航海家辨明方向的眼睛

 

早在远古时期，我们的祖先就常常走进深山老林，去采集贵重的草药，去寻觅珍奇的珠玉。

森林里上不见太阳和星斗，四面又全是蓊郁的树木，葳蕤的葛藤，他们靠什么来识别方向呢？

在茫茫的大海上，恶风怒吼，浊浪排空，一望无际，天水一色，哪里是东南西北呢？我们的祖先凭借什么工具远涉重洋呢？

春秋时期，诸侯纷起，战乱不已。战争中，夜黑风高，星月隐匿，大雾漫漫，连日不晴。我们的先人是怎样指挥和前进呢？

这一切是多么需要一种指示方向的工具啊！探险家、旅行家、航海家多么需要一双能穿透云雾和黑暗来辨明方向的眼睛啊！

关于指南工具的传说

早在远古时期，我国就有关于指南工具的传说。不过那不是指南针，而是指南车。

相传在父系氏族时期，我国南方有一个叫九黎的部族。他们的首领叫蚩尤，他带领部族进入中原地区，与炎帝部族发生了冲突，两个部族发生了一场恶战。蚩尤能够兴云吐雾，使炎帝部族的士兵迷失方向，因而把炎帝部族打得大败。

炎帝部族的首领神农氏，向中原另一个部族的首领黄帝求援，黄帝部族和炎帝部族联合起来，进攻九黎部族。

蚩尤再次兴云吐雾，使炎、黄两个部族的士兵迷失方向。黄帝为了在浓雾中辨别方向，发明了指南车，车上的木人永远指南。由于军队识别了方向，把蚩尤的军队打得大败，因为主要战争发生在涿鹿，历史上称为“涿鹿之战”。这是有关指南工具的第一个传说。

西周时期，南方有一个叫越裳的诸侯国，派使者来给周天子进贡，带了许多南方的特产。使臣回去时，西周的重臣周公怕使者迷失方向，送给使者一台指南车。这是关于指南工具的第二个传说。

十分明显，不论父系氏族黄帝时期，还是3 000多年前的西周时期，都很难发明指南车。但是，它却真切地反映了我们祖先对指南工具的奢求与愿望。

“前不见古人，后必有来者。”

根据史书记载，我国东汉时期的伟大科学家张衡就研制过指南车。可是，他的制造方法没有流传下来。

到了三国时期，“巧思绝世”的机械专家马钧真正造出了指南车，而且他的制造方法记入了史书。

魏明帝青龙年间（233—236），任给事中的马钧，在朝房中，与散骑常侍高堂隆和骁骑将军秦朗，谈起了古代是否有指南车一事。

高堂隆与秦朗都认为那只是传说而已，古代的张衡不曾制造过指南车。

马钧不同意他俩的意见，他辩解说：“张衡非常可能制造过指南车，因为这并不是很难的事，只是我们没有深入研究罢了。”

高堂隆与秦朗认为马钧口出狂言，冷笑着说：“先生名钧，字德衡。‘钧’是器物的模型（古时制陶的转轮叫陶钧），‘衡’可以量物之轻重。您说话如此没准，难道还可以成为模型吗？”

马钧有些口吃，不愿争论，就说：“空口争论，徒劳无益。不如一试，即见分晓。”

三人就去找魏明帝曹叡，请他做见证人。魏明帝指示马钧试制指南车。

马钧经过刻苦钻研，反复试验，终于制成了指南车。高堂隆与秦朗在事实面前只好服输。史书也说：“自此，天下服其巧矣。”

