指南针(卷名：物理学)
compass
中国古代的伟大发明之一，在人类社会的文明史上占有重要的地位。它作为一种指向仪器，被广泛应用于军事、测量和日常生活之中。其最大的历史功绩，是用于海上导航。
指南针是一种磁性指向仪器。它与以齿轮系为基础的指向机械即指南车完全不同。磁石的一个最易被人发现的特性是它的吸铁性。在战国晚期成书的《吕氏春秋》中，就有“慈石召铁，或引之也”的话。这种吸铁性曾被喻为慈母爱恋子女，因此，秦汉以前，都把磁石写成“慈石”。
最初的指南针叫做“司南”。战国时的《韩非子》里就有“先王立司南以端朝夕”的话；《宋书·礼志》所引的《鬼谷子》里也说：“郑人取玉，必载司南，为其不惑也。”所说的“司南”大概就是指用磁性指南指示方向的器具。关于司南的形体及其机制，东汉王充在《论衡》中曾有记述：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”这里的“地”，是指汉代栻占用的“地盘”。地盘中央的天池，平净光滑，四周刻有由八干、十二支、四卦组成的二十四向。司南勺可能是用天然磁石摹仿当时常用的酒樽中勺的形式，采取琢玉的工艺琢制成的。它的底部呈球面圆形，勺可以在平滑的地盘上自由旋转，当它静止的时候，勺柄就会指向南方（图1，并见彩图）。古代司南的实物至今没有发现。这里所说的，是对《论衡》等古代文献和考古资料的一种可能的解释。
北宋初年，曾公亮主编的《武经总要》（约成书于1044年）中介绍了一种“指南鱼”。“鱼法用薄针叶剪裁，长二寸阔五分，首尾锐如鱼形，置炭火中烧之，候通赤，以铁钤（钳）钤鱼首出火，以尾对正子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收之。”从现代科学观点来看，这是一种磁化过程。薄针叶应是一种碳钢，把鱼烧红至居里点以上后，让它在地磁场中急速冷却，使其产生相变，以获得剩磁性。由于北宋都城在开封，地磁场方向应是北端向下，因此要让鱼尾正对子位（即北方）并略向下倾斜，才能得到最大的磁化强度。这是利用地磁倾角现象的一种经验方法。“以密器收之”，可能是把铁叶鱼收藏在放置有天然磁石的密器内，减少退磁作用，以保持它的剩磁性。这种指南鱼使用时，只要在无风处将鱼放入盛水的碗中，让它浮在水面，等到静止的时候，鱼首便会指南（图2）。
北宋科学家沈括在《梦溪笔谈》中记述另一种磁性指向仪器。他写道:“方家以磁石摩针锋，则能指南。”这是又一种由经验积累的更为简易的磁化法，是磁性指向仪器发展史上的一项重要发明。在近代电磁铁出现以前，指南针都是用这种方法制造的。沈括还着重指出，指南针所指的方向“常微偏东，不全南也”。这是中国有关磁偏角的最早记载。
《梦溪笔谈》中还介绍了磁针装置技术的4种试验：“水浮多荡摇，指爪及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬为最善。其法取新纩中独茧缕，以芥子许腊缀于针腰，无风处悬之，则针常指南。”其中水浮法的磁针，据宋代寇东奭的《本草衍义》和元代程綮的《三柳轩杂记》引用《梦溪笔谈》这段文字所增补的阙文可知，是靠横贯或者积贯一根到数根灯芯草之类可以漂浮的物体而取得浮力的(图3)。20世纪50年代以来，磁县、大连、丹徒等地出土的元代“王”字瓷碗，碗中绘有三大点，中贯一细划，有的还在碗底背面圈足内墨书一“针”字(图4)。这表明此类瓷碗是元代的水浮针碗。王字表示水浮磁针的形象，中贯的细划代表磁针，三大点代表浮漂。浮漂安在磁针的中部和两端，使磁针能在水面上保持平衡。
元代的《事林广记》中记载有木刻指南鱼和木刻指南龟。木鱼、木龟都只有拇指大，腹开一窍，嵌入天然磁石，然后用蜡封住。木鱼没入水中即可指南；木龟则是采用有固定支点的装置，于其腹部下方挖一小穴，安放在竹钉子上，可以自由旋转，旋定以后也会指南（图5）。
