在我們賴以生存的地球上，供人類居住和生息的陸地面積不到30%，剩下的70%都是茫茫的大海。人類在漫長的原始蒙昧?xí)r期，因缺乏辨別方向的有效工具，面對無邊無際的大海，深感恐懼和無奈。在指南針傳入歐洲之前，歐洲人一直把大海稱為“恐怖的海洋”。

在遙遠的古代，人們在白天往往靠觀察太陽來確定方位，晚上可以找到北極星來辨別方向，但陰雨天、大霧天該怎么辦呢？正是這種日常生活的需要，促使人們不懈地去尋求一種在任何時候、任何地方都能使用的辨別方向的工具。

最早的指向工具是指南車。它不是用磁鐵做成的，而是用結(jié)構(gòu)相當復(fù)雜的齒輪機械來保持既定方向。相傳，指南車是由大約4000多年前的黃帝發(fā)明的。當時，黃帝部落與蚩尤部落進行戰(zhàn)爭，蚩尤能施妖術(shù)造出大霧，想在黃帝的兵馬迷失方向時戰(zhàn)勝他們。黃帝為了戰(zhàn)勝蚩尤，就創(chuàng)造了指南車來指示方向。這在《黃帝內(nèi)傳》和《古今注》中有記載。另外，還有一種傳說，西周初年，南方有一個叫越裳氏的小國，派使臣來朝賀周天子，返回去的時候，周天子怕他迷失方向，就讓周公為他造了一輛指南車。這在《古今注》和《宋書·禮志》中有記載。這些傳說雖不足為據(jù)，但至少說明，我國在三四千年前就已經(jīng)有了指示方向的工具。

在春秋時期，指南車確實已經(jīng)存在，但因為沒有太大的用處，而沒有能流傳下來。東漢時，大科學(xué)家張衡就曾制造過這種指南車。后來的不少封建皇帝還把指南車當做講排場的工具，如后秦的皇帝在出巡時就總是把指南車放在儀仗隊的前面。南明劉宋的開國皇帝劉裕奪取了后秦的指南車，因為車的內(nèi)部機械零件和結(jié)構(gòu)已遭到破壞，劉裕就派人到車上撥動木人，讓木人指向南方，一出巡就把它排到儀仗隊的最前面，以炫耀帝王的排場和闊氣。南齊皇帝蕭道成還曾命令當時著名的數(shù)學(xué)家祖沖之制造了一輛指南車，以顯示自己“天命所歸”的至高地位。

其實，在漢魏時，就有不少人著迷于對指南車的“復(fù)制”。《魏書》就記載著，馬鈞與高堂隆、秦朗爭論指南車的制作問題，后兩人認為古書中沒有記載具體做法，肯定是沒有這種東西。但馬鈞認為古代肯定有指南車，魏明帝就命令馬鈞實際地造出指南車來。馬鈞的確把指南車造出來了，卻是根據(jù)自己的設(shè)計構(gòu)思制成的，因此很難說是對春秋之時指南車的復(fù)制。

馬鈞以后，除祖沖之外，還有后魏太武帝時的郭善明、馬岳，南明宋石虎使解飛，姚興使令狐生，宋仁宗時的燕肅、吳德仁等，都企圖“復(fù)制”出遠古的指南車來。但實際上，每一時代的“復(fù)制”都代表的是這一時代的技術(shù)水平，而且都是機械結(jié)構(gòu)的車子，實用價值很小，只能擺擺樣子，至多讓皇帝們高興高興而已，因而沒有一件能流傳下來。

但是，許多古籍如《鬼谷子·謀篇》、《韓非子·有度》、《考工記》及《宋書·禮志》，以至于《古今注》等，都明確指出了秦漢以前的指南車是有實際用處的。關(guān)于指南車的制作方法，最早詳細記述的是《宋史·輿服志》，它把燕肅和吳德仁的設(shè)計制作情況記載了下來。今人王振鐸先生據(jù)此記述進行了復(fù)制。大致結(jié)構(gòu)是：在車上立一根木柱，上面刻成木人，手臂指向南方，它的內(nèi)部是一個差動齒輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，車子在拐彎時，內(nèi)輪不動，外輪繞內(nèi)輪旋轉(zhuǎn)，車轅就通過繩索牽動齒輪，改變它們的配合，使中間的那根木柱轉(zhuǎn)動，從而使木人的手臂能始終指向南方。這顯然不是漢魏時，也更不可能是春秋時指南車的結(jié)構(gòu)。

