海船的眼睛——指南針的發(fā)明
在古代，各民族的先民們面對(duì)茫茫海洋，雖然有探險(xiǎn)探秘的愿望，但是由于技術(shù)的限制，總是無(wú)法如愿。即使是以航海著稱的古希臘人，也不過(guò)是在相對(duì)比較風(fēng)平浪靜的地中海海域稱雄。對(duì)于茫無(wú)邊際的大洋，也只有“望洋興嘆”。其實(shí)，并非是由于造船技術(shù)限制了古人們的越洋交流，更主要的是由于在海上無(wú)法辨別方向，雖然有可以橫渡大洋的船只，也會(huì)在海上迷路，葬身海底。因此，指南針的發(fā)明可以說(shuō)是給海船裝上了眼睛，為航海業(yè)的發(fā)展提供了最基本的技術(shù)條件。指南針是中國(guó)最早發(fā)明的，但它是經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的歲月逐漸發(fā)展改進(jìn)而成的。
對(duì)于在海上和陸地上定向的工具，中國(guó)的先民們有許多記載和傳說(shuō)。據(jù)說(shuō)黃帝在與蚩尤交戰(zhàn)時(shí)，曾經(jīng)發(fā)明過(guò)“指南車”，可以在大霧彌漫的天氣下準(zhǔn)確辨別方向，不至于迷路。這可能是關(guān)于“指南針”的最早探索。但是，后人根據(jù)古書的記載，多次想重新制作“指南車”，卻一直無(wú)法成功。因此，“指南車”之說(shuō)是否確切，是可以存疑的。
然而，利用磁鐵的特性制造出的指南針，卻是中國(guó)人的偉大發(fā)明。指南針的發(fā)明可以追溯到周代，距今已有二千五百年至三千年的歷史。大約在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代，中國(guó)人就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了磁石和它的吸鐵性?！俄n非子·有度篇》里記載“先王立司南以端朝夕”，這里的“先王”是周王，“司南”就是指南針，“端朝夕”是正四方的意思，是指指南針的用途。在古代文獻(xiàn)里還有記載鄭人到遠(yuǎn)處采玉，要帶上司南，以便不迷失方向。春秋時(shí)齊國(guó)著名政治家管仲在他所著的《管子》一書中有這樣記載：“上有慈石者，下有銅金”。“慈石”就是磁石，“銅金”就是一種鐵礦?？梢娭辽僭?600年前的管仲時(shí)期，已經(jīng)知道磁石的存在，并已掌握了磁石能夠吸鐵這一性能了。
磁石有兩個(gè)特性：一是吸鐵性;二是指極性。也就是說(shuō)磁石有兩極，能夠指示南北。磁石的吸鐵特性中國(guó)戰(zhàn)國(guó)時(shí)代的古人和古希臘的先民都已發(fā)現(xiàn)，而發(fā)現(xiàn)磁石的指極性則歐洲比中國(guó)晚得多。
磁石能指示南北的特性，不太容易被發(fā)現(xiàn)。因?yàn)橐话闱闆r下磁力小、摩擦力大，磁石兩極不能自由旋轉(zhuǎn)到南北向。中國(guó)在戰(zhàn)國(guó)時(shí)代最早發(fā)現(xiàn)了磁石的指極性，并利用磁石能指示南方的性能，制作成指南工具——司南。“司”字意為掌管，現(xiàn)在仍有“司機(jī)”、“司爐”、“司令”等詞，這幾個(gè)“司”字的本意都是相同的。
但是司南也有其局限性，用磁石制造司南，磁極不容易找準(zhǔn)，而且在琢制勺的過(guò)程中，磁石因受震動(dòng)而會(huì)失去部分磁性。再加上司南在使用時(shí)底盤必須放平，而且司南的體積也比較大，因此，古人在發(fā)明了司南之后，又不斷改進(jìn)指南工具。繼司南之后，中國(guó)人的祖先又制成了一種新的指南工具——指南魚。
按照現(xiàn)代科學(xué)的眼光來(lái)看，古人是將鋼片在爐火中燒紅的方法使鐵磁質(zhì)中的磁疇活動(dòng)起來(lái)，由于地球有磁性，把燒紅鋼片沿著地球磁場(chǎng)的方向冷卻，鋼片在冷卻時(shí)靠地球磁場(chǎng)的作用使磁疇有規(guī)律地排列，這條鋼片魚就有了極性，成了一條指南魚。冷卻時(shí)魚尾向下傾，由于地球磁傾角的作用，可使磁性增強(qiáng)。
