在中國的方位文化中經(jīng)歷了從天文學方法定位再以磁學方法制成司南,最后由司南演變成指南針的三個階段,隨之而來的是測定方位技術(shù)的不斷完善。
司南
圖1—司南模型(王振鐸復原)
司南是最早的磁性指向器。“司南”之稱,始于戰(zhàn)國(公元前475年—公元前221年),終止于唐代(公元618年—公元907年)。因為司南古義不斷演化,使它與一系列的古代發(fā)明結(jié)下了不解之緣。記載司南的最早的文獻是《鬼谷子》,其中寫道:“鄭人之取玉也,必載司南之車,為其不惑也?!?謀篇)從《鬼谷子》中的記載可以看出,鄭人去“取玉”,必須要帶上司南,就是為了避免方向的迷失。 在提到司南的文獻中,王充的記述是最重要的,他明確指出:“司南之杓,投之于地,其柢指南。”(是應(yīng)篇)其中的“杓”是指勺子。具備這種“指南”性能的司南,應(yīng)是磁性指向器。但是,這里的“地”是指古代械盤中的“地盤”。械盤是秦漢時期發(fā)明的,用于游戲或占卜。在“地盤”的四周刻有24個方位,中心刻有象征北斗七星的標志。中國現(xiàn)代著名的科技史家和文物復制專家王振鐸曾依據(jù)這些記載成功地復原了漢代的司南(如圖1所示)。 圖1司南模型(王振鐸復原)勺形司南尚無實物出土,但漢代畫像石上,有類似勺形司南形象的畫面(如圖2所示),這表明王充的記載應(yīng)該是可信的。在這幅石像中,可看到,畫面主體是魔術(shù)師和雜技演員在表演,上面一行人是貴族觀眾,右上角的小方臺上放著一個疑似司南的長柄匙(見畫面外小插圖),一個人在跪著觀察它。
磁體定向裝置的出現(xiàn),就使人從靠觀察天體定向的被動性轉(zhuǎn)向靠地磁定向的主動性。人類最早的磁體定向裝置,是以天然條狀磁石制成的司南,它出現(xiàn)后在中國戰(zhàn)國末期(前三世紀)而在漢代得到進一步的發(fā)展。司南儀的出現(xiàn)具有重要歷史意義,因為它是以與天文定向原理截然不同的磁學原理制成的新型導向裝置,在任何天氣條件下都能晝夜工作,迅速指出方向,操作簡便易于攜帶。 最初,“司南”指測影的表桿。如《韓非子·有度篇》說,“故先王立司南,以端朝夕?!薄岸顺Α奔凑龞|西,引申為確定東西南北方向。“立司南”來源于殷商甲骨文中的“立中”和戰(zhàn)國時的“立朝夕”,它們的意思都是立表以測日影。
磁勺
磁勺是一種天然磁石琢成的勺形指向器,當它被發(fā)現(xiàn)的時候,其狀取法北斗七星,名稱則沿用“司南”。古文“司南”可以推定為磁勺的至少有《鬼谷子》、《論衡》、《玄覽賦》、《飄賦》四項記載?!端螘ざY志》引《鬼谷子》曰:“鄭人取玉,必載司南,為其不惑也?!薄?/span>鬼谷子·謀篇》至遲成書于西漢,或許是先秦之書,其中關(guān)于“鄭人取玉,必載司南”的傳說,暗示了磁勺與玉器業(yè)的聯(lián)系,甚難加工的磁勺應(yīng)是玉工高手的杰作。 東漢王充的的《論衡·是應(yīng)篇》說:“司南之勺,投之于地,其柢指南?!本渲械摹暗亍币话憬忉尀椤暗乇P”,也可能是“池”字誤寫。這句話應(yīng)釋為:勺狀的司南,放在“地盤”上(或投入盛有適量液體(如水銀)的容器中),它的勺柄必然自動指向南方。 