為人類航海保駕護航的指南針

唐文宗開成三年 （838年），日本和尚圓仁來中國求法。當(dāng)時，他所乘坐的船在海上遭遇了連日陰雨。由于看不到日月星辰，就連經(jīng)驗豐富的水手也迷失了方向。大家七嘴八舌地出主意，有的說向北行，有的說向西北行，但誰也不能確定自己指的方向是否正確，更不知道此處距離陸地有多遠(yuǎn)。最后實在沒辦法了，只好在一處海況較好的地方下錨，等待天氣轉(zhuǎn)晴再繼續(xù)航行。由于船上的食物和淡水有限，所以這種等待其實是很危險的。后來，這段艱辛的經(jīng)歷被圓仁寫進了《入唐求法巡禮行記》一文中。

我們假設(shè)，這位圓仁和尚不是在唐代而是在宋代來中國求法，那么他的渡海過程可能就不會如此艱辛了。因為在唐代，船只航行靠的是牽星術(shù)來辨別方向，所以只要連日陰雨看不見日月星辰，就會迷失方向。到了宋代，已經(jīng)可以用不受天氣影響的指南針來為船只導(dǎo)航了。朱彧在《萍洲可談》中寫道：“舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦觀指南針?！边@是人類使用指南針為航船導(dǎo)航的最早的文字記錄。

據(jù)史料記載，1101年至1103年間，朱彧的父親朱服在廣州做知州 ，朱彧亦隨父來到廣州。當(dāng)時的廣州是對外通商的大港口，不但有管理海船的市舶司，還有供海外商人居留的蕃坊。《萍洲可談》記錄了朱彧在廣州的見聞。由此可推知，我國古人開始用指南針導(dǎo)航的時間不會晚于1103年。

之后，隨著指南針在航海中越來越頻繁地被使用，其地位也日漸重要。為了確保指南針能夠正常運行，船上還會派專人負(fù)責(zé)看管。南宋《夢粱錄》里就寫道：“風(fēng)雨冥晦時，唯憑針盤而行，乃火長掌之?！被痖L就是掌管指南針的人。

司南：指南針的前身

司南之所以被稱為“司南”，是因為它的勺柄始終指向南方?！俄n非子》中有“先王立司南以端朝夕”的記載，“端朝夕”即正四方、定方位的意思，由此可推之，早在戰(zhàn)國時就已經(jīng)有了司南。

那么，既然司南指南的特性早在戰(zhàn)國時就被發(fā)現(xiàn)了，卻為什么沒能推廣開來呢？這主要是因為司南存在三大缺陷：首先，制作司南的天然磁體不僅難以獲得，而且容易在加工或使用中因為受擊打、受熱而失去磁性;其次，由于天然磁體的磁性較弱，所以勺底與地盤的接觸處必須非常光滑，否則就會因為摩擦阻力大而難于旋轉(zhuǎn)，達不到指南的目的;第三，司南的體積和重量較大，不便于隨身攜帶。不過，司南雖然沒能被古人廣泛使用，但其指南的特性卻催生了指南針。也因此，指南針被稱為“指南針”，而非“指北針”。

沈括《夢溪筆談》中的磁針裝置法

勺的材質(zhì)為硬度在5.5度至6.5度的整塊天然磁石

靜止時勺柄指向南，重心在勺底正中

地盤的材質(zhì)為青銅，內(nèi)圓外方，中間表面光滑，四周刻有干支四維，合成二十四向

水浮法

一枚穿著燈芯草的磁針漂浮在一碗水中，針尖指南。

碗唇旋定法

將磁針放置在碗口邊緣，使其能夠自由旋轉(zhuǎn)，針尖指南。

指甲旋定法

將磁針放在手指甲上，使其能夠自由旋轉(zhuǎn)，針尖指南。

縷懸法

將一根蠶絲用蠟粘在磁針中部，懸掛在無風(fēng)處，使其能夠自由轉(zhuǎn)動，針尖指南。

根據(jù)磁針的裝置方法不同，指南針可分為水針和旱針兩種。水浮法為水針，后三者為旱針。沈括認(rèn)為：水浮法會因為水面晃動而影響指南效果;碗唇旋定法和指甲旋定法雖然針轉(zhuǎn)動靈活，但容易掉落;縷懸法是較理想而又切實可行的方法。但有意思的是，不被沈括看好的水針，在元代及之后的時期卻被廣泛使用。

