朋友们,大家好!
飞机在辽阔的天空中翱翔,轮船在无际的大海中航行,探险队在苍莽的森林中勘察,商旅们在浩瀚的沙漠中跋涉,他们是依靠什么来辨别方向的呢?
大家也许会不约而同地说出同一答案:指南针。可你知道指南针是怎样发明的吗?你知道关于指南针,有许多使人难忘的故事吗?
相传在4000 多年前,在中国北方中原地区,黄帝和蚩尤大战于涿鹿之野,战斗持续了半年未有分出胜负。应该说,黄帝在这场战斗中能够取胜,因为他的部落是一个比较强大的部落,而且他代表着正义。但是,每当战斗即将胜利之时,总是有大雾迷漫山野,让人辨不出方向,所以总是前功尽弃。
黄帝决定派人探个究竟,这雾到底是怎么引起的。于是派一个重要将领随自己上山,侦察蚩尤部落的动静。黄帝等人到了山上后,各处山谷里全弥漫着悠悠昏霞,雾悄然独自上山,好像一个恶灵,寻找安息之处而不可得似的。粘湿而冷酷的雾缓缓飘来。只见,浪潮起伏,互相追逐,好像险恶的海面上的波涛。雾的密度封闭了所有景物,就在黄帝准备命令返营时,身边的大将突然发现了一个奇迹。
黄帝随着大将手指的方向望去,只见在蚩尤的大营中,蚩尤正坐在祭坛上,身后幽燕,徐徐作雾,雾从他的口中吐出,慢慢飞出营外,萦绕着山川巨野。黄帝这才想起这不是自然界之雾,如想破掉雾,必须造出一样东酉,使人能够辨别方向,然后才可一举破之。
黄帝回营后,立即吩咐能工巧匠造指南车让指南车认出方向。在指南车造好后的一个黄昏,黄帝率领部落,大举进攻蚩尤。这时蚩尤再作雾也不灵了,黄帝部落在指南车的指引下,在迷雾中大败蚩尤,结果蚩尤残败,黄帝大胜。
其实,上面这个故事虽然流传很广,但是黄帝发明指南车是不足信的。而且指南车与指南针有着本质的区别。根据历史记载,东汉时的大科学家张衡倒是确实发明过指南车,但是他的制造方法却失传了,甚为可惜。到了三国时代,有个叫马钧的发明家,重新造出了指南车。当然,马钧的发明,我们将在后面介绍。
下面这个故事,倒是和指南针有些关系。
据说秦始皇在位时,身边网罗了一批术士来为他寻求长生不老之药。有一天,一位叫徐福的术士奏本说:“在东方的大海上有三座神山,名叫蓬莱、方丈、瀛州,仙人们都在那里居住。请皇帝让我率领一批男女儿童前往寻求。”
秦始皇很高兴,马上选派了几千名儿童,又为他造了艘大船,让他从现在的山东日照县附近出海。谁知徐福一去不返,不知道他把这些男女少年带向何方。几千年过去了,秦始皇早已成为历史的陈迹。但徐福渡海求药的故事并没有被人们忘记。有些历史学家认为,当时徐福他们是横渡黄海和朝鲜海峡到达了日本。如果情形真是如此的话,那么徐福可以算得上中国航海家中的先驱人物,也就是说,徐福最早使用了指南针。
也许有读者会说:“难道徐福非要使用指南针不可吗?比如用太阳、星星定方位,不是同样可以到达指定地点吗?”不错,这样的确可以,我国古代的人们也就是这样做的。但是,如果碰到那种“阴风怒号,浊浪排空,日星隐耀,山岳潜行”的天气怎么办呢?再说,这种天气,在大海中是家常便饭。茫茫大海,无边汪洋,如果航向偏离1°,那就可能永远也到达不了目的地。正所谓“失之毫厘,谬以千里。”
当然,我们在这里,也只是猜测而已,不必当真,权且作为探讨。
指南针是利用磁铁在地球磁场中的指极性而制成的。磁铁能够吸铁,也就是我们通常说的吸铁石。