三国时期以后，有不少人试制过指南车，但是，史书记载都很简略，难以复原。

宋代的燕肃与吴德仁再次制成指南车，《宋史》记载却十分详细。当代科学家根据记载复制了指南车，陈放在北京中国历史博物馆中。

燕肃造的指南车是北宋天圣五年（1027），吴德仁造的指南车是徽宗大观元年（1107）。其构造与原理简介如下：

定轮两个，直径6尺，周长18尺；

小轮两个，直径3寸；

附足齿轮两个，直径2.4尺，周长7.2尺，齿距3寸，齿数24个；

左右小平轮两个，直径1.4尺，齿数12个；

中国大平轮一个，直径4.8尺，周长14.4尺，齿距3寸，齿数48个；

中心大平轮是平放车厢中的大齿轮，齿轮轴向上伸出，轴上立一木人。中心大平轮转多少度，木人也随之转多少度。

当车直线前行时，左右小平轮与大平轮是分离的，两侧足轮的转动不影响大平轮。当车向左转，辕后端的绳子通过滑轮把右边的小平轮放落，与大平轮齿合，使大平轮受右边车轮的齿轮转动，向右转动，恰巧抵消了车向左转的角度，使木人手指南不变。车向右转正好相反，其道理是一样的。

指南车构造简单，却能使木人手臂始终指南。关键在于中心大平轮和附足齿轮或联或断的设计。这种设计体现了我们祖先的高度智慧与创造能力。

奇妙的磁石

磁石古代写为慈石，因为它具有吸铁的特性，就像慈母能吸引自己的孩子一样。

对磁石和吸铁的性能，我国古代文献早有记载。

春秋战国时期，《山海经·灌题篇》曾记载“山中多慈石”；《管子·地数篇》也说：“上有慈石者，下有铜金。”“铜金”是一种磁铁矿石。

记载磁石的同时，也发现了它的吸铁性能。《鬼谷子·反应篇》说：“慈石之取针；”汉代《淮南子·览冥训》也说：“以慈石之能连铁也。”《吕氏春秋·精通篇》中，高诱的注文说：“石，铁之母也。以有慈石，故能引其子；石之不慈者，亦不能引也。”汉以前多将磁石写为慈石。

发现磁石吸铁性能不久，又发现了磁石的指南性能。

《韩非子·有度篇》说：“先王立司南”；《鬼谷子·谋篇》也说：“郑人取玉，必带司南。”

磁石吸铁与指南性能的发现，为指南针的发明铺平了道路。

含铁量较大的磁石，实际上已具有了磁铁的性能。每块磁铁的两头，有不同的磁极。一头叫S极，另一头叫N极。

我们居住的地球，也是一块天然的大磁石，在南北两头也有两个磁极。靠近地球北极的，是S极，靠近地球南极的是N极。

磁体还有一种性能，那就是同性磁极相排斥，异性磁极相吸引。所以，不论地球的什么地方，只要把磁针放在可以自由转动的支点上，它的S极总是指南，而N极总是指北。

关于磁石吸铁和磁极同性相排斥，异性相吸引性能的应用，历史上还有两个传说。

秦始皇统一六国之后，在西安市附近，建筑了规模巨大宏伟豪华的阿房宫。秦始皇所住的宫门，用磁铁铸成，如果刺客带剑而过，立刻会被吸住，当场抓获。可惜，这座宫殿早被项羽付之一炬，只剩它的残垒高台还矗立在阿房宫的原址上。

另一个传说发生在汉代。汉武帝时期，胶东有一个叫栾大的巧匠，制成了一种斗棋，献给皇帝。这种斗棋棋子放入棋盘，自行跳斗，互相撞击。汉武帝看后，十分高兴，也十分惊奇。原来栾大的棋子以磁石磨成，具有同性相斥，异性相吸的性能，所以，产生自相跳斗的现象。

正是对磁石吸铁性能和指极性能的应用，导致了指南针的发明。

指南针的发明和种类

指南针是谁发明的，什么时候发明的？现在已无法查考。但是，有一点是清楚的：指南针是我国古代劳动人民在长期的生产和生活实践中集体智慧的产物。

指南针发明的年代，大约是战国时期。

韩非子在《韩非子·有度篇》中说：“衔王立司南，以端朝夕。”“朝”指东，“夕”指西，“端朝夕”即正方向之意说：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”

