zhuǎn)移到它吸過的鐵塊的發(fā)現(xiàn)在中國(guó)大約在一世紀(jì)到六世紀(jì)。在十一世紀(jì)以前的某個(gè)時(shí)期就已發(fā)現(xiàn)，不僅可以用鐵塊在磁石上磨擦產(chǎn)生磁化現(xiàn)象；而且還可以用燒紅的鐵片，經(jīng)過居里點(diǎn)(CuriePoint)，冷卻或淬火而得到磁化，操作時(shí)，鐵片保持南北方向。
發(fā)明歷史
戰(zhàn)國(guó)時(shí)期
據(jù)《古礦錄》記載最早出現(xiàn)于戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的磁山一帶。指南針的前身是中國(guó)古代四大發(fā)明之一的司南。
據(jù)1982年3月，《光明日?qǐng)?bào)》報(bào)道：磁山（在今河北省邯鄲市武安）是我國(guó)四大發(fā)明之一指南針的發(fā)源地。據(jù)《古礦錄》記載：《明史地理志》稱：“磁州武安縣西南有磁山，產(chǎn)磁鐵石?！?/span>又《明一統(tǒng)治》稱：“磁州武安縣西南有磁山，產(chǎn)磁鐵石。”又《古礦錄》記載：《明一統(tǒng)治》稱：磁山，在縣西南30里，土產(chǎn)礦石，州名取此。磁山，指南針的故鄉(xiāng)。
觀點(diǎn)之一
王振鐸的相關(guān)觀點(diǎn)，指南針的發(fā)明至早不逾于 宋代，此種觀點(diǎn)在其一系列的研究成果都有所體現(xiàn)。如在《司南、指南針與羅經(jīng)盤(上)》一文中所述：“自周末至李唐，古人所稱述之‘司南’或稱‘指南’為一種辨別方向之儀器，其物便于攜帶及測(cè)驗(yàn)，宛如指南針之用矣。王振鐸認(rèn)為在唐朝已經(jīng)出現(xiàn)了便于攜帶的類指南針儀器，但絕不是指南針。王振鐸把此種物件看作是指南針的過渡形式。王振鐸未明確論斷指南針發(fā)明的具體時(shí)問，由于缺乏材料，出于科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性方面考慮，所以未輕易論斷。他在《司南、指南針與羅經(jīng)盤(中)》中說(shuō)：“(指南)魚法固早于(指南)針法約半個(gè)世紀(jì)，然此二者先后相互之關(guān)系，仍有待史證之發(fā)現(xiàn)而說(shuō)明也。”正是在此情況下說(shuō)的。另外，在同一篇論文中又說(shuō)：“中國(guó)古代，藉縫紉之鋼針，經(jīng)人工傳磁，而成人造磁體之指南針，其史證之發(fā)現(xiàn)，至今尚未見有早于十一世紀(jì)以前者?！边@是以北宋時(shí)沈括《夢(mèng)溪筆談·雜志一》與《夢(mèng)溪筆談補(bǔ)》為根據(jù)而加以論斷的。這兩篇文章中記載了此種人工傳磁而成人造磁體的指南針。另外王振鐸在此篇文章中批判了英人維烈亞力(Alexanderwylie)所著《中國(guó)研究》中所指的唐朝僧一行已經(jīng)注意到了磁針?biāo)阜较蚺c北極之差的錯(cuò)誤理解。最后鄭重地提出論斷：“按中國(guó)磁針偏向之記載，尚未發(fā)現(xiàn)史證有早逾《夢(mèng)溪筆談》者，存中記其‘微偏東’，寇宗爽記謂‘偏東’，即指磁針之偏角而言?！边@便是王振鐸由于材料所謂限制而不能對(duì)中國(guó)磁偏角的發(fā)現(xiàn)時(shí)間有一個(gè)確切的認(rèn)識(shí)。關(guān)于指南針的發(fā)明時(shí)代，王振鐸只是給出了一個(gè)大致的推測(cè)，在《司南、指南針與羅經(jīng)盤(中)》中，王振鐸說(shuō)：“指南針之發(fā)明時(shí)代，以《萍洲可談》海舶用磁針及沈括謂方家制磁針，信其創(chuàng)始必早?！敝改厢樀陌l(fā)明應(yīng)當(dāng)是一個(gè)很漫長(zhǎng)的時(shí)間中，慢慢地改進(jìn)的結(jié)果，而不同時(shí)期的形式，也應(yīng)以不同的形式出現(xiàn)，王先生也只能給出一個(gè)時(shí)間區(qū)間。
觀點(diǎn)之二
李約瑟的觀點(diǎn)，順序的磁偏角，先向東后偏西，體現(xiàn)在中國(guó)堪輿羅盤的設(shè)計(jì)的同心圓，這些同心圓一直存留至當(dāng)代。勿容置疑，磁羅盤在中國(guó)用于堪輿目的很久以后，才被用于航海。但是航海羅盤確是中國(guó)人的發(fā)明，它可能發(fā)生在十一世紀(jì)以前的某個(gè)時(shí)期或更早的時(shí)期?！崩罴s瑟在此段中對(duì)指南針，磁偏角、羅盤等問題論述的清楚，雖然有些論斷過于武斷，但是對(duì)中國(guó)指南針的發(fā)明問題，做出了一個(gè)總結(jié)性的論斷。