2000 多年前,我国的春秋战国时期,采矿、冶铁业已有相当规模。劳动人民在寻找铁矿的过程中,发现了这种神奇的矿石,因为它一碰到铁就吸住,好比一个慈祥的母亲吸引自己的孩子,所以称它为“慈石”。《管子·地数篇》中记有:“上有慈石者,下有铜金。”《山海经·北山经》中记有:“西流注于泑泽,其中多慈石。”古人把磁石吸铁比作“母子相恋”。
他们不但发现了磁石的吸铁性,而且还发现了磁石的指极性。每块磁石的两头都有不同的磁极,一头叫S 极,一头叫N 极。而我们居住的地球本身,也是一块天然的大磁体,在南北两头也有不同的磁极。靠近北极的磁性为S 极,靠近南极的磁性是N 极。因为同性磁斥的缘故,所以不管在地球什么位置,放置一根磁针,它的N 极始终指向北方。
但是,最初的指南针,同现在指南针的形状完全不同。最初的指南针是用磁石做成的,它是一块天然的磁石,琢磨成勺子的形状。把磁石的S 极琢磨成勺柄,并使磁勺的重心落在圆而光滑的底部中央。磁勺做好后,还得做一个光滑的底盘。使用的时候,把它放在平置底盘的中央,用手拔动勺柄,使它转动,当它停下来时,勺柄指向南方,古人把这磁勺称为“司南”,就是负责指南的意思。
司南是世界上最早的指南针,中国古籍中有许多用司南来辨别方向的记载。如《鬼谷子·谋篇》中,曾记到有人外出采玉,就带了司南去,以便不迷失方向。
《韩非子·有度篇》记有:“先王立司南以端朝夕”,这也是用司南来定方向的记载。
但是,这种用天然磁石琢制司南的方法,技术要求较高,难度较大。因为天然磁石在琢制的过程中,容易因受到震动而失去磁性,所以这种司南得不到广泛的使用。
随着社会的发展,战争和海上航行的需要,人们迫切要求一种制作和使用更加方便的指向仪器。我国劳动人民在长期生产实践中,逐渐掌握了人工磁化的方法,指南针因此得到了很大的发展。在公元1044 年,北宋初年,由曾公亮主编的一部军事著作《武经总要》中,详细地记载了一种新颖的指南工具——指南鱼的制法。“以薄铁叶剪裁,长二寸阔五分,首尾锐如鱼形,置炭火中烧之,候通赤,以铁铃铃鱼首出火,以尾正对子位(北方),蘸水盆中,没尾数分则止,以密器收之。”这样一来,铁片鱼就被磁化成指南鱼了。使用时,只要取一碗水置于无风处,平面鱼会浮在水面,待它静止时,鱼首所指的方向就是南方。
当然,上面所说的薄铁片,应是一种低碳钢。这种人工磁化法要比欧洲早几百年,直到1600 年,英国人吉尔伯特才发现使红热的铁棒沿着地球磁场方向冷却而磁化的方法。
当时不但有铁片制成的指南鱼,还有用木头做的指南鱼和指南龟。木制指南鱼,是一块手指大小的木头刻成鱼的形状,从鱼嘴往里挖一个孔,放进一块磁铁,使它的S 极向外,再用黄蜡封口。使用时,将木头鱼放在水面上,其原理同铁片鱼相仿。但指南龟则不放在水中,而是将龟肚下方挖个小洞,让它顶在光滑的竹签上面,便于自由转动。指南鱼发明后不久,人们又掌握了一种更好,更方便的人工磁化法,就是用天然磁石摩擦钢针,使钢针磁化。这种经过人工磁化的钢针,可说是正式的指南针了。这样一来,指南针的制造过程大大简化,为指南针的广泛应用提供了先决条件。
北宋著名科学家曾在《梦溪笔谈》一书中,记述了这种指南针的四种用法:
1.以磁针横贯灯芯的水浮法;
2.指甲旅定法,即把磁针放在光滑的手指甲面上;
3.碗唇旋定法,即把磁针放在光滑的碗口上;
4.缕悬法,即在磁针中间涂一点蜡,粘上一根线,挂在无风的地方。
水浮法、缕悬法和木刻指南龟用的针顶法,直到现在,仍为航空和航海用的罗盘以及地磁测量仪所采用。
