海船的眼睛――指南针的发明

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在古代,各民族的先民们面对茫茫海洋,虽然有探险探秘的愿望,但是由于技术的限制,总是无法如愿。即使是以航海着称的古希腊人,也不过是在相对比较风平浪静的地中海海域称雄。对于茫无边际的大洋,也只有“望洋兴叹”。其实,并非是由于造船技术限制了古人们的越洋交流,更主要的是由于在海上无法辨别方向,虽然有可以横渡大洋的船只,也会在海上迷路,葬身海底。因此,指南针的发明可以说是给海船装上了眼睛,为航海业的发展提供了最基本的技术条件。指南针是中国最早发明的,但它是经过漫长的岁月逐渐发展改进而成的。


  对于在海上和陆地上定向的工具,中国的先民们有许多记载和传说。据说黄帝在与蚩尤交战时,曾经发明过“指南车”,可以在大雾弥漫的天气下准确辨别方向,不至于迷路。这可能是关于“指南针”的最早探索。但是,后人根据古书的记载,多次想重新制作“指南车”,却一直无法成功。因此,“指南车”之说是否确切,是可以存疑的。


  然而,利用磁铁的特性制造出的指南针,却是中国人的伟大发明。指南针的发明可以追溯到周代,距今已有二千五百年至三千年的历史。大约在春秋战国时代,中国人就已经发现了磁石和它的吸铁性。《韩非子・有度篇》里记载“先王立司南以端朝夕”,这里的“先王”是周王,“司南”就是指南针,“端朝夕”是正四方的意思,是指指南针的用途。在古代文献里还有记载郑人到远处采玉,要带上司南,以便不迷失方向。春秋时齐国着名政治家管仲在他所着的《管子》一书中有这样记载:“上有慈石者,下有铜金”。“慈石”就是磁石,“铜金”就是一种铁矿。可见至少在2600年前的管仲时期,已经知道磁石的存在,并已掌握了磁石能够吸铁这一性能了。


  磁石有两个特性:一是吸铁性;二是指极性。也就是说磁石有两极,能够指示南北。磁石的吸铁特性中国战国时代的古人和古希腊的先民都已发现,而发现磁石的指极性则欧洲比中国晚得多。


  磁石能指示南北的特性,不太容易被发现。因为一般情况下磁力小、摩擦力大,磁石两极不能自由旋转到南北向。中国在战国时代最早发现了磁石的指极性,并利用磁石能指示南方的性能,制作成指南工具――司南。“司”字意为掌管,现在仍有“司机”、“司炉”、“司令”等词,这几个“司”字的本意都是相同的。


  但是司南也有其局限性,用磁石制造司南,磁极不容易找准,而且在琢制勺的过程中,磁石因受震动而会失去部分磁性。再加上司南在使用时底盘必须放平,而且司南的体积也比较大,因此,古人在发明了司南之后,又不断改进指南工具。继司南之后,中国人的祖先又制成了一种新的指南工具――指南鱼。


  按照现代科学的眼光来看,古人是将钢片在炉火中烧红的方法使铁磁质中的磁畴活动起来,由于地球有磁性,把烧红钢片沿着地球磁场的方向冷却,钢片在冷却时靠地球磁场的作用使磁畴有规律地排列,这条钢片鱼就有了极性,成了一条指南鱼。冷却时鱼尾向下倾,由于地球磁倾角的作用,可使磁性增强。


  由于地磁场的强度不大,所以指南鱼的磁性也很弱,古人渐渐觉得指南鱼的指南效果仍不理想。能不能有一种更理想的指南工具来代替指南鱼呢?古人在继续不断地试制摸索。就在钢片指南鱼发明后不久,又有人发明了用钢针来指南,这种磁化的小钢针可算是世界上最早制成的真正的指南“针”了。


  北宋着名科学家沈括(约公元1033-1097年),在科学技术方面取得了杰出的成就,北宋时期中国许多重大的科学发明,例如活字印刷、指南针等应用技术,都是借助于沈括的记载而得以流传的。指南针能指南,但还必须为它创造一个可以自由转动的条件。沈括在他《梦溪笔谈》一书中,提到了指南针的几种用法。


  一是水浮法,把指南针放在有水的碗里,使它浮在水面,指示南北方向。二是指甲旋定法,把磁针放在手指甲上轻轻转动后来定向。三是碗唇旋定法,把磁针放在光滑的碗边通过旋转磁针来定向。四是缕悬法,在磁针的中部涂一点点蜡,用一根细丝线沾上蜡后,悬挂于空中指南。这种悬挂式指南针,必须在无风处使用,但使用起来比较方便。根据试验,沈括认为这四种方法中,要算缕悬法最好。因为指甲和碗边上很光滑,指南针容易掉下去。而使用水浮法时,水若振荡,针就难以静止下来了。


  沈括在900年前提出的这四种方法,有的至今仍有实用价值,如现代的磁变仪、磁力仪的基本结构原理,就是采用了沈括所说的缕悬法原理。而航海中使用的重要仪表罗盘,也大多是根据水浮磁针这一原理设计而成的。


  沈括还是世界上最早发现磁偏角的人。“磁偏角”是因为地球上的磁极和南极、北极稍微有一点偏差。指南针的南极和北极,沿磁子午线分别指向北磁极和南磁极,磁子午线和地理子午线是不一致的,它们之间存在着一个夹角,科学上叫作“磁偏角”。世界各地的磁偏角是不同的,有的偏东,有的偏西。


  沈括在《梦溪笔谈》第24卷中写道:“方家以磁石磨针锋,则能指南,然常微偏东,不全南也。”这是世界上现存最早的磁偏角记录。在西方,直到公元1492年哥伦布在横渡大西洋时才发现磁偏角这一现象,比沈括晚了400多年。


  指南针发明后,很快用于航海,对社会发展起到了重要作用。中国也是最早把指南针用于航海事业的国家。从此,海船有了眼睛,再不会迷失方向,这样,就把航海事业推进到了一个新的时代,促进了各国之间的经济贸易和文化交流。指南针传到世界各国以后,各国也都用指南针来帮助航海了。正因为指南针起的作用很大,所以人们把它列为中国古代的四大发明之一。着名的科技史专家李约瑟指出:“指南针的应用是原始航海时代的结束,预示着计量航海时代的来临。”有了指南针,促进了中国航海事业的发展,才可能有郑和七下西洋的壮举。


  指南针技术传入欧洲后,推动了欧洲航海事业的发展。15世纪末到16世纪初,欧洲各国航海家纷纷将指南针用于航海,他们不断探险,开辟新航路,发现了美洲,完成了环绕地球的航行。马克思曾这样说过:“指南针打开了世界市场,并建立了殖民地。”


网载 2013-09-10 20:56:41

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