潘吉星先生在王振鐸先生與李約瑟先生研究的基礎(chǔ)之上加以總結(jié)，但可以明顯看出他比較同意李先生的觀點(diǎn)，對(duì)于李約瑟先生所提到的幾個(gè)材料在《中國(guó)古代四大發(fā)明——源流外傳及世界影響》一書作了詳細(xì)地論述與闡述。但同時(shí)也和李約瑟先生一樣，在有些問題上過于武斷，明顯的證據(jù)不足，讓人難以信服。
如他在書中所述：“但從司南儀到指南針中間經(jīng)歷了幾個(gè)技術(shù)過渡，這些過渡發(fā)生在魏晉南北朝至唐代?！彼@種論斷性的結(jié)論沒有太多的材料支持。但此結(jié)論在大體上是沒有錯(cuò)的。潘吉星先生和李約瑟先生一樣把崔豹《古今注》中的“蝌蚪，蝦蟆，(青蛙)子也，一名懸針，一名玄魚?！弊鳛椤皬纳椎结槨钡倪^渡來(lái)看。他說(shuō)：“將在空中的磁針與方位盤配合，在晉南北朝曾經(jīng)用過，確能指南，從而實(shí)現(xiàn)了李約瑟先生說(shuō)的from the spoon to the needle(從勺到針)的過渡。”潘吉星先生在同一本書中也對(duì)水羅盤的出現(xiàn)時(shí)問做出了論斷。他說(shuō)：“有證據(jù)顯示，9世紀(jì)唐代堪輿羅盤制造者已經(jīng)做出了這決定性的一步?！痹谕豁?yè)中，他再一次強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“晉南北朝開始對(duì)司南作技術(shù)改進(jìn)，而在唐代后期完成從司南向羅盤的轉(zhuǎn)變，北宋人享受這些技術(shù)成果并使之發(fā)揚(yáng)，歷史的發(fā)展脈絡(luò)應(yīng)是如此?！边M(jìn)一步對(duì)指南針的發(fā)展脈絡(luò)做出了闡述。潘吉星在李約瑟先生研究的基礎(chǔ)之上，吸收了王振鐸先生的部分觀點(diǎn)，對(duì)指南針的發(fā)明時(shí)間與過程重新作了一個(gè)界定，雖然依然有部分不妥之處，但總體來(lái)說(shuō)，是科技史上的一個(gè)進(jìn)步。麗另外一些學(xué)者，或是沒有新材料而做出驚人的論斷，或是材料不足，僅憑某一材料片段做出新的論斷，但總體來(lái)說(shuō)均未能讓眾人信服，影響亦不是很大?！倍阎改厢樒鹪凑摂嘤?唐代。姑且不論此論斷的正確與否，單依此材料根本不能得出此種論斷。
觀點(diǎn)之三
在成都民間收藏族的藏品中，發(fā)現(xiàn)了一件極具學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值的玉(石)器，它是由七塊玉(石)板拼接而成，正面是圖形，反面是古文字，特別是在第4塊玉(石)板上的中間，有一個(gè)圓形圖案，其上放置了一個(gè)類似半個(gè)“地球”的東西。在這個(gè)“地球”的頂部(北極)有一個(gè)直徑4cm的小洞，其中插有一支玉(石)的指南針，在圓形圖案上還有“東”、“南”、“西”、“北”四個(gè)古文字。依據(jù)現(xiàn)有學(xué)科專業(yè)知識(shí)分析，這四個(gè)古文字與我們今天在進(jìn)行地質(zhì)填圖時(shí)所使用的羅盤上的“東”、“南”、“西”、“北”的方位字一樣，除東字外，其余“南”、“西”、“北”三個(gè)字均與甲骨文不同。在三星堆玉(石)器上發(fā)現(xiàn)指南針很重要，那種認(rèn)為指南針最早出現(xiàn)在 春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代的觀點(diǎn)由此會(huì)被徹底推翻，文獻(xiàn)中曾提及的黃帝發(fā)明指南車一事，但至今只是推測(cè)，未見考古實(shí)物，而三星堆地區(qū)玉(石)器上指南針的發(fā)現(xiàn)把中國(guó)指南針的發(fā)現(xiàn)史推到了伏羲時(shí)代。三星堆發(fā)現(xiàn)的指南針是玉(石)的，不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，是象征性的。
早期形制
