第三節(jié) 中國古代的磁學(xué)

一、“磁”字溯源

中國是世界上首先發(fā)現(xiàn)磁石，并對磁現(xiàn)象進(jìn)行觀察、描述、探索的國家，也是世界上首先將磁石應(yīng)用于航海、軍事、醫(yī)藥等領(lǐng)域的國家。

中國古代文獻(xiàn)中關(guān)于磁石的最早記載見于春秋時(shí)管子（？—公元前645）著《管子·地?cái)?shù)篇》，內(nèi)有伯高答黃帝問：“上有慈石者，其下有銅金。”按，黃帝在世約公元前26世紀(jì)左右，據(jù)此推算，中國發(fā)現(xiàn)天然磁石的歷史可以上溯到4600多年前。在戰(zhàn)國時(shí)呂不韋（公元前292—公元前235）門人所撰《呂氏春秋·精通》中也有“慈石召鐵，或引之也”的記述（圖1-8）。

值得一提的是，上述引文中的“慈石”即現(xiàn)在通稱的“磁石”。原來，古人將“磁石”人格化，將“磁石”與“鐵”以母子相喻，稱為“慈石”。晉代郭璞（276—324）著《慈石贊》曰：“慈石吸鐵，母子相戀也。”

王充著《論衡》中有“頓牟掇芥，礠石引針”的著名論述（圖1-9），并將“慈石”寫作“礠石”。以后，在南北朝時(shí)代，省去“礠”字右邊的“心”，始有“磁”字。如晉代潘岳（247—300）著《西征歌》：“門磁石而梁木蘭兮，構(gòu)阿房之屈奇”；六朝梁陳時(shí)人作《三輔黃圖》中有“以木蘭為梁，以磁石為門”的記載（圖1-10）。

總之，在古漢字甲骨金文中本無“磁”字，“磁”字是伴隨磁石的發(fā)現(xiàn)，由“慈”字通過“礠”字演變而成的（即慈→礠→磁）。

二、中國古代關(guān)于磁石性能的觀察研究

從春秋戰(zhàn)國以來，中國許多古籍中都有對磁石性能進(jìn)行觀察、研究的記載。

1．磁石吸鐵

中國春秋時(shí)代就有“磁石吸鐵”的記載。《管子·地理指蒙》有“慈石為鐵之母”的記載（兩種含意，一指鐵是由慈石煉出來的；二指慈石吸取鐵，猶慈母之召子）。成書于春秋戰(zhàn)國時(shí)代的《山海經(jīng)·北山經(jīng)》說，灌題山“匠韓之水出焉，而西流注于泑澤，其中多慈石”；成書于戰(zhàn)國時(shí)代的《鬼谷子》中有“其察言也，若慈石之取”（即針）。在另外的古籍，如《呂氏春秋》《論衡》《淮南子》《山海經(jīng)·圖讚》《漢書·藝文志》等，都有磁石吸鐵的記載。而且，古人還發(fā)現(xiàn)，磁石只能吸鐵而不能吸引其他物體。《淮南子·覽冥訓(xùn)》有“若以磁石之能連鐵也，而取其引瓦，則難矣”；《淮南子·兵略訓(xùn)》有“磁石能吸鐵，及其與銅則不引也”；東漢曹植（192—232）在他所著“矯志詩”中也有“磁石引鐵，于金不連”（磁石只吸鐵，對銅則不起作用）的句子。

2．磁石極性

中國古代先民不但發(fā)現(xiàn)磁石能吸鐵，而且還發(fā)現(xiàn)磁石有極性，能指南、指北。《管子·地理指蒙》中有：“磁石為鐵之母，有陰陽之相背，以陰而置南，則北陽從之，以陽而置北，則南陰從之”，對磁石的南、北極性作了清楚的描述。

古人不僅發(fā)現(xiàn)磁石有極性，而且還發(fā)現(xiàn)磁石有同性相斥、異性相吸的特性。《易·各從其類疏》中有“非唯同類相感，亦有異性相感者，若磁石引緘，琥珀吸芥”；《淮南子·萬畢術(shù)》中也有磁石相斥的記載。

3．關(guān)于磁力不受媒質(zhì)影響和磁屏蔽作用

宋代張房著《云岌七竿》中有“磁石吸鐵，間隔潛應(yīng)”的記載；1644年，劉獻(xiàn)廷（1648—1695）著《廣陽雜記》中有“磁石吸鐵，隔礙潛通，或問余，磁石吸鐵，何物可以隔之……唯鐵可以隔耳。……試之，果然。”這是世界上有關(guān)磁屏蔽的最早記錄。