此后,梁元帝蕭繹的《玄覽賦》說:“見靈烏之占巽,觀司南之候離。”唐韋肇的《飄賦》說:“挹酒漿,則仰惟北(北斗)而有別;充玩好,則校司南以為可?!痹俅谓榻B了司南(磁勺)的功用和形狀。 磁勺的實物雖然迄今尚未發(fā)現(xiàn),但與此有關(guān)的文物至少有兩件。一是瑞士蘇黎世的Rietberg博物館中所藏的一塊公元114年的東漢畫像石,其右上角有一人正在觀測一件可能是“司南之勺”的東西。二是那志良《玉器通釋》上冊著錄的一件“司南佩”古玉器,此玉“長不過寸許,一端琢成一個小勺,一端琢成一個圓形的小盤,中間有一個橫穿?!薄八灸吓濉钡闹谱髂甏幻鳎茰y為唐代之物。 除了上述的表和磁勺之外,司南又是指南車、指南舟和報時刻漏的代稱。晉人葛洪所作的《西京雜記》中提到的“司南車”即半自動機械裝置指南車?!端螘ざY志》記載:“晉代又有指南舟?!?/span>南朝任昉的《奉和登景陽山》詩吟道:“奔鯨吐華浪,司南動輕枻?!痹娭械乃灸霞粗富始覉@池中的指南舟,可是,“指南舟”究竟怎樣導航,至今依然是一個迷。唐代大詩人杜甫的詠《雞》詩云:“氣交亭育際,巫峽漏司南?!币庵^夜半零時正,詩人恰聞司南的報時之聲。 磁針的發(fā)明
指南針的發(fā)明應(yīng)當是在一個很漫長的時間中,慢慢地改進的結(jié)果,而不同時期的形式,應(yīng)以不同的形式出現(xiàn)。唐代堪輿家的活動相當活躍,并開始強調(diào)方向的選擇,尋找比磁勺更方便的指向器成了當務(wù)之急。于是指南鐵魚或者蝌蚪形鐵質(zhì)指向器及水浮磁針應(yīng)運而生。 活動于唐開元年間(713—741年)的山西堪輿家丘延瀚,被后世堪輿家推崇為堪輿術(shù)三針(正針、縫針和中針)中最早出現(xiàn)的正針法的創(chuàng)始人。明代雅好科技的寧獻王朱權(quán)則在其《神機秘籍》中說:“針法古無所傳,自昔玄真始制。”玄真即唐代浙江金華道家張志和(約730—約810年),他的道號叫玄真子,所著《玄真子》十二卷,殘存三卷。從這殘卷中知道他頗好物理,但未找到與指南針或針法直接有關(guān)的記載。然而,這個道號不禁使人聯(lián)想到舊題晉崔豹所作的《古今注》中把蝌蚪稱為“玄針”。其文曰:“蝦蟇子,曰蝌蚪,一曰玄針,一曰玄魚,形圓而尾大,尾脫即腳生。”十世紀時馬縞的《中華古今注》中也有類似的記載。這項記載似乎把磁針與指南魚的發(fā)明和應(yīng)用從形狀和性能上聯(lián)系到了一起。 關(guān)于指南魚的制備方法,見于北宋曾公亮等利用前人資料編撰的《武經(jīng)總要》。《武經(jīng)總要》前集卷十五載其法曰:“用薄鐵葉剪裁,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?!边@種方法利用地磁場使鐵片磁化,并知道魚形鐵片微向下傾斜對磁化有利,實際上已發(fā)現(xiàn)近代科學中所謂的磁傾角的影響。使用時,指南魚浮于水面,與水浮磁針的原理是一致的。 水浮磁針的制作方法首見于北宋沈括的《夢溪筆談》卷二十四,其文曰:“方家以磁石摩針鋒,則能指南?!边@種方家在實踐中總結(jié)出來的鋼針磁化法,經(jīng)過沈括之手公布于世,有力地促進了磁針在堪輿和航海兩大領(lǐng)域中的應(yīng)用和普及。