在中國(guó)的方位文化中經(jīng)歷了從天文學(xué)方法定位再以磁學(xué)方法制成司南，最后由司南演變成指南針的三個(gè)階段，隨之而來(lái)的是測(cè)定方位技術(shù)的不斷完善。
司南
圖1—司南模型(王振鐸復(fù)原)
在提到司南的文獻(xiàn)中，王充的記述是最重要的，他明確指出：“司南之杓，投之于地，其柢指南?！?是應(yīng)篇)其中的“杓”是指勺子。具備這種“指南”性能的司南，應(yīng)是磁性指向器。但是，這里的“地”是指古代械盤中的“地盤”。械盤是秦漢時(shí)期發(fā)明的，用于游戲或占卜。在“地盤”的四周刻有24個(gè)方位，中心刻有象征北斗七星的標(biāo)志。中國(guó)現(xiàn)代著名的科技史家和文物復(fù)制專家王振鐸曾依據(jù)這些記載成功地復(fù)原了漢代的司南(如圖1所示)。
圖1司南模型(王振鐸復(fù)原)勺形司南尚無(wú)實(shí)物出土，但漢代畫像石上，有類似勺形司南形象的畫面(如圖2所示)，這表明王充的記載應(yīng)該是可信的。在這幅石像中，可看到，畫面主體是魔術(shù)師和雜技演員在表演，上面一行人是貴族觀眾，右上角的小方臺(tái)上放著一個(gè)疑似司南的長(zhǎng)柄匙(見畫面外小插圖)，一個(gè)人在跪著觀察它。
磁體定向裝置的出現(xiàn)，就使人從靠觀察天體定向的被動(dòng)性轉(zhuǎn)向靠地磁定向的主動(dòng)性。人類最早的磁體定向裝置，是以天然條狀磁石制成的司南，它出現(xiàn)后在中國(guó)戰(zhàn)國(guó)末期(前三世紀(jì))而在漢代得到進(jìn)一步的發(fā)展。司南儀的出現(xiàn)具有重要?dú)v史意義，因?yàn)樗且耘c天文定向原理截然不同的磁學(xué)原理制成的新型導(dǎo)向裝置，在任何天氣條件下都能晝夜工作，迅速指出方向，操作簡(jiǎn)便易于攜帶。
最初，“司南”指測(cè)影的表?xiàng)U。如《韓非子·有度篇》說(shuō)，“故先王立司南，以端朝夕?！薄岸顺Α奔凑龞|西，引申為確定東西南北方向?！傲⑺灸稀眮?lái)源于殷商甲骨文中的“立中”和戰(zhàn)國(guó)時(shí)的“立朝夕”，它們的意思都是立表以測(cè)日影。
磁勺
磁勺是一種天然磁石琢成的勺形指向器，當(dāng)它被發(fā)現(xiàn)的時(shí)候，其狀取法北斗七星，名稱則沿用“司南”。古文“司南”可以推定為磁勺的至少有《鬼谷子》、《論衡》、《玄覽賦》、《飄賦》四項(xiàng)記載?！端螘ざY志》引《鬼谷子》曰：“鄭人取玉，必載司南，為其不惑也?！薄?/span>鬼谷子·謀篇》至遲成書于西漢，或許是先秦之書，其中關(guān)于“鄭人取玉，必載司南”的傳說(shuō)，暗示了磁勺與玉器業(yè)的聯(lián)系，甚難加工的磁勺應(yīng)是玉工高手的杰作。
東漢王充的的《論衡·是應(yīng)篇》說(shuō)：“司南之勺，投之于地，其柢指南?！本渲械摹暗亍币话憬忉尀椤暗乇P”，也可能是“池”字誤寫。這句話應(yīng)釋為：勺狀的司南，放在“地盤”上（或投入盛有適量液體（如水銀）的容器中），它的勺柄必然自動(dòng)指向南方。
此后，梁元帝蕭繹的《玄覽賦》說(shuō)：“見靈烏之占巽，觀司南之候離?！碧祈f肇的《飄賦》說(shuō)：“挹酒漿，則仰惟北（北斗）而有別；充玩好，則校司南以為可?！痹俅谓榻B了司南（磁勺）的功用和形狀。
磁勺的實(shí)物雖然迄今尚未發(fā)現(xiàn)，但與此有關(guān)的文物至少有兩件。一是瑞士蘇黎世的Rietberg博物館中所藏的一塊公元114年的東漢畫像石，其右上角有一人正在觀測(cè)一件可能是“司南之勺”的東西。二是那志良《玉器通釋》上冊(cè)著錄的一件“司南佩”古玉器，此玉“長(zhǎng)不過寸許，一端琢成一個(gè)小勺，一端琢成一個(gè)圓形的小盤，中間有一個(gè)橫穿。”“司南佩”的制作年代不明，推測(cè)為唐代之物。
除了上述的表和磁勺之外，司南又是指南車、指南舟和報(bào)時(shí)刻漏的代稱。晉人葛洪所作的《西京雜記》中提到的“司南車”即半自動(dòng)機(jī)械裝置指南車?！端螘ざY志》記載：“晉代又有指南舟?！?/span>南朝任昉的《奉和登景陽(yáng)山》詩(shī)吟道：“奔鯨吐華浪，司南動(dòng)輕枻?！痹?shī)中的司南即指皇家園池中的指南舟，可是，“指南舟”究竟怎樣導(dǎo)航，至今依然是一個(gè)迷。唐代大詩(shī)人杜甫的詠《雞》詩(shī)云：“氣交亭育際，巫峽漏司南?！币庵^夜半零時(shí)正，詩(shī)人恰聞司南的報(bào)時(shí)之聲。