這似乎只是對某種結(jié)構(gòu)精巧的自動控制機械裝置的追求。但是，它的最終指南的功能，仍不失為人們對指向工具的某種探索，它的機械動作機制的“神秘”性使人們對它屢得屢失，直至北宋才記下這精妙的制作技術(shù)，應(yīng)當算是當時世界上最早的自動控制技術(shù)了。

指南針的前身司南

我國古代勞動人民在實踐的過程中，逐漸認識了磁石的性質(zhì)并最早利用它制成指示方向的儀器。古人在開采鐵礦的過程中，會遇到天然磁鐵。古人把天然磁鐵叫做磁石，它的主要成分是四氧化三鐵。古書中最早記載磁石的是《管子·地數(shù)》篇，它說：“上有慈石者其下有銅金。”這里的“慈石”原意是指這種石頭能像慈母一樣吸引和愛護她的子女，也就是說它有吸引鐵的性質(zhì)。《呂氏春秋》中高誘曾注釋道：“石，鐵之母也。以有慈石，故能引其子；石之不慈者，亦不能引也。”意思是說，鐵礦石中會有鐵，因為只有像慈母一樣的礦石，才能吸引鐵。如果礦石沒有慈母一樣的吸引力，就不能吸引鐵。《山海經(jīng)》中有更明確的記載：“慈石取鐵，如慈母之招之。”顯然，這種“慈石”正是我們現(xiàn)在所說的“磁石”。古人甚至傳說秦始皇建造的阿房宮的北門就是用磁石造成的，如果有人攜帶鐵制兵器進宮行刺的話，就會立刻被大門吸住。至于磁石指南的性質(zhì)是什么時候被中國人所認識的，中國人又在什么時候利用磁石的這種性質(zhì)，制成了指南針，現(xiàn)在我們還不能確切知道。

在《韓非子》一書中，有關(guān)于“司南”的記載，說戰(zhàn)國時中國已有以天然磁石制成的磁勺——司南，用來指示方向。這是世界上最早的用磁石做成的指南儀器。又據(jù)《鬼谷子·謀篇》

記載，戰(zhàn)國時，鄭國有人到遠處山中采玉，為了不迷路，就在車子上裝有司南，以幫助辨別方向。

“司南”和指南針一樣嗎？根據(jù)東漢時大哲學(xué)家王充在他的《論衡·是應(yīng)篇》中對司南的形狀和制法的詳細記載，我們知道，“司南之杓，投之于地，其柢指南。”在這里，“杓”即“勺”，也就是像小勺子一樣的形狀，而不是通常所說的指南針的針形。

我們祖先親手用過的司南，我們現(xiàn)在當然已很難看到了。可是，我們在地底下曾經(jīng)發(fā)掘到一些類似的東西。中國歷史博物館的王振鐸先生就根據(jù)這些考古發(fā)現(xiàn)和王充的記述，把司南“復(fù)原”成模型。在這個模型中，最下面那方形的銅盤叫地盤，上面刻有許多文字，從里面第一圈數(shù)起，是甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、癸這八干（八天干），還有┄┄┄、≡等八卦的字樣，及十二地支（子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥）、四維（乾、坤、巽、艮），表示二十四個方向，均勻地分布在地盤上，其中用子代表正北方，午代表正南方。地盤中間的圓形構(gòu)成“天盤”，這里是用來放置“杓”的。“杓”本是古人的一種生活用具。

當人們用磁石做成這種勺子時，它就成了能指南的工具了。杓是用天然磁石做成，為保護磁石的磁性，就不能用熔化鑄造的方法，也不能劇烈震動。我們的祖先就用琢磨玉器的方法，把天然磁石輕輕地加以琢磨，以致成為勺的形狀。這勺子的類似湯匙盛東西的那頭放到天盤中間，勺子的長柄就自然指向南方。因為湯匙底部是圓的，放在平滑的銅面天盤上，可以使它很容易地靈活轉(zhuǎn)動，直到勺柄指南。杓和地盤配合使用，就能確定南北方向。

這就是司南，“司”即操作、經(jīng)營之義，因此“司南”就能使你任何時候都知道南方在哪里。顯然，上述結(jié)構(gòu)的指南儀器制作起來確實相當費勁，指示精度也不準，而且受震動時幾乎不能使用，因此不能廣泛地應(yīng)用到車馬行駛和船舶上。這就為后世發(fā)展真正的指南針留下了廣闊的余地指南魚和指南龜