指南針進入到實用磁針的階段,對裝置方法的研究提到了議事日程。沈括全面研究和比較了“水浮”法、置“指爪”法、置“碗唇”法及“縷懸”法的優(yōu)缺點,認為“縷懸”法最佳?!捌浞ㄈ⌒?/span>纊中獨繭縷,以芥子許蠟,綴于針腰,無風處懸之,則針常指南?!爆F(xiàn)代磁強計中懸掛的小磁鐵,就采用了此相似的方法。磁針指的精度,與司南及指南魚不可同日而語,故磁針的發(fā)明,很快導致了磁偏角的發(fā)現(xiàn)。 五代亂世的《管氏地理指蒙·釋中第八》曰:磁針“體輕而徑所指必端應(yīng)一氣之所召,土曷中而方曷偏,較軒轅之紀,尚在星虛丁癸之躔”。軒轅黃帝時代的磁偏角,作者以為尚在“星(午)虛(子)丁癸”方向,而當時“針指坎離定陰陽之分野,格偏壬丙探僭越之津涯”。偏角變?yōu)槟掀珫|15°。
由于堪輿術(shù)的神秘性,中國唐宋堪輿著作在流傳中又相互影響,有所增刪,要從眾多早期堪輿著作中理出磁針、磁偏角以至羅盤的發(fā)明、發(fā)現(xiàn)年代,誠非易事,然而,北宋司天監(jiān)楊惟德于慶歷元年(1041年)奉命編撰的相墓大全《塋原總錄》卷一位磁偏角的發(fā)現(xiàn)訂定了下限。書中說:“客主的取,宜匡四正以無差,當取丙午針,于其正處,中而格之,取方直之正也?!边@里明確地記載了“丙午針”,即后世沈括在《夢溪筆談》卷二十四中所說的磁針“常微偏東,不全南也”。在西方,直到13世紀才知道磁針偏南。1429年哥倫布(ChristopherColumbus,1451—1506年)橫渡大西洋時,正式測到磁偏角現(xiàn)象。 中國發(fā)現(xiàn)了元代水浮法指南針瓷碗。1959年,在遼寧旅順甘井子元代墓葬中出土了兩件磁州窯白釉褐花大碗,大碗內(nèi)底部彩繪兩個同心圓,圓內(nèi)繪并排的三點,中間一線相連。乍看此圖形似一個不規(guī)則的“王”字,故被稱為“王字紋碗”。碗外底圈足內(nèi)又墨書一個“針”字。經(jīng)科技史學家王振鐸先生研究證實,這種碗就是航海時指示方向所用的針碗。它的使用方法是這樣的:針碗的水面上漂著穿在浮漂上的磁針,碗內(nèi)底的“王”字形標志則有助于標明方向。先將“王”字中的細道與船身中心線對直,如船身轉(zhuǎn)向,磁針便和該細線形成夾角,從而顯示航向轉(zhuǎn)移的角度。類似的碗在江蘇丹徒照臨村元代窖藏和河北省磁縣漳河故道元代沉船內(nèi)都有發(fā)現(xiàn)。
羅盤的發(fā)明與西傳
磁針問世后,先后用于堪輿和航海。為了使用方便,讀數(shù)容易,加上磁偏角的發(fā)現(xiàn),對指南針的使用技巧提出了更高的要求,方家首先將磁針與分度盤相配合,創(chuàng)制了新一代指南針——羅盤。不過有些場合,碗中的水浮磁針仍在使用,故沈括《夢溪筆談》卷二十四稱“水浮多蕩搖”。江蘇、河北和遼寧旅大曾出土元代的不帶刻度的指南針專用針碗。當航船還在使用浮針加針碗時,堪輿羅盤卻遠遠地跑到了前面。 考古資料表明,堪輿家選擇墓穴采用二十四向表示法大約始于唐末。南唐何溥主持建徽城,看風水時也用二十四向表示法。何溥所撰的《靈城精義》“理氣章正訣”中說,“地以八方正位,定坤道與輿圖,故以正子午為地盤,居內(nèi)以應(yīng)地之實?!碧煲?/span>十二分野,正躔度之次舍,故以壬子丙午為天盤,居外以應(yīng)天之虛?!弊髡?、時代不明的《九天玄女青囊海角經(jīng)》“理氣篇”中有一段幾乎相同的文字,兩者應(yīng)同出一源。 羅盤