磁針的發(fā)明
指南針的發(fā)明應(yīng)當(dāng)是在一個(gè)很漫長(zhǎng)的時(shí)間中，慢慢地改進(jìn)的結(jié)果，而不同時(shí)期的形式，應(yīng)以不同的形式出現(xiàn)。唐代堪輿家的活動(dòng)相當(dāng)活躍，并開始強(qiáng)調(diào)方向的選擇，尋找比磁勺更方便的指向器成了當(dāng)務(wù)之急。于是指南鐵魚或者蝌蚪形鐵質(zhì)指向器及水浮磁針應(yīng)運(yùn)而生。
活動(dòng)于唐開元年間（713—741年）的山西堪輿家丘延瀚，被后世堪輿家推崇為堪輿術(shù)三針（正針、縫針和中針）中最早出現(xiàn)的正針法的創(chuàng)始人。明代雅好科技的寧獻(xiàn)王朱權(quán)則在其《神機(jī)秘籍》中說(shuō)：“針法古無(wú)所傳，自昔玄真始制?！毙婕刺拼憬鹑A道家張志和（約730—約810年），他的道號(hào)叫玄真子，所著《玄真子》十二卷，殘存三卷。從這殘卷中知道他頗好物理，但未找到與指南針或針法直接有關(guān)的記載。然而，這個(gè)道號(hào)不禁使人聯(lián)想到舊題晉崔豹所作的《古今注》中把蝌蚪稱為“玄針”。其文曰：“蝦蟇子，曰蝌蚪，一曰玄針，一曰玄魚，形圓而尾大，尾脫即腳生?！笔兰o(jì)時(shí)馬縞的《中華古今注》中也有類似的記載。這項(xiàng)記載似乎把磁針與指南魚的發(fā)明和應(yīng)用從形狀和性能上聯(lián)系到了一起。
關(guān)于指南魚的制備方法，見于北宋曾公亮等利用前人資料編撰的《武經(jīng)總要》?！段浣?jīng)總要》前集卷十五載其法曰：“用薄鐵葉剪裁，長(zhǎng)二寸，闊五分，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(duì)子位，蘸水盆中，沒尾數(shù)分則止，以密器收之?！边@種方法利用地磁場(chǎng)使鐵片磁化，并知道魚形鐵片微向下傾斜對(duì)磁化有利，實(shí)際上已發(fā)現(xiàn)近代科學(xué)中所謂的磁傾角的影響。使用時(shí)，指南魚浮于水面，與水浮磁針的原理是一致的。
水浮磁針的制作方法首見于北宋沈括的《夢(mèng)溪筆談》卷二十四，其文曰：“方家以磁石摩針鋒，則能指南?！边@種方家在實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的鋼針磁化法，經(jīng)過沈括之手公布于世，有力地促進(jìn)了磁針在堪輿和航海兩大領(lǐng)域中的應(yīng)用和普及。指南針進(jìn)入到實(shí)用磁針的階段，對(duì)裝置方法的研究提到了議事日程。沈括全面研究和比較了“水浮”法、置“指爪”法、置“碗唇”法及“縷懸”法的優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為“縷懸”法最佳?！捌浞ㄈ⌒?/span>纊中獨(dú)繭縷，以芥子許蠟，綴于針腰，無(wú)風(fēng)處懸之，則針常指南?！爆F(xiàn)代磁強(qiáng)計(jì)中懸掛的小磁鐵，就采用了此相似的方法。磁針指的精度，與司南及指南魚不可同日而語(yǔ)，故磁針的發(fā)明，很快導(dǎo)致了磁偏角的發(fā)現(xiàn)。
五代亂世的《管氏地理指蒙·釋中第八》曰：磁針“體輕而徑所指必端應(yīng)一氣之所召，土曷中而方曷偏，較軒轅之紀(jì)，尚在星虛丁癸之躔”。軒轅黃帝時(shí)代的磁偏角，作者以為尚在“星（午）虛（子）丁癸”方向，而當(dāng)時(shí)“針指坎離定陰陽(yáng)之分野，格偏壬丙探僭越之津涯”。偏角變?yōu)槟掀珫|15°。
由于堪輿術(shù)的神秘性，中國(guó)唐宋堪輿著作在流傳中又相互影響，有所增刪，要從眾多早期堪輿著作中理出磁針、磁偏角以至羅盤的發(fā)明、發(fā)現(xiàn)年代，誠(chéng)非易事，然而，北宋司天監(jiān)楊惟德于慶歷元年（1041年）奉命編撰的相墓大全《塋原總錄》卷一位磁偏角的發(fā)現(xiàn)訂定了下限。書中說(shuō)：“客主的取，宜匡四正以無(wú)差，當(dāng)取丙午針，于其正處，中而格之，取方直之正也?！边@里明確地記載了“丙午針”，即后世沈括在《夢(mèng)溪筆談》卷二十四中所說(shuō)的磁針“常微偏東，不全南也”。在西方，直到13世紀(jì)才知道磁針偏南。1429年哥倫布（ChristopherColumbus，1451—1506年）橫渡大西洋時(shí)，正式測(cè)到磁偏角現(xiàn)象。
