指南針的發明

在古代，各民族的先民們麵對茫茫海洋，雖然有探險探秘的願望，但是由於技術的限製，總是無法如願。即使是以航海著稱的古希臘人，也不過是在相對比較風平浪靜的地中海海域稱雄。對於茫無邊際的大洋，也隻有“望洋興歎”。其實，並非是由於造船技術限製了古人們的越洋交流，更主要的是由於在海上無法辨別方向，雖然有可以橫渡大洋的船隻，也會在海上迷路，葬身海底。因此，指南針的發明可以說是給海船裝上了眼睛，為航海業的發展提供了最基本的技術條件。指南針是中國最早發明的，但它是經過漫長的歲月逐漸發展改進而成的。

從“司南”到“指南魚”

對於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。據說黃帝在與蚩尤交戰時，曾經發明過“指南車”，可以在大霧彌漫的天氣下準確辨別方向，不至於迷路。這可能是關於“指南針”的最早探索。但是，後人根據古書的記載，多次想重新製作“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，利用磁鐵的特性製造出的指南針，卻是中國人的偉大發明。指南針的發明可以追溯到周代，距今已有二千五百年至三千年的曆史。大約在春秋戰國時代，中國人就已經發現了磁石和它的吸鐵性。《韓非子·有度篇》裏記載“先王立司南以端朝夕”，這裏的“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。在古代文獻裏還有記載鄭人到遠處采玉，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”。“慈石”就是磁石，“銅金”就是一種鐵礦。可見至少在2600年前的管仲時期，已經知道磁石的存在，並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國時代的古人和古希臘的先民都已發現，而發現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，不太容易被發現。因為一般情況下磁力小、摩擦力大，磁石兩極不能自由旋轉到南北向。中國在戰國時代最早發現了磁石的指極性，並利用磁石能指示南方的性能，製作成指南工具——司南。“司”字意為掌管，現在仍有“司機”、“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，用磁石製造司南，磁極不容易找準，而且在琢製勺的過程中，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，古人在發明了司南之後，又不斷改進指南工具。繼司南之後，中國人的祖先又製成了一種新的指南工具——指南魚。

按照現代科學的眼光來看，古人是將鋼片在爐火中燒紅的方法使鐵磁質中的磁疇活動起來，由於地球有磁性，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，由於地球磁傾角的作用，可使磁性增強。

《夢溪筆談》中記載了指南針的製作方法

由於地磁場的強度不大，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？古人在繼續不斷地試製摸索。就在鋼片指南魚發明後不久，又有人發明了用鋼針來指南，這種磁化的小鋼針可算是世界上最早製成的真正的指南“針”了。

北宋著名科學家沉括（約公元１０３３－１０９７年），在科學技術方麵取得了傑出的成就，北宋時期中國許多重大的科學發明，例如活字印刷、指南針等應用技術，都是借助於沉括的記載而得以流傳的。指南針能指南，但還必須為它創造一個可以自由轉動的條件。沉括在他《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裏，使它浮在水麵，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動後來定向。三是碗唇旋定法，把磁針放在光滑的碗邊通過旋轉磁針來定向。四是縷懸法，在磁針的中部塗一點點蠟，用一根細絲線沾上蠟後，懸掛於空中指南。這種懸掛式指南針，必須在無風處使用，但使用起來比較方便。

根據試驗，沉括認為這四種方法中，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**，針就難以靜止下來了。

沉括在９００年前提出的這四種方法，有的至今仍有實用價值，如現代的磁變儀、磁力儀的基本結構原理，就是采用了沉括所說的縷懸法原理。而航海中使用的重要儀表羅盤，也大多是根據水浮磁針這一原理設計而成的。

沉括還是世界上最早發現磁偏角的人。“磁偏角”是因為地球上的磁極和南極、北極稍微有一點偏差。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。

沉括在《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。”這是世界上現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現磁偏角這一現象，比沉括晚了４００多年。

影響：開創航海新時代，推動地理大發現

指南針發明後，很快用於航海，對社會發展起到了重要作用。中國也是最早把指南針用於航海事業的國家。從此，海船有了眼睛，再不會迷失方向，這樣，就把航海事業推進到了一個新的時代，促進了各國之間的經濟貿易和文化交流。指南針傳到世界各國以後，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明之一。著名的科技史專家李約瑟指出：“指南針的應用是原始航海時代的結束，預示著計量航海時代的來臨。”有了指南針，促進了中國航海事業的發展，才可能有鄭和七下西洋的壯舉。

指南針技術傳入歐洲後，推動了歐洲航海事業的發展。１５世紀末到１６世紀初，歐洲各國航海家紛紛將指南針用於航海，他們不斷探險，開辟新航路，發現了美洲，完成了環繞地球的航行。馬克思曾這樣說過：“指南針打開了世界市場，並建立了殖民地。”