司南和指南针的发明

图3　司南模型

　　司南是我国春秋战国时代发明的一种最早的指示南北方向的指南器，还不是指南针。根据春秋战国时期的《韩非子》书中和东汉时期思想家王充写的《论衡》书中的记载，以及现代科学考石学家的考证和所制的司南模型（图3），说明司南是利用天然磁石(古代称慈石，用慈爱来描述磁石吸铁现象)制成汤勺形，由其勺柄指示南方。而在春秋战国时期的《管子》书中和《山海经》书中便有了关于慈石的记载，而在这一时期的《鬼谷子》书中和

图4　指南车

《吕氏春秋》书中还进一步有了慈石吸铁的记载。这可以说是古代最早的磁指南器，现在北京的中国历史博物馆和其他地方的许多博物馆都有司南的模型展出。这里要指出关于指南车的问题，历史上传说黄帝(约公元前47世纪)和西周周公(约公元前21世纪)曾制造和使用指南车，但是经过后来的文献考证和模型制作试验，都已证明指南车与指南针没有关系，汉代以后的指南车是依靠机械结构，而不是依靠磁性指南的。现在北京的中国历史博物馆中也有指南车的模型展出（图4）。

　　司南是利用天然磁石制造的，在矿石来源、磨制工艺和指向精度上都受到较

图5　沈括

多的限制，因此到了北宋时代，由于军事和航海等需要和材料与工艺技术的发展，先后利用人造的磁铁片和磁铁针以及人工磁化方法制成了在性能和使用上比司南先进的指南鱼和指南针。指南鱼的制法最早出现在北宋的《武经总要》(公元1044年)书中，大意是将铁片剪成首尾两端尖锐的鱼形，放在炭火中烧红后取出，使尾部指向北方斜放入水中。将这样制成的指南鱼放在水碗中便可指示南北方向。可以看出，这种长期经验积累的制造方法是符合科学原理的：首先利用水中淬火产生相变和(地)磁场热处理可以提高指南鱼铁片的磁性和矫顽力，其次利用首尾两端尖锐的长条形铁片可以提高指向精度和减小退磁因数，再次是利用铁片向北倾斜放入水中淬火能更接近地(球)磁场倾角即接近总地磁场方向，可以提高磁场热处理的效果。

图6　指南针

　　在指南鱼发明后不久，又发明了一种意义更重大、制法更简单、使用更方便和用途更广泛的指南针。最早是北宋的著名政治家和科学家沈括(图5)在其著作《梦溪笔谈》(公元1086年)中记述的，大意是利用天然磁石磨铁针，受磨的铁针就能指向南方。有4种指南针的用法：将指南针放在指甲上的指爪法[图6(1)]，将指南针放在碗口边上的碗唇法[图6(2)]，将指南针悬挂在新蚕丝上并用蜡粘住的缕悬法[图6(3)]，将指南针横贯灯尺而浮水面的浮针法[图6(4)]。还记述指南针并不完全指南，而是略微东。这就是磁偏角现象。这表明当时对于指南针的指向观察是很仔细的。