中國(guó)發(fā)現(xiàn)了元代水浮法指南針瓷碗。1959年，在遼寧旅順甘井子元代墓葬中出土了兩件磁州窯白釉褐花大碗，大碗內(nèi)底部彩繪兩個(gè)同心圓，圓內(nèi)繪并排的三點(diǎn)，中間一線相連。乍看此圖形似一個(gè)不規(guī)則的“王”字，故被稱為“王字紋碗”。碗外底圈足內(nèi)又墨書一個(gè)“針”字。經(jīng)科技史學(xué)家王振鐸先生研究證實(shí)，這種碗就是航海時(shí)指示方向所用的針碗。它的使用方法是這樣的：針碗的水面上漂著穿在浮漂上的磁針，碗內(nèi)底的“王”字形標(biāo)志則有助于標(biāo)明方向。先將“王”字中的細(xì)道與船身中心線對(duì)直，如船身轉(zhuǎn)向，磁針便和該細(xì)線形成夾角，從而顯示航向轉(zhuǎn)移的角度。類似的碗在江蘇丹徒照臨村元代窖藏和河北省磁縣漳河故道元代沉船內(nèi)都有發(fā)現(xiàn)。
羅盤的發(fā)明與西傳
磁針問世后，先后用于堪輿和航海。為了使用方便，讀數(shù)容易，加上磁偏角的發(fā)現(xiàn)，對(duì)指南針的使用技巧提出了更高的要求，方家首先將磁針與分度盤相配合，創(chuàng)制了新一代指南針——羅盤。不過有些場(chǎng)合，碗中的水浮磁針仍在使用，故沈括《夢(mèng)溪筆談》卷二十四稱“水浮多蕩搖”。江蘇、河北和遼寧旅大曾出土元代的不帶刻度的指南針專用針碗。當(dāng)航船還在使用浮針加針碗時(shí)，堪輿羅盤卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)地跑到了前面。
考古資料表明，堪輿家選擇墓穴采用二十四向表示法大約始于唐末。南唐何溥主持建徽城，看風(fēng)水時(shí)也用二十四向表示法。何溥所撰的《靈城精義》“理氣章正訣”中說(shuō)，“地以八方正位，定坤道與輿圖，故以正子午為地盤，居內(nèi)以應(yīng)地之實(shí)?！碧煲?/span>十二分野，正躔度之次舍，故以壬子丙午為天盤，居外以應(yīng)天之虛?！弊髡?、時(shí)代不明的《九天玄女青囊海角經(jīng)》“理氣篇”中有一段幾乎相同的文字，兩者應(yīng)同出一源。
羅盤
中國(guó)的磁針和羅盤先后經(jīng)由陸水兩路西傳，曾給人類的文明的進(jìn)程帶來(lái)重大的影響。以前史學(xué)界認(rèn)為磁針在水中的水羅盤與指南針一脈相承，是中國(guó)的發(fā)明，但旱羅盤是歐洲所發(fā)明，16世紀(jì)才經(jīng)由日本船傳入中國(guó)。而今臨川羅盤證明：旱羅盤的發(fā)明權(quán)也屬于中國(guó)。
最初形制
磁石指極性與磁性指向器的最初形制
對(duì)于磁石吸鐵性的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用，傳說(shuō)，秦皇宮的磁石門可防止身帶鐵刃的刺客進(jìn)入。文獻(xiàn)中對(duì)磁石吸鐵現(xiàn)象多有記述，如戰(zhàn)國(guó)時(shí)期成書的《呂氏春秋》、西漢時(shí)期成書的《淮南子》和東漢王充的《論衡》，這些作者都提到磁石吸鐵現(xiàn)象，玳瑁和琥珀等物體能吸引某些輕小物體的現(xiàn)象。王充指出，這些現(xiàn)象是“感應(yīng)”(一種超距作用的看法)的作用，但似乎并不知道電感應(yīng)和磁感應(yīng)的區(qū)別。指南針是用天然磁石制成的，要發(fā)明指南針，就要研究磁石的指極性。
磁化技術(shù)和磁偏現(xiàn)象的記述
北宋時(shí)磁化技術(shù)取得了突破，這些技術(shù)加速了磁性指向器的普及，并且導(dǎo)致指向器形制新的演變。
指南魚的磁性是很弱的，作為一種“天然的”缺陷，圓形的魚首也使它的指向精度受到限制。雖然這種簡(jiǎn)易的磁化技術(shù)使指南魚的制作容易了許多，但它的形狀造成與勺形司南有類似的缺陷。
同樣，具有實(shí)用性的磁化技術(shù)，與曾公亮同時(shí)代的沈括在《夢(mèng)溪筆談》中也有記載。他寫道：“方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也。”(卷24)這種形制易流行、且簡(jiǎn)單，磁化效果也相當(dāng)好，特別是，它對(duì)指向器形制的改進(jìn)產(chǎn)生了另一個(gè)突破——針狀。用針指向，它的指向精度可以得到極大的提高。這樣，司南就衍變成了指南針，而且這種指南針也更容易普及了。無(wú)疑，這是磁性指向器形制的最重要的改進(jìn)。