在宋代，正當人們熱衷于指南車的制造時，以磁石的磁性為基礎(chǔ)的指南技術(shù)獲得了新的發(fā)展，那就是，人們用人工磁化的方法制成了指南魚和指南龜。

在長期的生產(chǎn)和生活實踐中，人們發(fā)現(xiàn)了這么一種奇特的現(xiàn)象，即把鋼或鐵在磁石上摩擦后就帶有磁性，并且磁性很穩(wěn)定。人們就據(jù)此創(chuàng)造出了人造磁鐵。如果把人造磁鐵做成魚的形狀，讓它浮在水面上可以自由轉(zhuǎn)動，當它靜止的時候，魚頭就指向南方，魚尾則指向北方。

這種指南魚看似簡單，實際上蘊含了很多在當時看來已經(jīng)很復(fù)雜的將鐵造成永磁鋼的技術(shù)，并充分利用地球磁場和磁鐵磁性的關(guān)系的規(guī)律，具有比“司南”更高的技術(shù)水平。

宋代曾公亮等著《武經(jīng)總要》中記述了指南魚的做法：把薄鐵片剪裁成長2寸、寬5分、頭尾像魚形的鐵片，把它放到炭火中燒得通紅，一方面增加鐵分子的活力，打破分子間原來的穩(wěn)定排列，使分子在重新排列時形成磁性；另一方面，通過灼燒、淬火（放到水中數(shù)分鐘），增加了鐵片的鋼性，使鋼鐵磁化后不容易退磁。而在淬火時，把“魚尾”正對著北方，“魚頭”就自然對著南方，實際就是把一塊高熱的鐵片放在地磁場中，使它在驟然冷卻時，在地磁場的作用下，分子重新排列，鐵片被磁化。但因地磁場磁性太弱，磁化也較微弱，因此，為加強磁化的程度，就把這“魚”放在密閉的容器中保存一段時間，這個容器實際是放有永久磁鐵的匣子，以便使它強化“魚”的磁性。這樣做成的“魚”就是指南魚。

當時，人們還根據(jù)需要，把指南魚做成大小不同、攜帶和使用起來都很方便的指向工具。曾公亮在書中還提到，行軍作戰(zhàn)時，有時用老馬在前面帶路，有時就使用指南魚。在宋代，民間還流傳著木刻的指南魚，它是把一塊天然磁石裝在木魚的肚子里頭，讓木魚浮在水面上，魚頭就指向南方。但是，不管什么樣的指南魚，在用于航海時都受到很大的限制。這是因為指南魚要經(jīng)常浮在水面上，而在航行過程中總是會遇到大風(fēng)大浪，船顛簸和震蕩得很厲害，致使指南魚不能準確地指示方向。

另外，在宋代人撰寫的《事林廣記》中還記載了許多關(guān)于木刻指南龜?shù)墓适隆Ｄ究讨改淆敽湍究讨改萧~的原理是相同的，所不同的是，指南龜不是浮在水面上，而是安置在一根竹釘子的頂端，竹釘固定在一個底座上，指南龜可以在竹針頂端自由轉(zhuǎn)動。人撥轉(zhuǎn)木龜后，木龜最后就在靜止時指向南方。還有一種指南龜，是用薄鐵片裁成龜形，然后用地磁場磁化法，使龜形鐵片帶上磁性，在需要時，使它浮于水面，指南龜就能指南。但它的磁性太弱，和鐵磁指南魚一樣實用價值不大。指南龜盡管消除了指南魚的一些缺點，但它的指向精確度和穩(wěn)定性還是不能滿足遠途航海的需要。制造一種更精確、更穩(wěn)定的指向工具就成為必然的事情了。

指南針和羅盤的誕生

宋朝時，由于航海事業(yè)的發(fā)達，在促進其他方面的科學(xué)技術(shù)大發(fā)展的同時，各式各樣的指向工具也都應(yīng)運而生。宋代大科學(xué)家沈括在他的《夢溪筆談》中記載了針形指南針的四種裝置方法。

一是水浮法，就是使磁針中部穿在一根燈芯草中，一起懸浮在水面上。二是指爪法（也叫指甲旋定法），就是把磁針平放在指爪甲上，由于爪甲摩擦阻力較小，磁針很容易轉(zhuǎn)動，就會在地磁場的作用下自動地指定南北方向。三是碗唇法（也叫碗沿旋定法），就是把磁針平放在碗唇（碗的邊緣棱）上，指向原理與指爪法相同。四是縷懸法（也叫絲懸法），就是用一根繭絲系在磁針腰上，用芥子大小的蠟將它固定好，懸掛在沒有風(fēng)的地方，就會自然指向南北。沈括根據(jù)豐富的經(jīng)驗指出，在這四種支承法中，水浮法搖蕩不穩(wěn)，跟指南魚的效果差不多，指爪法和碗唇法又容易滑落，以縷懸法為最佳。