三、指南針的發(fā)明及應(yīng)用

指南針是利用磁石指極性制成的指南儀器，它是中國古代的偉大發(fā)明之一。英國著名哲學(xué)家培根（F．Bacon，1561—1626）首先在《新工具》一書中將印刷術(shù)、火藥、指南針稱為三大發(fā)明。后來馬克思（K．Marx，1818—1883）、英國著名漢學(xué)家麥都思（W．H．Medhurst，1796—1875）等承襲了培根的說法。馬克思在《機(jī)械、自然力和科學(xué)的應(yīng)用》中稱“火藥、指南針、印刷術(shù)——這是預(yù)告資產(chǎn)階級社會到來的三大發(fā)明”。麥都斯則指出：“中國人的三大發(fā)明（指南針、印刷術(shù)、火藥），對歐洲文明的發(fā)展，提供異乎尋常的推動力。”著名英國學(xué)者李約瑟（圖1-11）在上述三大發(fā)明中加入造紙術(shù)，稱為中國古代的四大發(fā)明。

中國發(fā)明和應(yīng)用指南針大致經(jīng)歷了司南→指南魚、指南龜→指南針（水針、旱針）→羅盤（水羅盤、旱羅盤）幾個(gè)階段。

1．司南

中國在春秋戰(zhàn)國時(shí)代已發(fā)現(xiàn)磁石具有指極性。據(jù)《古礦錄》記載，戰(zhàn)國時(shí)期已出現(xiàn)利用磁石辨別方向的指南儀——司南。戰(zhàn)國時(shí)期著名學(xué)者韓非子（公元前280—公元前233）著《韓非子·有度篇》中有“立司南以端朝夕”。公元前4世紀(jì)戰(zhàn)國時(shí)人王詡（別名鬼谷子）著《鬼谷子·謀篇第十》中有“鄭人取玉，必載司南，為其不惑也”。這說明當(dāng)時(shí)已有人將司南用于野外采礦時(shí)辨別方向。

在王充著《論衡·是應(yīng)篇》中，對司南作了比較明確的描述：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”這說明指南呈湯匙（杓）形，靜止時(shí)司南（杓）的柄“柢”指向南方。圖1-12為出土漢代司南的復(fù)原模型。司南由天然磁石鑿成的“杓”和四周有方向刻度的銅制方盤組成。

2．指南魚和指北龜

由于漢代司南用天然磁石磨制而成，磁性較弱，效果不理想，因此在流傳中被淘汰，未能推廣應(yīng)用。

北宋曾公亮在他成書于1044年的《武經(jīng)總要》中首先載明了指南魚的制法及應(yīng)用（圖1-13）：“魚法以薄鐵葉剪裁，長二寸，闊五分，首尾銳如魚形，置炭火中燒之，候通赤，以鐵鈐鈐魚首出火，以尾正對子位，蘸水盆中，沒尾數(shù)分則止，以密器收之。用時(shí)，置水碗，于無風(fēng)處，平放魚在水而令浮，其首常南向午也。”這段話說明，指南魚是用地磁場磁化鐵片而制成的；指南魚為水浮法。

南宋陳元靚在成書于1260—1265年間的《事林廣記》一書中，不僅介紹了另一種指南魚的制法，還介紹了不用水的指南龜?shù)闹品ǎ▓D1-14）：“以木刻魚子，如拇指大，陷好磁石一塊子，卻以蠟填滿，用針一半僉從魚子口中鉤入，令設(shè)水中，自然指南，以手撥轉(zhuǎn)，又復(fù)如此。以木刻龜子一個(gè)，一如前發(fā)制造，但于尾邊敲針入去，用小板子，上安以竹釘子，如箸尾大，龜腹下微陷一穴，安釘子上，撥轉(zhuǎn)常指北。”這段文字說明：采用天然磁石制造指南魚和指南龜，不僅有采用水浮法的指南魚，也有在地面上安放、應(yīng)用的指南龜。