由于地磁場(chǎng)的強(qiáng)度不大，所以指南魚的磁性也很弱，古人漸漸覺(jué)得指南魚的指南效果仍不理想。能不能有一種更理想的指南工具來(lái)代替指南魚呢?古人在繼續(xù)不斷地試制摸索。就在鋼片指南魚發(fā)明后不久，又有人發(fā)明了用鋼針來(lái)指南，這種磁化的小鋼針可算是世界上最早制成的真正的指南“針”了。
北宋著名科學(xué)家沈括(約公元1033-1097年)，在科學(xué)技術(shù)方面取得了杰出的成就，北宋時(shí)期中國(guó)許多重大的科學(xué)發(fā)明，例如活字印刷、指南針等應(yīng)用技術(shù)，都是借助于沈括的記載而得以流傳的。指南針能指南，但還必須為它創(chuàng)造一個(gè)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的條件。沈括在他《夢(mèng)溪筆談》一書中，提到了指南針的幾種用法。
一是水浮法，把指南針?lè)旁谟兴耐肜铮顾≡谒?，指示南北方向。二是指甲旋定法，把磁針?lè)旁谑种讣咨陷p輕轉(zhuǎn)動(dòng)后來(lái)定向。三是碗唇旋定法，把磁針?lè)旁诠饣耐脒呁ㄟ^(guò)旋轉(zhuǎn)磁針來(lái)定向。四是縷懸法，在磁針的中部涂一點(diǎn)點(diǎn)蠟，用一根細(xì)絲線沾上蠟后，懸掛于空中指南。這種懸掛式指南針，必須在無(wú)風(fēng)處使用，但使用起來(lái)比較方便。根據(jù)試驗(yàn)，沈括認(rèn)為這四種方法中，要算縷懸法最好。因?yàn)橹讣缀屯脒吷虾芄饣?，指南針容易掉下去。而使用水浮法時(shí)，水若振蕩，針就難以靜止下來(lái)了。
沈括在900年前提出的這四種方法，有的至今仍有實(shí)用價(jià)值，如現(xiàn)代的磁變儀、磁力儀的基本結(jié)構(gòu)原理，就是采用了沈括所說(shuō)的縷懸法原理。而航海中使用的重要儀表羅盤，也大多是根據(jù)水浮磁針這一原理設(shè)計(jì)而成的。
沈括還是世界上最早發(fā)現(xiàn)磁偏角的人?！按牌恰笔且?yàn)榈厍蛏系拇艠O和南極、北極稍微有一點(diǎn)偏差。指南針的南極和北極，沿磁子午線分別指向北磁極和南磁極，磁子午線和地理子午線是不一致的，它們之間存在著一個(gè)夾角，科學(xué)上叫作“磁偏角”。世界各地的磁偏角是不同的，有的偏東，有的偏西。
沈括在《夢(mèng)溪筆談》第24卷中寫道：“方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也。”這是世界上現(xiàn)存最早的磁偏角記錄。在西方，直到公元1492年哥倫布在橫渡大西洋時(shí)才發(fā)現(xiàn)磁偏角這一現(xiàn)象，比沈括晚了400多年。
指南針發(fā)明后，很快用于航海，對(duì)社會(huì)發(fā)展起到了重要作用。中國(guó)也是最早把指南針用于航海事業(yè)的國(guó)家。從此，海船有了眼睛，再不會(huì)迷失方向，這樣，就把航海事業(yè)推進(jìn)到了一個(gè)新的時(shí)代，促進(jìn)了各國(guó)之間的經(jīng)濟(jì)貿(mào)易和文化交流。指南針傳到世界各國(guó)以后，各國(guó)也都用指南針來(lái)幫助航海了。正因?yàn)橹改厢樒鸬淖饔煤艽螅匀藗儼阉袨橹袊?guó)古代的四大發(fā)明之一。著名的科技史專家李約瑟指出：“指南針的應(yīng)用是原始航海時(shí)代的結(jié)束，預(yù)示著計(jì)量航海時(shí)代的來(lái)臨?！庇辛酥改厢?，促進(jìn)了中國(guó)航海事業(yè)的發(fā)展，才可能有鄭和七下西洋的壯舉。
指南針技術(shù)傳入歐洲后，推動(dòng)了歐洲航海事業(yè)的發(fā)展。15世紀(jì)末到16世紀(jì)初，歐洲各國(guó)航海家紛紛將指南針用于航海，他們不斷探險(xiǎn)，開辟新航路，發(fā)現(xiàn)了美洲，完成了環(huán)繞地球的航行。馬克思曾這樣說(shuō)過(guò)：“指南針打開了世界市場(chǎng)，并建立了殖民地。”
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