由于指針指向精度得以提高，人們?cè)谑褂弥改厢槙r(shí)很快就注意到，它所指的方向有時(shí)并非正南，這就是磁偏現(xiàn)象——“然常微偏東，不全南也”。
實(shí)際上，在寫于慶歷元年(1041)的《塋原總錄》中，比沈括稍早些的楊維德已經(jīng)記載了指南針和磁偏角的存在．他寫道：“匡四正以無(wú)差，當(dāng)取丙午針。于其正處，中而格之，取方直之正也?！?卷1)這里說(shuō)的“針”就是磁針，而“丙午針”是指磁針在靜止時(shí)，針指的方位是24個(gè)方位中丙位和午位的結(jié)合部，也就是南偏東約7。5°。這與沈括的“微偏東”是一致的，但楊維德的說(shuō)法更早，描述也更精確些。
稍晚于沈括的寇宗夷在所著的《本草衍義》也提到：“磁石??磨針鋒則能指南，然常偏東，不全南也。其法取新纊中獨(dú)縷，以半芥子許蠟綴于針腰，無(wú)風(fēng)處垂之，則針常指南。然常偏丙位。蓋丙為大火，庚辛金受其制，故如是，物理相感爾。”(卷5)這段話講到指南針的磁化，講到磁偏現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，還講到指南針的架設(shè)問題，以及利用五行學(xué)說(shuō)簡(jiǎn)要地解釋磁針指向的原因。在這里，寇宗夷所使用的是“水浮法”，這與沈括是有些不同的。這也說(shuō)明，在這時(shí)人們還在探索形制，一直在進(jìn)行著不同的嘗試。早在晚唐時(shí)期成書的《管氏地理指蒙》，在這篇文獻(xiàn)中我們可以讀到：磁者母之道，針者鐵之戕。母子之性，以是感，以是通；受戕之性，以是復(fù)，以是完。體輕而徑，所指必端。應(yīng)一氣之所召??。透過這段話，可以看到，它記述的磁偏角約為南偏東15°左右。這說(shuō)明，關(guān)于地磁偏現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)可能早于宋代。在另一篇早期文獻(xiàn)中提到地磁偏的是《九天玄女青囊海角經(jīng)》，這部書的成書時(shí)間約在10世紀(jì)下半葉。
與沈括大致同時(shí)代的王假(福建堪輿學(xué)派的創(chuàng)立者)也提到過磁偏角。在王僅的一首詩(shī)中，他寫道：“虛危之間針路明，南三張度上三乘”。這里的前一句所提到的顯然是天體坐標(biāo)的南北向，但通過觀察地磁羅盤會(huì)發(fā)現(xiàn)，南方星宿“張”的范圍是如此之廣，以至于兩個(gè)磁偏角及天體坐標(biāo)的正南這3個(gè)“南方”方位均包含在其內(nèi)。所以，他對(duì)磁偏角的涉及，具體數(shù)值還不能完全確定，但它的地磁偏現(xiàn)象的記載，說(shuō)明了風(fēng)水師是重視地磁偏現(xiàn)象的研究的。王僅是一位著名的堪輿家，他的主要著作寫于1030—1050年間。
宋代曾三異在1189年寫的《因話錄》提到，在地球表面上一定有某個(gè)區(qū)域，在那里磁偏角為零。曾三異的觀點(diǎn)很有見地，事實(shí)上也確實(shí)存在著零磁偏角線。即使如此，他也只是提出了一種有價(jià)值的猜測(cè)。16世紀(jì)，明代人迸一步發(fā)現(xiàn)了在不同的地點(diǎn)磁偏角的大小也不同的結(jié)論；18世紀(jì)，才出現(xiàn)關(guān)于磁偏角的大小也隨時(shí)間的變化而變化的明確記載。
指南針架設(shè)方法與羅盤
指南針如何架設(shè)起來(lái)，沈括比較了4種不同的架設(shè)方法：
水浮多蕩搖。指爪及碗唇上皆可為之，運(yùn)轉(zhuǎn)尤速，但堅(jiān)滑易墜，不若縷懸為最善。其法取新纊中獨(dú)繭縷，以芥子許蠟，綴于針腰，無(wú)風(fēng)處懸之，則針常指南。這就是有名的沈括“四法”。沈括對(duì)前3種方法采取否定的態(tài)度，盡管“水浮法”是曾公亮已經(jīng)有過嘗試的方法．在《武經(jīng)總要》中記載的使用方法是將指南魚“平放水面令浮”，為此魚形的鐵葉可能是中間微凹的，這樣的結(jié)構(gòu)使鐵魚像小船一樣漂浮在水面上。宗夷也提出了架設(shè)的方法，他指出：“以針橫貫燈心，浮水上，亦指南?！?/span>