学术界公认这是关于指南针的最早记载。但是，对于这两段记载却有不同的解释。

最早研究这两段文字并复制司南的学者，是中国科学院自然科学史研究所的王振铎先生。他认为“司南之杓”是用磁铁制成的勺子；“投之于地”，不是投之于土地，而是“地盘”；“其柢指南”是杓把指南。

王振铎先生的复原模型。他认为“地”是地盘。汉代占测用的地盘是方形，四周刻有八干：甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、癸；十二支：子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥；四维：乾、坤、巽、艮，共24个方向。

“司南之杓”是用天然磁石琢磨而成，它很可能出自琢玉工人之手。他们深入高山峡谷寻玉能够发现磁石，他们琢磨坚硬的玉石，有琢磨“司南之杓”的技能。

“司南之杓”尖底磨得十分光滑，在平如镜面的地盘容易转动，当它停止时，其杓指向南方。

杭州大学的王锦光和闻人军先生对这段话提出了不同的解释。他们认为“投之于地”的“地”字是“池”字之误。“投之于池”的“池”，以水银充其中，水银足以浮起“司南之杓”。他们进行了实际实验，浮于水银之池的磁铁勺子，确可指南。

第二种类型的指南针，又称指南鱼。

天然磁石磨制的“司南之杓”虽可指南，但是有很多缺点。第一，磁性较弱，指南性能不强；第二，放在地盘或地池中，受到震动容易滑落或不准。所以，不便使用。到了宋代，就出现了另一种磁性指向仪器——指南鱼。

宋代初年，由曾公亮主编的军事著作《武经总要》中介绍了指南鱼。最晚在庆历四年（1044）已发明了指南鱼。

指南鱼是用薄铁片做成鱼形，然后将它人工磁化。人工磁化采用3种方法，其一是用磁铁在铁片鱼上摩擦，经过长时间摩擦，就达到了人工磁化的目的。其二是将铁片鱼和磁铁长时间放在一个小盒内，也就达到了人工磁化的目的。其三是用钢片做成鱼形，将钢片鱼放在炭火中烧红，用铁钳钳住鱼头，拿出火外，将鱼尾正对北方，使鱼尾浸在水里，然后放入密封的盒子里，使其成为指南鱼。这是采取的地磁场磁化法。

为什么要将钢片烧红才能人工磁化呢？因为钢铁里面的每一个分子都有磁性的两极，没有磁化的钢铁薄片，它的分子排列无序，各个分子的磁性互相抵消了。如果将钢片鱼烧红，使其所有分子处于运动的活跃状态，由于地球磁场的巨大作用，就能使钢片鱼中的每一个分子顺着同一方向排列，具有了较大的磁性，又在冷水中迅速冷却，使排列顺序固定不动。这样，钢片鱼的磁化就完成了。

钢片鱼长2寸，宽5分，肚皮部分宽而向下凹陷，使它像小船一样，可以浮在水面上，其鱼头可以指南。

北宋沈括在《梦溪笔谈》中也写道：“方家以磁石磨针锋，则能指南。”《梦溪笔谈》成书略晚于《武经总要》。在19世纪现代电磁铁出现以前，几乎所有的指南针都是采用上述人工磁化方法制成的。

南宁陈元靓写的《事林广记》中，还记载了一种用木头做成的指南鱼。它是一条用木头做成的鱼，有手指大小，从鱼嘴向里挖一个洞，拿一条磁铁放入洞中，使磁铁条的S极向着鱼头，再用蜡封好。用一根弯针插入鱼嘴，针头露出水面，放入水中，针头的方向，就是南方。

陈元靓记的另一种指向仪器叫指南龟。它是将木头做成龟形，人工磁铁也是嵌入木龟腹中。但是，它的放置方法有了进步。木龟不是置于水中，而是将木龟腹部挖一小穴，将木龟放置在竹钉上，使其自由转动，停止时龟头与龟尾指向南北。这个固定的支点，又向现代的指南针跟进了一大步。