羅盤古稱“地螺”、“地羅”。南宋曾三聘的《因話錄》(作于公元1200年前后)“子午針”條說:“地螺,或有子午正針,或用子壬丙午間縫針。”曾三聘是江西臨江俯峽江(今江西西清江)人。離峽江不遠的江西臨川,于1985年出土了世界上最早的堪輿旱羅盤模型,正可與《因話錄》的記載相互印證。1985年5月,江西臨川南宋朱濟南墓(葬于1198年)出土了座底墨書“張仙人”的瓷傭一式兩件。風水先生“張仙人”傭,左手抱一羅盤。值得注意的是,該羅盤的磁針與水羅盤的磁針根本不同,中部增大呈菱形,菱形中央有一明顯圓孔,明確現(xiàn)象地表示這是一種用軸支承的旱羅盤。中國的磁針和羅盤先后經(jīng)由陸水兩路西傳,曾給人類的文明的進程帶來重大的影響。以前史學界認為磁針在水中的水羅盤與指南針一脈相承,是中國的發(fā)明,但旱羅盤是歐洲所發(fā)明,16世紀才經(jīng)由日本船傳入中國。而今臨川羅盤證明:旱羅盤的發(fā)明權(quán)也屬于中國。
最初形制
磁石指極性與磁性指向器的最初形制
對于磁石吸鐵性的認識和應(yīng)用,傳說,秦皇宮的磁石門可防止身帶鐵刃的刺客進入。文獻中對磁石吸鐵現(xiàn)象多有記述,如戰(zhàn)國時期成書的《呂氏春秋》、西漢時期成書的《淮南子》和東漢王充的《論衡》,這些作者都提到磁石吸鐵現(xiàn)象,玳瑁和琥珀等物體能吸引某些輕小物體的現(xiàn)象。王充指出,這些現(xiàn)象是“感應(yīng)”(一種超距作用的看法)的作用,但似乎并不知道電感應(yīng)和磁感應(yīng)的區(qū)別。指南針是用天然磁石制成的,要發(fā)明指南針,就要研究磁石的指極性。 磁化技術(shù)和磁偏現(xiàn)象的記述
北宋時磁化技術(shù)取得了突破,這些技術(shù)加速了磁性指向器的普及,并且導致指向器形制新的演變。
指南魚的磁性是很弱的,作為一種“天然的”缺陷,圓形的魚首也使它的指向精度受到限制。雖然這種簡易的磁化技術(shù)使指南魚的制作容易了許多,但它的形狀造成與勺形司南有類似的缺陷。
同樣,具有實用性的磁化技術(shù),與曾公亮同時代的沈括在《夢溪筆談》中也有記載。他寫道:“方家以磁石磨針鋒,則能指南,然常微偏東,不全南也?!?卷24)這種形制易流行、且簡單,磁化效果也相當好,特別是,它對指向器形制的改進產(chǎn)生了另一個突破——針狀。用針指向,它的指向精度可以得到極大的提高。這樣,司南就衍變成了指南針,而且這種指南針也更容易普及了。無疑,這是磁性指向器形制的最重要的改進。
由于指針指向精度得以提高,人們在使用指南針時很快就注意到,它所指的方向有時并非正南,這就是磁偏現(xiàn)象——“然常微偏東,不全南也”。
