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走进殿堂的中国古代科技史（中） [:1701100360]
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第四讲 指南针与罗盘
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指南针和造纸、印刷术、火药统称为中国古代的四大发明。它们曾受到弗兰西斯·培根（Francis Bacon, 1561～1626年）和卡尔·马克思（Karl Marx, 1818～1883年）的高度称赞。马克思将这些技术发明看作是“资产阶级发展的必要前提”〔60〕，四大发明被公认为古代中国人的创造。纵使目前国际学术界有些异议，但尚无确凿证据与史实表明其他民族或地区有更早的发明或发现。
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谈到指南针，必涉及古代人所掌握的静电和静磁知识。限于篇幅，我们只能提及与罗盘的相关部分。古代中国人的许多相关知识可参阅拙作《中国物理学史》或《电和磁的历史》。
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作为技术发明的指南针与磁学知识对应阶段大致如下：
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一、司南
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“司南”是一种磁性指向器，是以天然磁铁（Fe3O4）琢磨而成。历史上“指南车”是一种机械指向器，它创始于三国马钧（生卒不明）。在历史文献、特别是魏晋以降的典籍中，“司南”与“指南”的混用，造成今日学术界相关科学知识与技术工艺的一些异议与疑惑。半个世纪前，文博学家王振铎（1913～1992年）对司南与罗盘的全面研究奠定了今日认知司南为磁性指向器的基础（如图4.1所示）。
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关于司南的最早文字记述见之于战国末期《韩非子·有度》：
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夫人臣之侵其主也，如地形焉，即渐以往。使人主失端，东西易面，而不自知。故先王立司南以端朝夕。
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“端”有二意：一为物之“起始”、“头前”之意，暗含方向。引文中前一个“端”字作如是解；一为“正”，为动词。后一“端”字作如是解。“朝夕”二字在此借用为“东西”方向。“端朝夕”即“正东西”方向。引文大意是说：君主属下之奸臣欲害其主，改变君主之治国理念或方向，总是一步一步、一点一滴而逐渐进行的。这样，就能使君主失去方向，变换路线而不自知。故此，先王创制“司南”以便正东西方向。
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“司南”是政治原则还是器物？直到东汉王充（27～约97年）才对它的形制、物理特性作出记述。他在《论衡·是应篇》中写道：
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屈轶之草，或时无有而空言生，或时实有而虚言能指。假令能指，或时草性见人而动。古者质朴，见草之动，则言能指，能指则言指佞人。 司南之杓，投之以地，其柢（dǐ）指南。鱼肉之虫，集地北行，夫虫之性使然。今草能指，亦天性也。
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整段文字，叙述了三种“物”：屈轶之草，司南之杓，鱼肉之虫。前者植物，后者小动物，居间者为普通物体。它们的本性相同，都能指示方向。据王振铎考证：“地”即汉代占卜用工具“式盘”之下半部，称为“地盘”；“柢”原指树根，此借为杓柄。司南类似日用器物“杓”，将它置于占卜用的“地盘”上，其柄（柢）指向南方。他据《韩非子》和《论衡》记载，断此能指示方向的器物必为天然磁石所制成的杓柄式指向器，并将其复原如图4.1所示。它的创制时间当在战国末期。
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图4.1中曲线型杓式司南所具有的内在美，曾为学术界所接受和赞赏，也成为今天媒体上中国科技事物的标志。
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然而，也有个别不同意见：一者判定司南为天上北斗星座；二者断其为西周官职。实际上，前者潜意识地受到复原司南为曲线型、且类似北斗星座的影响；后者，查无实据，西周无“司南”官职。
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问题的关键仍在科学方面。曲线型磁棒、尤其是杓柄端的内弯，极大地减弱了作为“司南”这种磁棒极性，也就减弱它与微弱地磁场的彼此感应强度。
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因此，即使在强磁场下制造的钨钢磁杓，在不久时间后也完全退磁而不转动了。解决这个问题实在很简单。王振铎在其大作《司南指南针罗盘》中，绘有汉代杓型14种，其中仅一两种为如图4.1所示形状，而有多达11种为直柄（如图4.2所示）。采用直柄杓形复制司南，甚而其柄端呈尖状，杓体不必挖空（如图4.3所示），这样的磁杓实为一长条磁体，它完全符合“条形磁铁在自由悬挂时指向南北方向”的物理规律（如图4.4所示）。将司南杓置于摩擦阻力极小的光滑平面上，与自由悬挂条形磁铁的物理条件是相同的。为减小摩擦阻力，复制的司南不宜大（如图4.5所示）。要改变图1给人留下的仿似厨具大杓的印象。
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又有人疑问：为何考古界迄今未发现此类器物？这个问题，一当问祖先是否将它与主人入殓过；二当问从事考古之今人，在其发掘中有否司南之意识。众所周知，一个天然磁石杓在地下千余年，比一个铁钉更易锈蚀，剥离。若无此“司南”之意识，即使手触及其十次、八次，亦枉然也。
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笔者相信司南在历史上存在过，且直到唐代指南针发明之前，可能有人“玩”过司南。梁元帝萧绎（508～554年）在其《玄览赋》中陈述祖荣、嗟今叹古，言及他自己大权在握，威风又享受，偶也思及被匈奴族赶到西北边陲的月支族。此时他寄希望于占卜，“见灵鸟之占巽，观司南之候离”。其中，“巽”、“离”为八卦方位。唐代韦肇（766～779年官中书舍人）在其《瓢赋》赞美瓢之素雅瑰伟，将其与“北斗”相比，与“司南”相校，写下“挹酒浆，则仰惟北而有别；充玩好，则校司南以为可”。
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人们还担心古人雕琢天然磁石为司南的过程中，因敲打而令磁石退磁，担心他们有否适当的加工工具等。只要想想在浙江余杭县反山良渚出土约公元之前2500年的诸多良渚玉器（玉鸟、玉龟、玉鱼、玉琮、玉冠饰等，如图4.6所示）就可以打消这些顾虑。参看以下莫氏硬度标（Moh’s hardness scale）（见表4.1）。