海船的眼睛——指南針的發(fā)明
在古代，各民族的先民們面對茫茫海洋，雖然有探險探秘的愿望，但是由于技術(shù)的限制，總是無法如愿。即使是以航海著稱的古希臘人，也不過是在相對比較風(fēng)平浪靜的地中海海域稱雄。對于茫無邊際的大洋，也只有“望洋興嘆”。其實，并非是由于造船技術(shù)限制了古人們的越洋交流，更主要的是由于在海上無法辨別方向，雖然有可以橫渡大洋的船只，也會在海上迷路，葬身海底。因此，指南針的發(fā)明可以說是給海船裝上了眼睛，為航海業(yè)的發(fā)展提供了最基本的技術(shù)條件。指南針是中國最早發(fā)明的，但它是經(jīng)過漫長的歲月逐漸發(fā)展改進(jìn)而成的。
對于在海上和陸地上定向的工具，中國的先民們有許多記載和傳說。據(jù)說黃帝在與蚩尤交戰(zhàn)時，曾經(jīng)發(fā)明過“指南車”，可以在大霧彌漫的天氣下準(zhǔn)確辨別方向，不至于迷路。這可能是關(guān)于“指南針”的最早探索。但是，后人根據(jù)古書的記載，多次想重新制作“指南車”，卻一直無法成功。因此，“指南車”之說是否確切，是可以存疑的。
然而，利用磁鐵的特性制造出的指南針，卻是中國人的偉大發(fā)明。指南針的發(fā)明可以追溯到周代，距今已有二千五百年至三千年的歷史。大約在春秋戰(zhàn)國時代，中國人就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了磁石和它的吸鐵性?！俄n非子·有度篇》里記載“先王立司南以端朝夕”，這里的“先王”是周王，“司南”就是指南針，“端朝夕”是正四方的意思，是指指南針的用途。在古代文獻(xiàn)里還有記載鄭人到遠(yuǎn)處采玉，要帶上司南，以便不迷失方向。春秋時齊國著名政治家管仲在他所著的《管子》一書中有這樣記載：“上有慈石者，下有銅金”?！按仁本褪谴攀般~金”就是一種鐵礦。可見至少在2600年前的管仲時期，已經(jīng)知道磁石的存在，并已掌握了磁石能夠吸鐵這一性能了。
磁石有兩個特性：一是吸鐵性;二是指極性。也就是說磁石有兩極，能夠指示南北。磁石的吸鐵特性中國戰(zhàn)國時代的古人和古希臘的先民都已發(fā)現(xiàn)，而發(fā)現(xiàn)磁石的指極性則歐洲比中國晚得多。
磁石能指示南北的特性，不太容易被發(fā)現(xiàn)。因為一般情況下磁力小、摩擦力大，磁石兩極不能自由旋轉(zhuǎn)到南北向。中國在戰(zhàn)國時代最早發(fā)現(xiàn)了磁石的指極性，并利用磁石能指示南方的性能，制作成指南工具——司南?！八尽弊忠鉃檎乒?，現(xiàn)在仍有“司機(jī)”、“司爐”、“司令”等詞，這幾個“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，磁極不容易找準(zhǔn)，而且在琢制勺的過程中，磁石因受震動而會失去部分磁性。再加上司南在使用時底盤必須放平，而且司南的體積也比較大，因此，古人在發(fā)明了司南之后，又不斷改進(jìn)指南工具。繼司南之后，中國人的祖先又制成了一種新的指南工具——指南魚。
按照現(xiàn)代科學(xué)的眼光來看，古人是將鋼片在爐火中燒紅的方法使鐵磁質(zhì)中的磁疇活動起來，由于地球有磁性，把燒紅鋼片沿著地球磁場的方向冷卻，鋼片在冷卻時靠地球磁場的作用使磁疇有規(guī)律地排列，這條鋼片魚就有了極性，成了一條指南魚。冷卻時魚尾向下傾，由于地球磁傾角的作用，可使磁性增強(qiáng)。
