指南針與古代磁學知識

指南針與古代磁學知識指南針的創(chuàng)制要有一定的磁學知識基礎，包括知道長條磁棒有自取南北方向的性質(zhì)，磁感應、磁極性、磁吸引與磁排斥的性質(zhì)，以及地磁偏角的知識，即指南針所指南北方向與地理南北方向不完全重合，它們指向間的夾角稱為地磁偏角。而且還要懂得地磁偏角會隨地理位置的不同而有差別。只有在這些知識基礎上發(fā)明指南針，才稱得上是真正的發(fā)明。磁石與慈石古人稱具有磁性的天然磁鐵為磁石，也即四氧化三鐵。最遲在戰(zhàn)國時期，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了磁石能吸引鐵的現(xiàn)象，將磁石寫成「慈石」。漢代初年(公元前2世紀)成書的《呂氏春秋》說：「慈石召鐵，或引之也?！?jié)h代高誘等學者在該書注解中說：「慈石，能引其子」，「取鐵，如母之招子焉?！箯膭?chuàng)立「慈石」一詞起，人們就知道磁鐵的吸引性質(zhì)，并將它的吸鐵特性人格化了。在中國漢語文字的歷史演變中，先后有三個字是表示磁石的：慈、和磁。慈為原文；為繁體，在「慈」旁加一「石」字，表明它是礦石；磁是的省略字，為今所通用。從唐宋以來，人們又將陶瓷的「瓷」假借為「磁」，稱瓷器為磁器。磁石吸引現(xiàn)象戰(zhàn)國時期成書的《管子·地數(shù)》中已有「慈石」一詞，表明戰(zhàn)國時期人們已發(fā)現(xiàn)了磁石吸鐵的現(xiàn)象。由于磁石是中草藥之一，歷史上本草藥物學家創(chuàng)造了許多辨別磁石優(yōu)劣的方法，其中之一就是試驗它的吸鐵性，以及觀察它的磁感應強度。公元5世紀時劉宋朝的雷斅、公元6世紀時蕭梁朝陶弘景都曾說過，好的「慈石能懸吸針，虛連三、四針為佳?！顾^「懸連」就是一根鋼針連著一根鋼針。唐代蘇恭和宋代蘇頌都指出，好的磁石「能虛連十數(shù)針，一二斤刀鐵亦回轉(zhuǎn)不落」。磁石「虛連」鋼針，實質(zhì)上就是磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。當這些被感應磁化的鋼針，置于光滑板面上或懸吊于空中，就能指示方向而成為指南針。至少從唐代蘇恭時起，距離指南針的發(fā)明已為期不遠了。磁排斥與棋藝磁鐵除了吸引鋼鐵之外，磁鐵之間也彼此相互作用，即同極相斥和異極相吸。古代中國人早就發(fā)現(xiàn)條形磁鐵的兩端極性不同。利用這一特性，漢代人就開始制造磁性棋子，在下棋娛樂中觀察棋子的彼此吸引與排斥現(xiàn)象。中國古代有各式各樣的棋藝，其中圍棋是最古老的傳統(tǒng)棋藝，春秋中期已有圍棋的記載，考古發(fā)掘已出土了許多圍棋盤和圍棋繪畫。象棋的起源也不晚于戰(zhàn)國時期，還有一種棋藝稱為「六博」，共12個棋子，六黑六白，兩人相博，每人六棋，因而稱為「六博」。棋局分12道，當中名為「水」，放「魚」兩枚，博時先擲采，后行棋，棋行到處，則入水食魚。每食一魚得二籌，得籌多者為勝。另有一種棋藝為方術之士用于占卜的「靈棋」，12枚棋子上分別寫上「上、中、下」字。將棋子同時擲于棋盤上，依「上、中、下」的多少來占卜吉兇。古代的下棋娛樂之中，有一種「斗棋」，以天然磁石作為棋子。人們從斗棋娛樂中不難發(fā)現(xiàn)磁吸引與磁排斥的現(xiàn)象。漢代膠東方士欒大曾向漢武帝獻斗棋之術，并謂「棋自相觸擊」。漢代淮南王劉安在其組織編纂的《淮南萬畢術》中寫下了斗棋中有「慈石提棋」和「慈石拒棋」的現(xiàn)象。前者是磁吸引，后者是磁排斥。可見古代中國人最先發(fā)現(xiàn)了磁排斥現(xiàn)象，也即是同性相斥的現(xiàn)象。磁的極性古人雖然發(fā)現(xiàn)了磁體有吸引和排斥兩種現(xiàn)象，但是對磁體有南、北兩極的認識卻比較晚。直到宋代，科學家沈括(公元1031-1095年)才記述了磁極性。他在《夢溪筆談》中說：「以磁石磨針鋒，則銳處常指南，亦有指北者，恐石性亦不同?！