指南针的发明与改进

指南针的发明与改进

我们的祖先是怎样发明指南针的呢？这里面有一个从粗糙笨重到精致轻巧的改进过程。

先是出现指南车。指南车大而笨重，要用四匹马拉着走。该车是双轮车，车厢上站着个木头人，任由车子怎样转向，木头人的一只手始终指着南方，这叫做指南车。就是现在，能做出这种指南车也够得上是个了不起的发明了。它虽然了不起，但实用价值低。一是笨重，携带使用不便；二是制作工艺复杂，因此不能推广使用。

指南针的发明是中国对世界文明做出的重大成献。

指南针从发明到完善经历了一个漫长的过程。

战国时期，就有关于指南针的始祖“司南”的记载。《韩非子·有度篇》里有“先王立司南以端朝夕”的话。“端朝夕”就是辨方向的意思，因此，司南至迟在公元前4世纪前创制。

中国早期罗盘（司南）是这样使用的，盘中的指针采用了汤匙的形状，是用整块磁铁琢磨而成的。把这柄“汤匙”置于平滑的刻有方位的“地盘”上，将勺柄轻轻转动一下，静止时柄的方向，必定指向南方。那么司南为什么能辩方向呢？这得从司南的材料说起。人所共知，磁石有磁性，它的磁性分布在两头，一头叫正极，一头叫负极。恰好，我们生活的地球，也是一块天然的“大磁铁”，它的磁性同样分布在北极和南极两头，北极是负极，南极是正极。根据“异性相吸，同性相斥”的原理，如果我们用一根磁铁做成棒和针，把它悬空起来可以四周随意活动，它的正极总是指向负极的北方，而负极总是指向正极的南方，这种性能叫指极性。司南正是人们根据这种指极性创造出来以辨方向的。

但是由于当时做司南的“汤匙”是用天然磁石琢磨成的，容易因打击、受热而失磁，所以司南的磁性较弱，而且它与地盘接触处转动摩擦的阻力又较大，因而难以达到预期的指南效果。

从魏晋到隋唐，我国生产力发展了，与印度等国进行贸易，航海事业开始发达，晋朝时通往印度的船可乘坐200人，到唐朝对南洋贸易船则可载600人～700人。陆地上可以用的司南，在这动荡的船上就不够用了，于是我们的祖先又创造了指南针。

航海事业的发展，需要有较好的指向仪器，这给磁体指向仪器的进步以直接的刺激和推动。经过长期的实践和反复的试验，到宋代，人们在人工磁化方法和使用磁针的方法两个方面的探索，都取得了重大的进展，导致了指南针的发明和广泛的应用。

我国古籍中记载了两种人工磁化法。其一如沈括所说是用天然磁石摩擦钢针的方法，就是靠天然磁石的磁场作用，使钢针内部的单元小磁体由杂乱排列变为规则排列，从而使钢针显出磁性来；另一种方法是利用地球磁场的作用使钢铁磁化。

南宋陈元靓在他所著的《事林广记》中记述了本刻指南鱼和指南龟的制作方法。木刻指南鱼是把一块磁铁塞入木鱼腹里，让木鱼浮在水面上而指南。木刻指南龟也是在木龟腹中安装磁石，但独到之处在于，在木龟腹部下面挖一小穴，然后把木龟安装在竹钉尖上，让它自由转动，待其静止下来，龟头就指向北方，其尾指向南方。这种指南鱼和指南龟虽然未广泛地应用，但后来的指南针，就是受指南龟的启发而做的，所以指南龟是指南针出现的先声。

指南针是用带磁的铁或钢做成一根针以指南。最初的指南针有四种装置方式：即水浮法，把磁针横贯灯芯草，让它浮在水面；放在碗沿上；放在指甲上；用丝线拴在磁针中心，悬挂起来。后来的指南针装置法，一般是在罗盘中心挖一圆洞，内盛水，放进横贯灯芯草的磁针就成为水罗盘。明末之前，普遍使用的都是这种水罗盘。

指南针的最大业绩，是它大大地促进了航海事业的发展。使人们获得了全天候航行的能力。指南针引起了航海技术的重大变革，开创了一个人类航海的新纪元。科学史家李约瑟博士说，这是“航海技术方面的巨大改革”，它把“原始的航海时代捱至终点”，“预示计量航海时代的来临”，我国宋元时期航海事业的高度发达，明初的郑和下西洋，以及欧洲人大航海时代的到来，都与指南针的发明和应用密切相关。