3．指南針及羅盤

迄今為止發(fā)現(xiàn)的有關(guān)指南針的最早文獻(xiàn)是北宋天文學(xué)家楊惟德（1054年7月4日發(fā)現(xiàn)并記錄超新星大爆炸）在1041年撰寫成的《塋原總錄》：“客主的取，宜匡四正以無差，當(dāng)取丙午針，于其正處，中而格之，取方直之正也。……故取丙午壬子之間是天地中，得南北之正也。”這段文字說明，北宋時(shí)已有指南針和方向盤，或者二者結(jié)合而成的羅盤（羅經(jīng)盤），而且已經(jīng)知道地磁偏角的存在（北宋時(shí)汴京的地磁偏角為7.5°）。

與楊惟德同時(shí)或稍早的堪輿家王伋（1007—1076）在一首詩中也表明當(dāng)時(shí)已應(yīng)用指南針：“虛危之間指路明，南方張度上三乘，坎離正位人難識，差卻毫厘斷不靈。”詩中表明，指針?biāo)傅牟⒉辉谀媳睒O方向，而是虛、危之間（虛、危為星宿名，表示羅盤方位），與楊惟德文中的丙子、壬午相對應(yīng)，都是7.5°。

北宋著名科學(xué)家沈括（圖1-15）在成書于1086—1093年的《夢溪筆談》卷24中對指南針作了明確記載：“方家以磁石磨針鋒，能指南，然常微偏東，不全南也。水浮多蕩搖，指爪及碗唇皆可為之，運(yùn)轉(zhuǎn)尤速。但堅(jiān)滑易墜，不若縷懸為最善。其法取新纊中獨(dú)繭縷，以芥子許蠟綴于針腰，無風(fēng)處懸之，則針常指南。”這段話明確說明磁石磨成磁針而制成指南針，首次記錄發(fā)現(xiàn)了地球的磁傾角，并給出了4種指南方法（圖1-16）。

北宋寇宗奭在1116年成書的《本草衍義·磁石條》中有“磨針鋒則能指南，然常偏東不全南也。其法取新纊中獨(dú)縷，以半芥子許蠟綴于針腰，無風(fēng)處垂之，則針常指南。以針橫貫燈心，浮水上，亦指南，然常偏丙位。”不僅指明磁石磨針制指南針，還介紹了懸針和浮針的具體制作方法。

4．指南針、羅盤在航海上的應(yīng)用

正如李約瑟在《中國科學(xué)技術(shù)史》中所指出，磁針和羅盤的發(fā)明及使用與方家（堪輿家）看風(fēng)水有關(guān)，指南針、羅盤首先應(yīng)用于占卜、堪輿。

目前發(fā)現(xiàn)最早將指南針應(yīng)用于航海的文獻(xiàn)是北宋朱彧1119年編成（記述1086年的事）的《萍洲可談》：“舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦觀指南針。”這說明至遲在北宋時(shí)期已將指南針用于航海。

1124年徐兢（1091—1153）在《宣和奉使高麗圖經(jīng)》中有“唯視星斗前邁，若晦冥，則用指南浮針，以揆南北。”

羅盤是磁針加上方位盤組合而成的指南儀器。最早記載羅盤用于航海的是宋朝曾三異（1146—1236）著《因話錄》：“地螺或有子午正針，或用子午丙壬間縫針。”文中，地螺即地羅、羅盤。1275年南宋吳自牧箸《夢梁錄》中也有：“風(fēng)雨晦冥時(shí)，惟憑針盤而行。”針盤即羅盤。

關(guān)于帶有48個(gè)方位的羅盤的資料則首見于元代周達(dá)觀（1266—1346）記錄他1295年出使真臘（今柬埔寨）的《真臘風(fēng)土記》一書中。

此外，古人還將磁針指南融入詩詞中。例如，宋·曾豐（1142—1224）：“車中幸有司南柄，試與迷途指大方”；晉·楊方“磁石引長針，陽燧下炎煙”；唐·戴叔倫“針自指南天窅窅，星猶拱北夜漫漫”等。特別是南宋民族英雄文天祥（圖1-17）在他的《指南錄》中就以“臣本一片磁針石，不指南方不肯休”的名句，表達(dá)他身陷囹圄，仍心向宋朝，誓死南歸的愛國之情。

縱觀17世紀(jì)以前，中國人對磁現(xiàn)象的觀察、研究及應(yīng)用在世界上是領(lǐng)先的，特別是指南針的發(fā)明、應(yīng)用和西傳，對世界經(jīng)濟(jì)、文化產(chǎn)生的影響巨大。但宋代以后，中國對磁現(xiàn)象的研究發(fā)展緩慢，以后逐漸為西人所超越。