上圖為司南模型。

下圖為縷懸法指南針模型。 視覺中國供圖??

近日，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成并開通，中國成為世界第三個獨立擁有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。提起衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，不得不提我國最早的導(dǎo)航工具——指南針。

我國先民認識和掌握物質(zhì)的磁性經(jīng)過了漫長的道路。在生產(chǎn)勞動中，人們接觸了磁鐵礦，并發(fā)現(xiàn)了磁石引鐵的性質(zhì)和磁石的指向性，最終發(fā)明了指南針。宋代時期，先民已經(jīng)掌握了很多有關(guān)磁學(xué)方面的知識。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(shù)日，寫下了《揚子江》：“幾日隨風(fēng)北海游，回從揚子大江頭。臣心一片磁針石，不指南方不肯休?！痹撛娛赵凇吨改箱洝分?，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(xiàn)在戰(zhàn)國時期。它是用天然磁石制成的，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(zhuǎn)。當它靜止的時候，勺柄就會指向南方，古人稱它為“司南”。戰(zhàn)國時期的著作《鬼谷子》中記載了司南的應(yīng)用，鄭國人采玉時就帶了司南以確保不迷失方向。

春秋時代，人們已經(jīng)能夠?qū)⒂捕?度至7度的軟玉和硬玉琢磨成各種形狀的器具，因此也能將硬度只有5.5度至6.5度的天然磁石制成司南。東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(jīng)過琢磨制成勺型，勺柄作為指南極，并使整個勺的重心恰好落到勺底的正中，勺置于光滑的地盤之中，地盤外方內(nèi)圓，四周刻有干支四維，合成二十四向。這樣的設(shè)計是古人認真觀察了許多自然界有關(guān)磁的現(xiàn)象，積累了大量的知識和經(jīng)驗，經(jīng)過長期的研究才完成的。司南的出現(xiàn)是人們對磁體指極性認識的實際應(yīng)用。

但司南有許多缺陷，如天然磁體不易找到、加工困難、測量精度差、體積大攜帶不方便等，這是司南在相當長時間內(nèi)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，像一只小船，磁化后浮在水面，就能指示南北。當時以此作為一種游戲，稱為 “指南魚”，這就是指南針的雛形。北宋時，曾公亮在《武經(jīng)總要》載有制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(shù)分則止，以密器收之。用時，置水碗于無風(fēng)處平放，魚在水面，令浮，其首常向午也?！?/span>

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(nèi)部分子處于比較活動的狀態(tài)，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，而魚尾略向下傾斜可增大磁化程度。人工磁化方法的發(fā)明，對指南針的應(yīng)用和發(fā)展起了巨大的作用，在磁學(xué)和地磁學(xué)的發(fā)展史上也是一件大事。

指南針的發(fā)明是我國勞動人民在長期的實踐中對物體磁性認識的結(jié)果。到了宋代，這方面的知識已經(jīng)相當豐富了。北宋科學(xué)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，讓其浮在水面。碗唇旋定法是將磁針擱在碗口邊緣，磁針可以旋轉(zhuǎn)。指甲旋定法是把磁針擱在手指甲上面，由于指甲面光滑，磁針可以旋轉(zhuǎn)自如?？|懸法是在磁針中部涂一些蠟，粘一根蠶絲，掛在沒有風(fēng)的地方，用以指示方向。

衍生水針和旱針兩大體系

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，水面容易晃動從而影響測量結(jié)果。碗唇旋定法和指甲旋定法由于摩擦力小，轉(zhuǎn)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。事實上，沈括指出的4種方法已經(jīng)歸納了迄今為止指南針裝置的兩大體系——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，當時的人們用磁石去摩擦縫衣針，就能使針帶上磁性。從現(xiàn)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(nèi)部磁疇的排列趨于某一方向，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(fā)明不但為世界最早，而且為有實用價值的磁指向器的出現(xiàn)創(chuàng)造了重要的技術(shù)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?shù)闹谱鞣椒?。這種指南魚與《武經(jīng)總要》一書記載的不同，是用木頭刻成手指一般大的魚形木魚，并在其腹中置入一塊天然磁鐵，磁鐵的南極指向魚頭，用蠟封好后，從魚口插入一根針，就成為指南魚。將其浮于水面，魚頭便會指南，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?shù)母箖?nèi)，在木龜腹下方挖一光滑的小孔，對準并放置在直立于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(zhuǎn)的支點上了。由于支點處摩擦力很小，木龜可以自由轉(zhuǎn)動。但是，它并沒有用于航海指向，而用于幻術(shù)，這就是后來出現(xiàn)的旱羅盤的先聲。

?（作者系中國科學(xué)技術(shù)館研究員）

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