沈括嘗試的四種安裝指南針的方法
南宋時(shí)，指南針的架設(shè)問題有了新的進(jìn)展。南宋陳元靚在《事林廣記》(成書于1100—1250年間)中記述了兩種指南針，即指南魚和指南龜。它們可看作“水針(水羅盤)”和“旱針(旱羅盤)”的先驅(qū)。水羅盤(也叫浮針羅盤)是從《武經(jīng)總要》的指南魚到《事林廣記》的指南魚發(fā)展過來(lái)的，由于后者是木刻的，自然可浮在水面，似乎也不怕水面蕩搖，它已發(fā)展成為一種比較成熟的結(jié)構(gòu)。此后，水針一直比較流行，加上進(jìn)一步的改進(jìn)，將磁針穿上小木條，取代了木頭刻的魚，使之更實(shí)用了。自然，“指南魚”這種形制也就消失了?！妒铝謴V記》記載的“指南龜”，則是后世旱羅盤的先驅(qū)。它因?yàn)椴捎昧酥襻斨С校Σ亮π?，旋轉(zhuǎn)靈活，因而也受到人們歡迎。后來(lái)人們將其發(fā)展成了樞軸支承式，這種形制就成了使用簡(jiǎn)便的旱羅盤。1985年5月，在江西臨川縣溫泉鄉(xiāng)朱濟(jì)南墓中出土了一件題名“張仙人”的俑，高22。2em，手捧羅盤。此羅盤樣的磁裝置結(jié)構(gòu)與宋代水浮針不同，其菱形針的中央有一明顯的圓孔，說(shuō)明它采用的是樞軸支承的架構(gòu)。這座墓下葬的時(shí)間為南宋慶元四年(1198)?？梢娫诤盗_盤問世不久，中國(guó)人已經(jīng)將其發(fā)展成樞軸支承式的了。
結(jié)語(yǔ)
旱羅盤后來(lái)經(jīng)阿拉伯傳人歐洲，在歐洲發(fā)展成熟起來(lái)。歐洲人又進(jìn)一步對(duì)這種旱羅盤做了改進(jìn)，使用起來(lái)很是方便。這種改進(jìn)雖然對(duì)磁的知識(shí)并未增加，甚至也未“改善”，但是卻對(duì)航海事業(yè)產(chǎn)生了積極影響。也就是說(shuō)，在發(fā)展航海事業(yè)的過程中，使磁技術(shù)的價(jià)值彰顯出來(lái)。從磁的吸鐵性和指極性知識(shí)看，在磁技術(shù)的發(fā)展早期，磁技術(shù)對(duì)生產(chǎn)發(fā)展和航海、堪輿的活動(dòng)是有價(jià)值的，而磁技術(shù)的改善就是圍繞著這種需求發(fā)展的。在磁技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，人們也積累起些許磁學(xué)知識(shí)。這個(gè)積累過程是緩慢的，這當(dāng)然是由于貌似簡(jiǎn)單的磁知識(shí)，它聯(lián)系著對(duì)地(球)磁場(chǎng)的認(rèn)識(shí)。這使問題具有了某種復(fù)雜性，而破解這種復(fù)雜性還需要時(shí)間，需要某種天才；同時(shí)也期待著高水平的精準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)用。
在這些精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)中，磁化技術(shù)中的兩種方法是很重要的。在這些磁化技術(shù)的發(fā)展中，古人所依據(jù)的科學(xué)原理，要么是不知道，要么是不符合現(xiàn)代的科學(xué)原理。所以，古人是黑暗中摸索著前進(jìn)的，是在對(duì)經(jīng)驗(yàn)中的領(lǐng)悟中發(fā)展著的。在這些發(fā)明中，指南“針”形狀發(fā)明提高了指向的精度，也使磁偏角得以發(fā)現(xiàn)．針的形制無(wú)疑是具有重要意義的，推進(jìn)了對(duì)磁的認(rèn)識(shí)，有益于磁知識(shí)的積累。大體上說(shuō)，磁性指向器的演變過程中，形制的不斷改進(jìn)是很重要的，就像汽車發(fā)明后，汽車的樣子也不斷發(fā)生變化，甚至是很大的變化，但這也是逐步演變的。磁性指向器的交流中，也包含著磁知識(shí)的交流，這種交流促進(jìn)著“磁學(xué)”知識(shí)的積累和發(fā)展。這直到近代才結(jié)出果實(shí)。
羅盤西傳
中國(guó)的磁針和羅盤先后經(jīng)由陸水兩路西傳，曾給人類文明的進(jìn)程帶來(lái)重大的影響。史學(xué)界認(rèn)為磁針浮在水中的水羅盤與指南針一脈相承，是中國(guó)的發(fā)明。1985年江西臨川南宋朱濟(jì)南墓出土的“張仙人”俑手持的旱羅盤證明：旱羅盤的發(fā)明權(quán)也屬于中國(guó)。