人工磁化的方法，在欧洲是英国科学家吉尔伯特于1600年首次记入《磁石》一书的。比我国晚了500多年。

在科技方面，博采广记的沈括实验了4种指南针的方式。第一，他将缝衣的钢针磁化，采用的也是摩擦传磁法，把磁化的钢针穿在灯芯草上，浮在水中。沈括认为这种方法太容易震荡，不太实用。第二，他将人工磁化的钢针顶在指甲上，停下时自然指南。这种方法不灵敏，也不十分准确。第三，他将磁针放在碗边上，也可指南，这种方法虽然灵敏却容易掉下来。第四，他将磁针悬挂在单丝上。这根丝必须是新茧中抽出的独丝，其弹性韧性都很均匀，没有扭转的毛病。这根磁针不是系上的，而是用芥子大的蜡粘上的。因为系上或拴上都容易扭结，产生偏转。沈括对第四种方法最满意，认为既灵活又实用。

磁针与罗盘的配合使用，始见于南宋。

曾三异在《因话录》中说：“地螺或有子午正针，或用子午、丙壬间缝针。”

文中的“地螺”，即地罗，也就是罗盘。这一种堪舆用的旱罗盘，地盘呈环形，刻上干支、四卦，定出24个方位。让人一看便知磁针的方位。

曾三异的话告诉我们。这时已把磁偏角的知识应用到了罗盘上。罗盘的子午正针，是以磁针确定的地磁南北极方向；“子午、丙壬间的缝针”是指以日影确定的地理南北极方向；两个方向之间，有一个夹角，这就是磁偏角。

世界上最先发现磁偏角的是沈括，他在《梦溪笔谈》中记载人工磁化钢针指南时说：“然常微偏东，不全南也。”

欧洲人首先发现磁偏角的是哥伦布，地点是由西班牙航行美洲的途中，时间是1492年，比沈括晚了400多年。

指南针用于航海与传播

指南针应用于航海，与我国大规模的航海实践有关，可以说是在大规模航海实践下应运而生的。

早在秦始皇时期，他就派出船队，到海上寻找仙人和仙药，欲求长生不老，永享人间富贵。

晋代的名僧法显，也曾航海到达印度。他曾写过一本《佛国记》，记述了航海与航船的情况，最大的航船可乘200多人。

唐代国力强盛，文化发达，科技进步。航船长20丈，可以乘坐六七百人。航行范围已由秦始皇的渤海、东海、南海、马六甲海峡、孟加拉湾，扩大到印度洋、阿拉伯海、波斯湾。每当阴云密布，大雾漫漫的日子，他们多么想找到一种不受天气影响的指航工具啊！

我国指南针用于航海，最早记载见于北宋。

北宋的朱彧在宋徽宗宣和年间（1119—1125），写了一本《萍州可谈》。他描述航海辨别方向时说：黑夜看星斗，白天看太阳，阴天时就只好看指南针了。

宣和五年（1123），徐兢奉命出使朝鲜，写了一本《宣和奉使高丽图经》。他记述说：船过蓬莱山以后，水深色碧，像蓝色的玻璃，浪涛滚滚，越来越大，夜间是不敢在海中停泊的。晴天看星斗，阴天就只好靠指南针来辨别方向了。

这说明指南针刚刚用于航海，他们使用的是浮在水中的指南针。只是阴天用指南针，晴天时还是按老习惯看日月星辰航行。

生活于12世纪的吴自牧，在《梦粱录·江海船舰》中记述说：浙江的海面上，阴天时风雨交加，全凭指南针航行，丝毫不敢差误，它关系到全船人的生命。船从泉州出洋，航船走近海洋中的石礁时，海水变浅了，触礁船就会毁坏，全凭指南针沿着航路前进，稍有差错就会葬身鱼腹。