后來，人們受指南龜用支撐法制造的啟發(fā)，就模仿著造出了指南針，就是將磁針支撐在底盤上。制造指南針的基本技術(shù)在宋代就已經(jīng)完成。可以說，現(xiàn)在航海上所使用的指向儀器雖然非常精密，但其基本原理和形式還是指南針。

由于指南針的制造和使用，我國人民在世界上最早發(fā)現(xiàn)了“磁偏角”的地磁學(xué)現(xiàn)象。沈括在他的科學(xué)名著《夢溪筆談》中說：“方家以磁石摩針鋒，則能指南，然常偏東，不全南也。

”明確指出，指南針并不是指向正南方，而是稍微往東偏一些，“磁偏角”就是沈括為這種地磁學(xué)現(xiàn)象所起的名稱。這在今天的中學(xué)生朋友看來，無疑屬于很普通的常識了，因為地球的兩個磁極并不恰好位于南極和北極上，而是有一段距離，這樣，磁針所指的方向與連結(jié)地球南北極的子午線之間就形成了一個偏角，這個偏角在地球上不同的地方，大小是不一樣的。我們知道，古代的科研手段是相當落后的，測算磁偏角當然也十分不容易。除沈括發(fā)現(xiàn)了指南針“常微偏東”之外，寇宗（shì）也發(fā)現(xiàn)了這一點，他說磁針“常偏丙位”，按照中國古人的測算，“偏丙位”，就是說磁偏角在0°～15°之間。歐洲人直到13世紀才知道這個磁偏角，并制造了用以測定磁偏角的磁傾針。但他們卻誤認為磁偏角是指南針構(gòu)造不精密導(dǎo)致的。只是在15世紀末哥倫布在遠渡大西洋時才確認有這個磁偏角，比我國晚了四百多年。

最初的指南針沒有固定的方位盤相配合，沈括所描繪的幾種指南針都沒有方位盤。到南宋時才出現(xiàn)了羅經(jīng)盤，或稱之為地螺、針盤等，也就是使指南針與方位盤聯(lián)成一體。這使指南針在航海中有了更加方便和廣泛的應(yīng)用。宋人吳自牧在《夢梁錄》中曾說：“風(fēng)雨晦冥時，惟憑針盤而行，及火長掌之，毫厘不敢差誤，蓋一舟人命所系也。”在狂風(fēng)暴雨或天氣陰暗之時，全船的身家性命全都寄托在這個針盤上，它能毫厘不差地指示方向，因為它上面有很精細的刻度。宋人曾三異《因話錄》中也認為，“地螺或用子午正針，或用子午、丙壬間縫針”，這里的子、午、丙、壬表明針盤是按干支分劃刻度的。這種指南針因有精確的刻度，比以前的指南魚等使用起來方便多了。它的方便之處就在于：在它刻有24向的圓形底盤上，只要看一下磁針在方位盤上的位置，立即就能定出方位來。

需說明的是，羅盤也經(jīng)歷了從水羅盤到旱羅盤的轉(zhuǎn)變。羅盤起初是水羅盤，磁針橫貫燈芯，浮在水面上。到明代嘉靖年間才出現(xiàn)了旱羅盤。旱羅盤類似于沈括所描述的指爪法和碗唇法，它的磁針是以釘子支在磁針的重心處，使支點的摩擦力十分小，磁針可以自由轉(zhuǎn)動，靜止時，就自然指向南方。這種羅盤用到航海上，又稱航海羅盤，上定24向，就是把360度的圓周分成24等分，以15度為一向，亦稱為正針。兩正針夾縫中另設(shè)一向，稱縫針。宋朝時，正、縫針就被合并，定48向，每向間隔7度30分。這比后來西方的32向羅盤在定向上精確得多。

值得回味的事情是：指南針從指南勺、指南魚到具有很高精度的羅盤的發(fā)展，是在宋代那些以看風(fēng)水、看病為業(yè)的方士們的手里最先實現(xiàn)的。他們把指南魚和指南勺磨制成靈敏度更高的磁針，并放到方形的方位盤中，后來演化成圓形的方位盤，就成為羅盤。這一點真是意味深長的：一個指引人們通向新世界的偉大發(fā)明，正是經(jīng)過那些在舊的思想習(xí)俗世界中徘徊的人們的手，才推到歷史的面前。以致于后來，當我們還沉浸在對“磁偏角”的經(jīng)驗認識和古老簡樸的粗糙測算之中的時候，西方大都將磁和電結(jié)合起來，進行深入細致的科學(xué)研究，從而建立起麥克斯韋的電磁理論，最終將磁針這種東方人的古老發(fā)明融進了近現(xiàn)代科學(xué)的茫茫大海之中。

指南針在航海中的應(yīng)用