現(xiàn)代指南針
現(xiàn)代電子羅盤
現(xiàn)代人制作了各種電子指南針，智能手機(jī)普遍有這個(gè)軟件，電子羅盤也叫數(shù)字羅盤，是利用地磁場(chǎng)來(lái)定北極的一種方法，應(yīng)用到手機(jī)上，其實(shí)就是電子指南針，電子羅盤一般用磁阻傳感器和磁通門加工而成。
電子羅盤
電子羅盤可以分為平面電子羅盤和三維電子羅盤。平面電子羅盤要求用戶在使用時(shí)必須保持羅盤的水平，否則當(dāng)羅盤發(fā)生傾斜時(shí)，也會(huì)給出航向的變化而實(shí)際上航向并沒有變化。雖然平面電子羅盤對(duì)使用時(shí)要求很高，但如果能保證羅盤所附載體始終水平的話，平面羅盤是一種性價(jià)比很好的選擇。三維電子羅盤克服了平面電子羅盤在使用中的嚴(yán)格限制，因?yàn)槿S電子羅盤在其內(nèi)部加入了傾角傳感器，如果羅盤發(fā)生傾斜時(shí)可以對(duì)羅盤進(jìn)行傾斜補(bǔ)償，這樣即使羅盤發(fā)生傾斜，航向數(shù)據(jù)依然準(zhǔn)確無(wú)誤。有時(shí)為了克服溫度漂移，羅盤也可內(nèi)置溫度補(bǔ)償，最大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移。
電子羅盤原理
三維電子羅盤由三維磁阻傳感器、雙軸傾角傳感器和MCU構(gòu)成。三維磁阻傳感器用來(lái)測(cè)量地球磁場(chǎng)，傾角傳感器是在磁力儀非水平狀態(tài)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償;MCU處理磁力儀和傾角傳感器的信號(hào)以及數(shù)據(jù)輸出和軟鐵、硬鐵補(bǔ)償。該磁力儀是采用三個(gè)互相垂直的磁阻傳感器，每個(gè)軸向上的傳感器檢測(cè)在該方向上的地磁場(chǎng)強(qiáng)度。
磁偏角
地球表面任一點(diǎn)的磁子午圈同地理子午圈的夾角，即為磁偏角。磁偏角在同一地點(diǎn)也不是定值，每天早晚測(cè)定的磁偏角也有微小的差異，磁偏角具有長(zhǎng)期變化和周日變化的特性。氣象條件對(duì)磁偏角的影響也很大，尤其在雷電天氣下是不能觀測(cè)的。磁偏角受地磁環(huán)境影響比較顯著，由于地磁的特性，磁子午線情況比較復(fù)雜，且互相不平行，直線愈長(zhǎng)，誤差越大。
指南詞義
“指南”的詞義有指導(dǎo)或準(zhǔn)則之意，而“指南”來(lái)源于“司南”，兩者僅一音之轉(zhuǎn)。在漢至唐的文獻(xiàn)中，讀者可讀到諸如“事之司南”、“文之司南”以及人之司南等詞語(yǔ)。唐代以后，在社會(huì)科學(xué)中，“司南”一詞完全為“指南”所取代。唐代以后，“司南”（磁勺）奇跡般地銷聲匿跡，因是磁針已經(jīng)問世。
磁子午線
社會(huì)反應(yīng)
指南針打開了世界市場(chǎng)
指南針在航海上的應(yīng)用對(duì)地理大發(fā)現(xiàn)和海上貿(mào)易有極大的促進(jìn)作用。指南針的發(fā)明源于中國(guó)古人如何定向問題的研究，也表明古人對(duì)如何定向問題的重視，為此，指南針被譽(yù)為中國(guó)古代四大發(fā)明之一。古代中國(guó)人將指南針用于軍事和航海的活動(dòng)，也被用于堪輿術(shù)，后來(lái)還輾轉(zhuǎn)傳入歐洲，在歐洲的航?；顒?dòng)和地理大發(fā)現(xiàn)中，發(fā)揮了不可替代的重要作用。在航海技術(shù)發(fā)明中，指南針也是最重要的單項(xiàng)發(fā)明。
參考資料
[1]
四大發(fā)明之指南針 · 央視網(wǎng)[引用日期2015-10-22]
[2]
張仙人俑與旱羅盤（文化史海拾零） · 人民網(wǎng)[引用日期2015-03-21]
[3]
電子羅盤是什么 · 太平洋電腦網(wǎng)[引用日期2015-03-21]
[4]
青海省第一測(cè)繪院關(guān)于《2013年度目標(biāo)責(zé)任制》完成應(yīng)用測(cè)繪新技術(shù)指標(biāo)的報(bào)告 · 人民網(wǎng)[引用日期2015-03-21]
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作者