指南针的装置技术是随着在海上航行中日益广泛的应用而发展的。最早记载航海中使用指南针的文献，是北宋朱彧所著的《萍洲可谈》。书中写道：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针。”该书记述1099～1102年间广州的海运情况。可见指南针在11世纪末与12世纪初年已作为海上导航的一种辅助设备，在天气阴晦时使用。其后，南宋福建路市舶司提举赵汝适在其所著的《诸藩志》里写道：“舟舶来往，惟以指南针为则，昼夜守视惟谨，毫厘之差，生死系焉。”可见当时指南针在航海中的重要地位。中国最初用于航海的指南针是一种水浮针。北宋宣和五年(1123)出使高丽的徐竸，在海上航行时就是使用“指南浮针”（《宣和奉使高丽图经》）。指南针在使用之初，没有固定的方位盘。上举诸书均未涉及罗盘定向问题。实际上，后来的四方定位罗盘当时已初具雏形。南宋曾三异的《同话录》最早提出罗盘的名称，书中说：“地螺或有子午正针，或用子午丙壬间缝针。”这里的“地螺”即地罗，是从古地盘向罗盘过渡的名称。盘的分度袭用古地盘的二十四向，加上两方位之间的缝针，合而为四十八向。中国在南宋时期，就已经把这种带有方位盘的指南针用于航海了。南宋咸淳年间(1265～1274)吴自牧在《梦梁录》里记道：“风雨冥晦时，惟凭针盘而行，乃火长掌之，毫厘不取差误，盖一舟人命所系也。”这是中国航海中使用罗盘的最早记载。海船使用罗盘导航时，每条航线都是由许多针位点连接起来的，这就是“针路”。将针位方向记录下来，就是“罗经针薄”，作为航行的依据。元代周达观于13世纪末出使真腊(今柬埔寨)，在他的《真腊风土记》中记载“自温州开洋，行丁未针，……又自真蒲行坤申针”等，都是按针位航行。
自南宋至明中叶，中国航海中所用的罗盘，都是“水罗盘”。所谓水罗盘，是指磁针浮于水面，没有固定支点的水浮针盘。明初随郑和下西洋的巩珍，在他的《西洋番国志》自序中曾对这种水罗盘作了记述：“皆斲木为盘，书刻干支之字，浮针于水，指向行舟。”（图6至明嘉靖年间(1522～1566)又出现一种“旱罗盘”，这是指磁针不借助水的浮力，而用一个支轴的尖端顶在磁针的中部，使磁针可以平衡旋转的装置（图7）。这种装置法同前述木刻指南龟的装置原理基本上相同。这种旱罗盘是16世纪从国外传进来的。
中国指南针用于航海以后，通过阿拉伯人于1180年左右传入欧洲，到了14世纪，欧洲出现了一种万向支架（或称平双环架），它由两个铜环组成，小环内切于大环，用枢轴连结起来，再用枢轴把外环安在固定的支架上，然后把旱罗盘挂在内环上。这样，不论船体怎样摆动，旱罗盘可以始终保持水平状态。这种万向支架的构造原理，在中国早有记述。《西京杂记》里曾经记载西汉长安的巧匠丁缓作“被中香炉”。这类球形薰香转炉唐代实物出土很多。民间滚绣球灯，也是以同样原理制造的。中国古代所以不用它来作为航海罗盘的装备，是由于水罗盘能自然保持磁针的水平状态，况在罗盘下部设有砂盘，既可随时矫正罗盘的倾斜，并可稳定盘体的移动，设备简易方便。
在西方国家，18世纪末叶将蒸汽机用于海船和19世纪中叶装甲舰出现以后，轮机和炮火的强烈震动以及舰身磁场的干扰，使磁罗盘失去作用。经过不断改革，制成了一种新型的磁罗经和附属的防磁设备，即近代各国船舰中通用的液体磁罗经。它是在特制的密封罗经体内注满液体(水和酒精混合剂或石油防冻液)；在罗经的底部设有调节液体膨胀的装置，盘下支轴上装有浮体。由于罗经体内注满了液体，可以大大减小外界震动对磁针的影响，保持罗面的稳定，有利于操舵时观测。同时液体的浮力将浮体托起，减轻了磁针盘面的重量在支轴上产生的摩擦阻力，使盘面运转自如。这种设计，是在欧洲传统旱罗盘的基础上吸收了中国800年来浮针的技术，将中西两种罗盘的优点结合起来，使磁罗经臻于完善。液体罗经的出现，是中西科学技术交流的结果，象征着各国人民集体智慧的结晶。
参考书目
王振铎：司南指南针与罗经盘，上、中、下，《中国考古学报》，第3、4册，1948，第5册，1951。
王振铎：试论出土元代磁州窑器中所绘磁针，《中国历史博物馆馆刊》，第1期，1979。
王振铎:中国古代磁针的发明和航海罗经的创造，《文物》，第3期，1978。