惯@里的「針」是指縫紉用的鋼針，一端為針鋒，另一端有穿線用針眼，較粗大。以磁石北極磨針鋒，則鋼針受感應后而指向北；以磁石南極磨針鋒，則鋼針指向南。沈括雖發(fā)現(xiàn)了磁極性現(xiàn)象，但不明白其中的道理，更不知道地球本身是一個大磁體，具有南北兩種磁極性。磁針之所以指南或指北，是因為它與地磁的兩極彼此產(chǎn)生作用的結(jié)果。在西方，英國物理學家吉伯特(W·Gilbert，1540-1603年)于1600年在實驗中發(fā)現(xiàn)圓球磁鐵的極性，并以此推斷地球也有兩種磁性。但是，這知識直到1840年鴉片戰(zhàn)爭之后才傳到中國。磁的超距作用磁鐵的吸引或排斥作用往往并不需要與被作用的鐵發(fā)生接觸。一塊好的磁鐵吸引桌面上的鋼針，常在磁鐵與鋼針尚有一小段距離時就將鋼針吸到磁鐵上了，這就是超距作用。古人曾仔細觀察磁鐵的吸引作用，漢代的《淮南子·地形訓》稱這種現(xiàn)象為「磁石上飛」。從西晉起，道家又將這種現(xiàn)象稱為「磁石吸鐵，隔闊潛應」。隋唐以來，不少方士利用了這種「超距作用」表演磁幻術，如在衣服袖口內(nèi)藏一塊磁石，桌面上放置鐵制小狗，小狗就會隨方士的手移動而緊隨其后，歷史上稱這種幻術為「喚狗子走」。磁屏蔽磁石對鋼鐵的吸引作用既可以是接觸式，又可以超距離發(fā)生。但是，這種作用也可以被隔斷，稱之為磁屏蔽。將鋼針懸吊于封閉的鐵盒之中，其外的磁石就不能對鋼針發(fā)生作用。這是磁屏蔽的最簡單實驗。中國人早在17世紀時就發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，清初劉獻廷(1648-1695年)在《廣陽雜記》中寫道：「磁石吸鐵，何物可以隔之？」侄子阿孺說：「惟鐵可以隔之?！菇?jīng)實驗后，果真如此。劉獻廷的侄子阿孺所言以及他們所做的實驗正是世界上最早的磁屏蔽實驗。在西方，法國物理學家?guī)靵?C·A·deCoulomb，1736-1806年)在18世紀才發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。地磁偏角的發(fā)現(xiàn)北宋初，天文學家和堪輿家楊維德于慶歷元年(公元1041年)撰寫相墓書《塋原總錄》，記述了指南針在羅盤上「取丙子、壬午之間」，這是「約而取于大概」的地理南北方向。與楊維德幾乎同時或更早的堪輿師王伋(約公元988-1058年)也曾以詩歌形式記下了地磁偏角。王伋指出，指南針所指的不是正確的地理南北極方向，而是在羅盤的「虛危之間」?！柑摗古c「?！故翘焐闲撬薜拿Q，用24天宿表示羅盤方向與用干支表示是相同的?！柑撐Ｖg」與「丙子、壬午之間」實則是一個方向，相當于南偏東度。楊維德與王伋所測定的地磁偏角是在北宋京都汴京(今開封)測得的。其后，沈括在《夢溪筆談》中也記述了汴京的地磁偏角：「方家以磁石磨針鋒，能指南，然常微偏東，不全南也?！怪链藭r，磁偏角知識已為許多學者所知曉而堪輿師和方家也為它的成因而展開了熱烈的爭論。明代王子朱載堉(公元1536-1611年)又測得洛陽的地磁偏角為4°46'，并指出「八方之地，各有偏向」，也即地磁偏角各地并不相同。歷史上所謂的磁石，大多是指天然磁鐵礦。基于某些特殊需要，如磁游戲、磁幻術等，人們學會制造磁體。一般的方法是將含有磁性的鐵沙、鐵粉末，用雞血或膠作為凝固劑或膠合劑，就可以將它們制成各種形狀的人造磁。在制造鋼針或縫紉針時，需要將針的一端在鋼銼上磨鋒利，此時掉落的鋼鐵粉末多含有磁性。這是因為鋼針與鋼銼總是在一個方向上銼磨的結(jié)果。人造磁體有關人造磁體最早的記載見于漢代淮南王劉安(公元前179-前122年)組織編纂的《淮南萬畢術》。劉安以雞血作膠合劑，將磨針后的鐵粉末黏連在方形棋子的兩端，從而制造了磁性棋子，以此表演斗棋，這一方法一直流傳到明清時代。明代方以智(公元1611-1671年)曾以此方法制造各種骨質(zhì)棋子。由于各種動物骨頭較輕，這樣的磁性棋子較容易發(fā)生彼此吸引與排斥現(xiàn)象。