指南针的最大历史功绩是在于航海上的应用。从目前掌握的材料看,最早用于航海的是在北宋。宋代时,航海业已相当发达,与日本列岛和南洋群岛的交往已很频繁,同阿拉伯各国的贸易关系也很密切。这些海上交通的迅速扩大,是与指南针的应用息息相关。不论天气如何阴晦,航向都可由人来把握。
南来的《梦梁录》曾写道:“风雨冥晦时,惟凭针盘而行,乃火长掌之,毫厘不敢差误,盖一舟人命所系也。”
元代的《海运篇》中有这样一句话:“航行海洋,不畏深深而虑浅,不虑风而虑礁,⋯⋯立定盘星以取向。”
上面所说的针盘,盘星就是航海罗盘。明朝的《东西洋考》中说:船出河口,进人茫茫大海,波涛连天,毫无岸边标帜可循,这时就只好“独特指南针为导引”了。
由此可见,小小磁针,对于海上航行是多么必不可少,对于推动航海业的发展,起到了何等重要的作用。最著名的航行,有明代郑和下西洋,从江苏刘家港出发到印尼苏门答腊,沿途航线都标有罗盘针路。以后的哥仑布航行抵达美洲大陆和麦哲仑环球航行,也都依赖的是海上救星——指南针了。
中国的指南针大约在公元12 世纪传到阿拉伯,然后再由阿拉伯传到欧洲。那时到中国来的阿拉伯人都乐于乘坐中国船只,因为中国船船身大,结构坚固,航速快。这就为罗盘传入西方提供了条件。
西方在学会使用罗盘后,根据实际需要又进行了科学的改进。由于罗盘在随船体大幅度摆动时,常使磁针过分倾斜而靠在盘体上转动不了。欧洲人设计了称为“方向支架”的常平架,它是由两个铜圈组成,两圈的直径略有差别,使小圈正好内切于大圈,并用枢轴把它们联结起来,然后再用枢轴把它们安在一个固定的支架上。最后,把罗盘就挂在内圈里,这样,不论船体怎样摆动,罗盘总能保持水平状态。这种仪器的原理已经是比较近代化了。应当顺便指出的是,我国古代科学技术界至少在宋代就已经发现了两个地磁要素,即磁偏角和磁倾角的存在。
北宋大科学家沈括在用磁针做实验时,发现指南针所指的南北与地理上的南北并不完全一致,两者之间存在着偏角,即磁偏角。
沈括指出:“常微偏东,不全南也”。这是世界上最早的关于磁偏角的记载。地磁学告诉我们,磁偏角是随着地点的变化而变化的,又由于地磁极在不偏的变化,所以,磁偏角也随之变化。所以,沈括指出的是“常微偏东”,而不是“恒微偏东”。这说明了沈括已经发现了偏角并非是一成不变的。
欧洲人对磁偏角的最早发现是哥仑布探险的1492 年。所以,中国发现的磁偏角至少要早好几百年。另外,曾公亮所记载的磁化铁叶鱼时,整个鱼身须是倾斜的,只把正对北方的鱼尾没入水中,而鱼首则高出水平。这个实验证明,我国古代的科学家们已经意识到磁倾角的存在。这个发现比纽仑堡罗盘工匠加特曼的同一发现正好早500 年。
到了南宋时,磁偏角因地而异的情况更有明确记载,并被应用到罗盘上。所谓“天地南北之正,当用子午。或谓江南地偏,难用子午之正,故丙壬参之。”
这就是说,在地理子午线和地磁子午线一致的地方,用指南针可以;而中国东南部,地理子午线和地磁子午线有一个夹角,所以需要用其他方法来修正一下。
作为四大发明之一的指南针,历来是中国人引以自豪的,这一发明不但说明了中国古代人民的智慧和观察能力,而且是中国对世界历史发展的巨大贡献。
如果说,科学进步的历史是全世界各国人民共同推动的,那么说,中国古代曾处于这个行列的前面,则是一点也不过分的。
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