實際上,在寫于慶歷元年(1041)的《塋原總錄》中,比沈括稍早些的楊維德已經(jīng)記載了指南針和磁偏角的存在.他寫道:“匡四正以無差,當取丙午針。于其正處,中而格之,取方直之正也?!?卷1)這里說的“針”就是磁針,而“丙午針”是指磁針在靜止時,針指的方位是24個方位中丙位和午位的結(jié)合部,也就是南偏東約7。5°。這與沈括的“微偏東”是一致的,但楊維德的說法更早,描述也更精確些。
稍晚于沈括的寇宗夷在所著的《本草衍義》也提到:“磁石??磨針鋒則能指南,然常偏東,不全南也。其法取新纊中獨縷,以半芥子許蠟綴于針腰,無風處垂之,則針常指南。然常偏丙位。蓋丙為大火,庚辛金受其制,故如是,物理相感爾?!?卷5)這段話講到指南針的磁化,講到磁偏現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),還講到指南針的架設(shè)問題,以及利用五行學說簡要地解釋磁針指向的原因。在這里,寇宗夷所使用的是“水浮法”,這與沈括是有些不同的。這也說明,在這時人們還在探索形制,一直在進行著不同的嘗試。早在晚唐時期成書的《管氏地理指蒙》,在這篇文獻中我們可以讀到:磁者母之道,針者鐵之戕。母子之性,以是感,以是通;受戕之性,以是復,以是完。體輕而徑,所指必端。應(yīng)一氣之所召??。透過這段話,可以看到,它記述的磁偏角約為南偏東15°左右。這說明,關(guān)于地磁偏現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)可能早于宋代。在另一篇早期文獻中提到地磁偏的是《九天玄女青囊海角經(jīng)》,這部書的成書時間約在10世紀下半葉。 與沈括大致同時代的王假(福建堪輿學派的創(chuàng)立者)也提到過磁偏角。在王僅的一首詩中,他寫道:“虛危之間針路明,南三張度上三乘”。這里的前一句所提到的顯然是天體坐標的南北向,但通過觀察地磁羅盤會發(fā)現(xiàn),南方星宿“張”的范圍是如此之廣,以至于兩個磁偏角及天體坐標的正南這3個“南方”方位均包含在其內(nèi)。所以,他對磁偏角的涉及,具體數(shù)值還不能完全確定,但它的地磁偏現(xiàn)象的記載,說明了風水師是重視地磁偏現(xiàn)象的研究的。王僅是一位著名的堪輿家,他的主要著作寫于1030—1050年間。 宋代曾三異在1189年寫的《因話錄》提到,在地球表面上一定有某個區(qū)域,在那里磁偏角為零。曾三異的觀點很有見地,事實上也確實存在著零磁偏角線。即使如此,他也只是提出了一種有價值的猜測。16世紀,明代人迸一步發(fā)現(xiàn)了在不同的地點磁偏角的大小也不同的結(jié)論;18世紀,才出現(xiàn)關(guān)于磁偏角的大小也隨時間的變化而變化的明確記載。 指南針架設(shè)方法與羅盤
指南針如何架設(shè)起來,沈括比較了4種不同的架設(shè)方法:
水浮多蕩搖。指爪及碗唇上皆可為之,運轉(zhuǎn)尤速,但堅滑易墜,不若縷懸為最善。其法取新纊中獨繭縷,以芥子許蠟,綴于針腰,無風處懸之,則針常指南。這就是有名的沈括“四法”。沈括對前3種方法采取否定的態(tài)度,盡管“水浮法”是曾公亮已經(jīng)有過嘗試的方法.在《武經(jīng)總要》中記載的使用方法是將指南魚“平放水面令浮”,為此魚形的鐵葉可能是中間微凹的,這樣的結(jié)構(gòu)使鐵魚像小船一樣漂浮在水面上。宗夷也提出了架設(shè)的方法,他指出:“以針橫貫燈心,浮水上,亦指南。”