人工磁化法

當(dāng)古人意識到天然磁石是多么不可靠時，就開始尋找它的替代品。三國魏人管輅所著的《管氏地理指蒙》中，明確提到將鐵針磁化后可指南北。這也是古代文獻中第一次明確提到了指南針。不過經(jīng)后人考證該書實為唐人偽作，實際寫作年代在9世紀(jì)至10世紀(jì)期間。也就是說，最遲在晚唐，人們已經(jīng)懂得了如何進行人工磁化。古代的人工磁化法包括地磁法和摩擦法。地磁法是將燒紅的鐵片按南北方向放入水中，處于活躍狀態(tài)的鐵分子會順著地球磁場的方向排列，從而達到磁化的目的。摩擦法是用天然磁石去摩擦縫衣針，以此改變鐵針內(nèi)部的分子排列，從而使其磁化。摩擦法比地磁法簡單，磁化效果也更好，很快就得到了推廣。

人工磁化法的出現(xiàn)，尤其是摩擦法的出現(xiàn)，直接推動了指南針的應(yīng)用和發(fā)展。它為即將到來的宋元明航海時代奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

在宋代，指南針還只是在陰天看不到日月星辰時作為補充工具使用，但隨著制作工藝的進步，到元代，它已成為海上航行必不可少的導(dǎo)航工具。元代人出海時，不論陰天晴天都使用指南針來導(dǎo)航，還據(jù)此編制出針路（即航線），船行到什么地方，采用什么針位，一一標(biāo)識得明明白白。

到了明初，中國古代航海史翻開了最輝煌的一頁。航海家鄭和七下西洋都能安全往返，與船隊利用羅盤（即把指南針放置在方位盤上）導(dǎo)航是分不開的。從流傳下來的《鄭和航海圖》可知，從船隊出發(fā)地到蘇門答臘北端，沿途航線都標(biāo)有羅盤針路，之后的航程則用羅盤針路和牽星術(shù)相輔而行。可以說，沒有羅盤就沒有鄭和下西洋所開辟的中國至東非航線。

中國人使用指南針導(dǎo)航后不久，往來的阿拉伯商船就學(xué)會了這種先進的導(dǎo)航技術(shù)。大約南宋孝宗淳熙七年（1180年），阿拉伯人將指南針傳到了歐洲人手中。歐洲人很有創(chuàng)新精神，在1250年發(fā)明了更為先進的旱羅盤。旱羅盤由一個盒子和一枚磁針組成，盒內(nèi)有刻度，磁針安在支軸上。平時磁針保持靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)船舶轉(zhuǎn)向時就用手轉(zhuǎn)動盒子，調(diào)整方向。

什么，指南針不指北？

其實說指南針不指北有點兒冤枉，因為它所指向的地磁北極和地理北極（也就是我們平常所說的“正北”）不完全重合，兩者之間存在著磁偏角。沈括在《夢溪筆談》中就提到，用摩擦法磁化縫衣針時存在“亂象”——針尖不指南反指北，即使指南，也存在“常微偏東，不全南也”的現(xiàn)象。在沈括發(fā)現(xiàn)磁偏角現(xiàn)象的400年后，英國人羅伯特·諾曼發(fā)現(xiàn)，把繩子拴在一根磁針的正中間將磁針吊起來，磁針跟水平線形成了一個偏角，他將這個偏角稱為磁偏角。1581年，他在自己的著作《新奇的吸引力》中發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)。現(xiàn)在，磁偏角的數(shù)值已經(jīng)可以通過磁偏測量儀測量出來。