另一个生活在12世纪的赵汝适记述他从泉州到海南岛的航行时也说：从海南到吉阳，大海上渺茫无际，天水一色，只靠指南针航行，不敢有丝毫差错，因为关系到全船人的生死啊！

从11世纪朱彧的晴天看星头，阴天看指南针，到12世纪赵汝适时全凭指南针航行，大约在100年的时间里，指南针已由航海的辅助工具变成了唯一的指向仪器了。

我们的祖先将指南针用于航海，先是用水罗盘，以后是用旱罗盘。

北宋徐兢出使高丽时，用的是“指南浮针”；南宋朱继芳的航海诗也说：“沉石寻孤屿，浮针辨四维。”

明代嘉靖年间，出现了旱罗盘。旱罗盘有木制与铜制两种，罗盘上刻着24个方位，只要将指南针对准罗盘的正南方向，就可以知道航向了。

旱罗盘比水罗盘优越的地方在于用钉子支于指南针的重心上，使磁针可以自由转动。旱罗盘使用固定的支架与钉针支点，免除了水面的荡漾。由于航船的起伏颠簸，水罗盘很难固定指出准确方位。而旱罗盘恰恰克服了这个缺点。

但是，中国的旱罗盘仍然有致命的弱点，当罗盘随着船体做大幅度摆动的时候，常使磁针过分倾斜而靠在了盘体上，无法转动而失灵了。到了16世纪，欧洲的航海罗盘出现了“万向支架”，又称常平架。它由两个铜圈组成，两圈的直径略有差别，使小圈正好切于大圈，并且用枢轴把它们连接起来，然后再用枢轴把它们安在一个固定的支架上。旱罗盘挂在内圈中。这样，不论怎样摆动船体，旱罗盘总能始终保持水平状态。

这种常平支架，我国早在汉晋时期就出现了。《西京杂记》记载：长安名匠丁缓发明了滚动香炉，它在被窝中使用，不论怎样转动，火和灰都漏不出来。小炉中两个连接的金属圈与“万向支架”的结构相同，只是它一直为少数统治阶级服务。1300多年后，欧洲人将它应用于罗盘针，才取得了前所未有的应用价值。

罗盘针用于航海，人们不断增加航海经验与记录。到元代已经摸索记录了一条条航路，这种航路因为依靠指南针记录，所以又称“针路”。

元代的《海道经》一书，所记罗盘针路，就标出了船行到什么地方，采用什么针位，一路航线一一标注明白。另一本《大元海运记》也是关于罗盘针路的专著。

元代周达观的《真腊风土记》记载航船从温州出发，去南洋各国，“行丁未针”。这是因为南洋各国都在西南方，所以，用南向偏西的丁未针位。

明代郑和下西洋，七次远航，积累了更多的针路图，进一步发展为航海图。

郑和的巨舰，从江苏刘家港出发，到苏门答腊北端，沿途航线都标有罗盘针路。在苏门答腊之后的航程中，又用罗盘针路和牵星术相辅而行。指南针为郑和开辟中国至东非的航线提供了可靠的保证，为后人留下了珍贵的航海资料。

指南针应用于航海，阿拉伯的海上商人首先学会了使用它。据宋代《诸蕃志》卷下记载：北宋海船已开到阿拉伯，阿拉伯商人乘船来中国做生意，学会了制造指南针。12世纪末，阿拉伯人将指南针用于航海，13世纪初传往欧洲。

欧洲人卡德说：第四次十字军东征，有一个叫维特利的僧人，他随军来到巴勒斯坦。他说指南针是中国人发明的，阿拉伯人先学会了它，后来传到了欧洲。

我国不仅最早发明了指南针，而且最早将指南针用于航海。这件事在人类历史上，有着非常重要的意义，人类有指南针从此有了辨识方向的眼睛。它促成了麦哲伦、哥伦布的环球航行，为资产阶级倾销商品和寻找殖民地开辟了道路。所以，马克思才说四大发明改变了世界事务的面貌。