沈括嘗試的四種安裝指南針的方法
南宋時,指南針的架設(shè)問題有了新的進展。南宋陳元靚在《事林廣記》(成書于1100—1250年間)中記述了兩種指南針,即指南魚和指南龜。它們可看作“水針(水羅盤)”和“旱針(旱羅盤)”的先驅(qū)。水羅盤(也叫浮針羅盤)是從《武經(jīng)總要》的指南魚到《事林廣記》的指南魚發(fā)展過來的,由于后者是木刻的,自然可浮在水面,似乎也不怕水面蕩搖,它已發(fā)展成為一種比較成熟的結(jié)構(gòu)。此后,水針一直比較流行,加上進一步的改進,將磁針穿上小木條,取代了木頭刻的魚,使之更實用了。自然,“指南魚”這種形制也就消失了?!妒铝謴V記》記載的“指南龜”,則是后世旱羅盤的先驅(qū)。它因為采用了竹釘支承,摩擦力小,旋轉(zhuǎn)靈活,因而也受到人們歡迎。后來人們將其發(fā)展成了樞軸支承式,這種形制就成了使用簡便的旱羅盤。1985年5月,在江西臨川縣溫泉鄉(xiāng)朱濟南墓中出土了一件題名“張仙人”的俑,高22。2em,手捧羅盤。此羅盤樣的磁裝置結(jié)構(gòu)與宋代水浮針不同,其菱形針的中央有一明顯的圓孔,說明它采用的是樞軸支承的架構(gòu)。這座墓下葬的時間為南宋慶元四年(1198)??梢娫诤盗_盤問世不久,中國人已經(jīng)將其發(fā)展成樞軸支承式的了。 結(jié)語
旱羅盤后來經(jīng)阿拉伯傳人歐洲,在歐洲發(fā)展成熟起來。歐洲人又進一步對這種旱羅盤做了改進,使用起來很是方便。這種改進雖然對磁的知識并未增加,甚至也未“改善”,但是卻對航海事業(yè)產(chǎn)生了積極影響。也就是說,在發(fā)展航海事業(yè)的過程中,使磁技術(shù)的價值彰顯出來。從磁的吸鐵性和指極性知識看,在磁技術(shù)的發(fā)展早期,磁技術(shù)對生產(chǎn)發(fā)展和航海、堪輿的活動是有價值的,而磁技術(shù)的改善就是圍繞著這種需求發(fā)展的。在磁技術(shù)發(fā)展的同時,人們也積累起些許磁學知識。這個積累過程是緩慢的,這當然是由于貌似簡單的磁知識,它聯(lián)系著對地(球)磁場的認識。這使問題具有了某種復雜性,而破解這種復雜性還需要時間,需要某種天才;同時也期待著高水平的精準實驗用。
在這些精準的實驗中,磁化技術(shù)中的兩種方法是很重要的。在這些磁化技術(shù)的發(fā)展中,古人所依據(jù)的科學原理,要么是不知道,要么是不符合現(xiàn)代的科學原理。所以,古人是黑暗中摸索著前進的,是在對經(jīng)驗中的領(lǐng)悟中發(fā)展著的。在這些發(fā)明中,指南“針”形狀發(fā)明提高了指向的精度,也使磁偏角得以發(fā)現(xiàn).針的形制無疑是具有重要意義的,推進了對磁的認識,有益于磁知識的積累。大體上說,磁性指向器的演變過程中,形制的不斷改進是很重要的,就像汽車發(fā)明后,汽車的樣子也不斷發(fā)生變化,甚至是很大的變化,但這也是逐步演變的。磁性指向器的交流中,也包含著磁知識的交流,這種交流促進著“磁學”知識的積累和發(fā)展。這直到近代才結(jié)出果實。