由于地磁場的強(qiáng)度不大，所以指南魚的磁性也很弱，古人漸漸覺得指南魚的指南效果仍不理想。能不能有一種更理想的指南工具來代替指南魚呢?古人在繼續(xù)不斷地試制摸索。就在鋼片指南魚發(fā)明后不久，又有人發(fā)明了用鋼針來指南，這種磁化的小鋼針可算是世界上最早制成的真正的指南“針”了。
北宋著名科學(xué)家沈括(約公元1033-1097年)，在科學(xué)技術(shù)方面取得了杰出的成就，北宋時期中國許多重大的科學(xué)發(fā)明，例如活字印刷、指南針等應(yīng)用技術(shù)，都是借助于沈括的記載而得以流傳的。指南針能指南，但還必須為它創(chuàng)造一個可以自由轉(zhuǎn)動的條件。沈括在他《夢溪筆談》一書中，提到了指南針的幾種用法。
一是水浮法，把指南針放在有水的碗里，使它浮在水面，指示南北方向。二是指甲旋定法，把磁針放在手指甲上輕輕轉(zhuǎn)動后來定向。三是碗唇旋定法，把磁針放在光滑的碗邊通過旋轉(zhuǎn)磁針來定向。四是縷懸法，在磁針的中部涂一點(diǎn)點(diǎn)蠟，用一根細(xì)絲線沾上蠟后，懸掛于空中指南。這種懸掛式指南針，必須在無風(fēng)處使用，但使用起來比較方便。根據(jù)試驗，沈括認(rèn)為這四種方法中，要算縷懸法最好。因為指甲和碗邊上很光滑，指南針容易掉下去。而使用水浮法時，水若振蕩，針就難以靜止下來了。
沈括在900年前提出的這四種方法，有的至今仍有實用價值，如現(xiàn)代的磁變儀、磁力儀的基本結(jié)構(gòu)原理，就是采用了沈括所說的縷懸法原理。而航海中使用的重要儀表羅盤，也大多是根據(jù)水浮磁針這一原理設(shè)計而成的。
沈括還是世界上最早發(fā)現(xiàn)磁偏角的人?！按牌恰笔且驗榈厍蛏系拇艠O和南極、北極稍微有一點(diǎn)偏差。指南針的南極和北極，沿磁子午線分別指向北磁極和南磁極，磁子午線和地理子午線是不一致的，它們之間存在著一個夾角，科學(xué)上叫作“磁偏角”。世界各地的磁偏角是不同的，有的偏東，有的偏西。
沈括在《夢溪筆談》第24卷中寫道：“方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也?！边@是世界上現(xiàn)存最早的磁偏角記錄。在西方，直到公元1492年哥倫布在橫渡大西洋時才發(fā)現(xiàn)磁偏角這一現(xiàn)象，比沈括晚了400多年。
指南針發(fā)明后，很快用于航海，對社會發(fā)展起到了重要作用。中國也是最早把指南針用于航海事業(yè)的國家。從此，海船有了眼睛，再不會迷失方向，這樣，就把航海事業(yè)推進(jìn)到了一個新的時代，促進(jìn)了各國之間的經(jīng)濟(jì)貿(mào)易和文化交流。指南針傳到世界各國以后，各國也都用指南針來幫助航海了。正因為指南針起的作用很大，所以人們把它列為中國古代的四大發(fā)明之一。著名的科技史專家李約瑟指出：“指南針的應(yīng)用是原始航海時代的結(jié)束，預(yù)示著計量航海時代的來臨。”有了指南針，促進(jìn)了中國航海事業(yè)的發(fā)展，才可能有鄭和七下西洋的壯舉。
指南針技術(shù)傳入歐洲后，推動了歐洲航海事業(yè)的發(fā)展。15世紀(jì)末到16世紀(jì)初，歐洲各國航海家紛紛將指南針用于航海，他們不斷探險，開辟新航路，發(fā)現(xiàn)了美洲，完成了環(huán)繞地球的航行。馬克思曾這樣說過：“指南針打開了世界市場，并建立了殖民地?！?BR> ?
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