我们知道，指南针发明之前，我们祖先发明过指南车，那么，指南车是不是还可以再制造呢？这不得不提到一个人，他叫马钧。

公元233年至236年的某一天，三国魏明帝的宫殿里传来一片压低了嗓音的议论声，原来是上朝的大臣们在争论上古是否真有指南车。传说我国在上古的时代就发明了指南车。黄帝跟蚩尤（chīyóu）作战，遇到大雾，军队迷失了方向。黄帝制作了指南车，终于辨明了方向，打败了蚩尤。又说周朝初年，南方的越裳氏派来的使臣迷失了回去的路线，周公制作了指南车派人护送他们回国。

现在，不少人说：“指南车只是史书虚构出来的。”可担任“给事中”小官的人却说：“指南车可能是有的，只是后来失传了。只要认真研究，可以重新制造出来。”经学家高隆和骁骑（xiāo qí）将军秦朗便讥笑那人：“先生姓马，名钧，字德衡。钧是器物的模型，衡是用来确定物品轻重的。难道没有轻重的标准就可以做模型吗？”马钧不善辞令，涨红了脸说：“光说空话有什么用！我们不妨试一下，看能不能成功。”魏明帝看着马钧笑了。他想起前些天有人送他一套木制玩具，有各种戏剧人物和禽兽造型，形态优美，制作精致，但却是固定不动的。他令马钧改造，马钧造了个小戏台，下面装了个用木头做成的原动轮，用水力使它旋转。原动轮和台上的木偶都有机关相连接，它一旋转，所有的木偶就开始表演：打鼓、吹箫、舞剑，变化多端，非常热闹。这套活动木偶，人们叫它“水转百戏”。现在魏明帝想起马钧制“水转百戏”的机巧，相信他能制出指南车，便同意马钧试制指南车。

马钧苦心钻研，日夜思考，一边设计一边制作，终于把指南车造成了。那些讥笑他的人再也没话说了。指南车是一种由车子和一个木人构成的指向机械，车中装有可自动离合的齿轮传动装置，并与木人相连，木人有一只手指方向。不管车辆朝什么方向走，在自动离合齿轮装置的作用下，木人的手都指向南方。指南车装置所利用的基本上是现代汽车中差动齿轮的逆向使用原理。英国的科技史家李约瑟说指南车是世界上真正的第一台自动控制机，指南车是中国古代的一项重大的机械发明。

马钧从小口吃，不善言谈，但他善于动手动脑，尤其喜欢钻研机械方面的问题。他早年生活比较贫困，长期居住在乡间，因而比较关心生产工具的改革，并且做出了突出贡献。最有名的是改进了纺机和发明翻车。

还在年轻的时候，他看到织绫机操作不便，效率又低，便下决心进行加工改造。经过细致观察研究，把原来五六十个踏板的旧织绫机，统统改成12个踏板，大大简化了织机构造，劳动生产率一下提高了好几倍。同时新织绫机织出的图案自然，变化多端，质量也有很大改善，很受人们欢迎。

马钧住在京城洛阳时，城里有一片地可以辟作菜园。但是因为地势比较高，无法引水灌溉，他便制造了一种新式的引水工具翻车（即龙骨水车）。龙骨水车可连续提水，运转轻便省力，儿童都可操作，效率比其它提水工具高很多，大大增强了古代劳动人民抗旱排涝的能力。一千多年来，翻车作为一种重要的农业灌溉工具，在我国一直被广泛地运用着，特别是在江南地区，直到今天还可以常常看到它。它是最初的带式传运器，从中国流传到整个世界后，对许多国家的农业和工业产生了极大的影响，朝鲜和越南曾经以此来改造他们的农业灌溉技术。欧洲最早的方形板叶链式抽水机（龙骨车）制造于公元16世纪，它直接模仿中国的设计。到公元18世纪，奥利弗·埃文斯在磨面中采用了带式传运器，这导致了现代谷物升降机的发展。而公元16世纪，欧洲挖泥船用挖斗代替板叶，这是现代采矿和开采业中采用的带式传运器上排水设备的先驱。

马钧的才学是多方面的，他对兵器的研究也有独到之处，如改进了连弩和发石车等。

马钧一生有许多发明创造，尤其是在机械制造方面表现了卓越才能，因此人们称赞他是“天下之名巧”，史书也赞扬他“巧思绝世”。