中国古代磁学领域的创新性研究

1、中国古代磁学领域的创新性研究 中国古代磁学领域的创新性研究 摘要：中国磁的历史就是科学史中最丰富多彩的篇章。从战国时期开始，人们已经认识到磁的性质，在以后的上千年中，人们把磁应用到建筑、医疗、军事、航海等各个方面。我国古代人们在这方面的成就一直走在世界的前列，特别是指南针的发明。磁学在我国的发展与人们的创新精神息息相关。他们从生产和生活中积累知识，进行探索和创新，从而创造了我国古代的磁学方面的伟大成就关键词： 磁学 创新 指南针 极光 The studying innovativly of ancient magnetics domain of chinaAbstract History of

2、 the Chinese magnetism is the most rich and most colorful chapter in the history of science. Since the Warring States Period, people have already realized the nature of the magnetism , during more than one thousand years, people apply magnetism to such all respects as the building , medical treatmen

3、t , military , navigation ,etc. The ones that have been walking in the world all the time in achievement in this of ancient people of our country have been arranged ago, especially the invention of the compass. The development in our country of magnetics is closely linked with people's initiativ

4、e spirit. They accumulate knowledge from producing and living, explore and innovate, thus created the great achievement of our country's ancient magnetics Key words Magnetics Innovation Compass Aurora引言：中国古代积累的磁学知识极为丰富，在磁现象的发现和应用方面，都处在世界的前列。远在春秋战国时期，古人从事冶铁、寻找矿石的过程中很容易发现磁石。在世界文明古国中，只有中国和希腊大致同时发现了

5、磁石吸铁现象，中国还发现了磁石的指极性，并利用这一性质发明和创造出指南针的只有中国。中国最早发现了地磁偏角、地磁倾角和磁石的极性。1 对磁性的归类研究 对于磁石吸铁的性质，在史书有很多精彩的故事，三国吴时万震南州异物志曾记载过这样一件事：“涨海峡头水浅而多磁石，外徼人乘舳，皆以铁铘铘之，至此关以磁石不得过。”“涨海”即今西沙、中沙群岛和越南岘港以动海面，此地有磁石岛，凡是有铁的船都不能通过。这类故事在中国古代有很多记载，也许是这故事颇具吸引力，以至流传千余载。人们还把这个原理应用到战争、建筑等很多方面。据记载晋朝大将马隆在泰始年间与羌戎战于西北地，马隆以磁石累交道，阻滞羌人进军。晋书。马隆传写

6、道：“初，凉州刺史杨欣失羌戎之和，隆陈其必败，饿而欣为虏所没，河西断绝，帝每有西顾之忧隆于是西渡温水.虏树机能等以众万计,或乘险以遏隆前,或设伏以截隆后.隆依八阵图作偏箱车,地广则鹿角丰富,路狭则为木屋施于车上,且站且前,弓矢所及,应弦而倒.奇谋间发，或出其不意。或夹道累磁石，贼负铁铠，行不得前，隆卒悉被犀甲无所留碍，贼以为神。”还有秦始皇为了防避刺客暗杀，用磁石建造阿房宫大门，使有身怀刀剑者不能入。这些实例都是将磁石吸铁这一简单的道理创造性的应用到生活之中，确实值得后人称道。在古代有很多离奇古怪的幻术，其中一些是有科学根据的或其本身就是科学知识的应用，只是鉴于当时的科学文化水平，它尚未被人们

7、理解或事实真相被幻术表演者所隐瞒。宋朝陈元靓事林广记的神仙幻术中有多则记载，该书写道：“实草雕狗子，以胶水并盐醋调针末，搽向狗子上，以好磁石着水内，引之即随手走来也”这则幻术被其称之为“唤狗子走”，这个描写中“实草雕狗子”是指大概的雕刻一只木狗。“针末”是指磨锉铁针的铁尖时在钢锉上留下的铁粉，很多具有磁性。铁粉以胶水盐醋粘于木狗身上，当磁铁吸引它时木狗就会走动。这个幻术实际上就是先制造一狗形铁模，然后用磁石吸铁的性能吸引它。该书还有一个幻术记载被称为“葫芦相打”，三个葫芦,开阔口每个内装有木屑。木屑与胶水调和置葫芦内,等干燥后就成为木质。分别在此三个葫芦内再盛放铁沙,磁石和水银。当内装铁沙和磁

8、石的两个葫芦，放水面或光滑地板上，因磁铁吸引性质，当它们相近时则相靠拢，紧贴在一起。当盛水银的葫芦插入它们中心时原来相互吸引的两个葫芦就分开了。这是因为水银是抗磁体，当它置于磁场时，由它所产生的附加磁场与外磁场方向相反，从而使有所减弱。这样分别装铁沙与磁铁的连个葫芦就自然不相交。这也是继汉代淮南子记述磁不吸引铜以来，人们发现的又一种抗磁性物质。在现在人们看来，这些只是非常简单的磁游戏，但从当时的文化水平来看，很多人们还不了解它的道理，而幻术表演者能将它演变成游戏来供人们娱乐，这就是一个小发明，是知识的创新。磁石的作用可以在相隔一段空间距离内发生。今天我们称它为超距作用，晋代郑思远在真元妙道要略

9、中较早的将这现象称之为“磁石吸铁，隔阔潜应”。“隔阔”是指有一定的空间距离；“潜应”指磁铁的感应作用，它是不受认为干扰而潜在的力量。这种现象显然在磁铁吸引实验中是随时随地可见的。古代人在发现磁感应作用可以“隔碍潜通”的同时，又发现铁可以隔断铁的感应作用。后者也就是所谓的磁屏蔽。清代刘献廷在广阳杂记中写道：“磁石吸铁，隔碍潜通。或问余曰：磁石吸铁，何物可以蔽之？犹子阿孺曰：惟铁可以隔之耳，其人去而复来曰：试之果然。余曰：“此何必试，自然之理也。”我们知道，将铁放进带有厚壳的封闭铁罩内，其外的磁铁就不能吸引它。1786年，法国科学家库仑报道了导体对它内部的屏蔽作用。 在古代，中国人曾以磁石做棋子，

10、其棋子是如何制成的呢？唐代司马贞史记索引中写道：“取鸡血，杂磨针铁绀，和磁石头 ，置局上，即自相抵击也。”即用鸡血与捣碎的磨针铁相拌和成磁石。“涂头”是指鸡血未全冷却，凝固之前，将这种“鸡血磁”涂于棋子两端。待晒干后，“置局上”就是将棋子放入棋局中。由于各个棋子均具有磁极性，异性极相遇，则两棋子吸引。这样做成的小棋子，可以说是古代人发明的人造小磁体。宋代，这种人造磁体的技术有所发展，人们将磁性铁屑以胶水粘和在瓢中，从而使浮于水上的各个瓢在相距一二尺左右而彼此触击、跳跃。这也就是个人造磁瓢。北宋时，曾公亮在武经总要载有制作和使用指南鱼的方法：“用薄铁叶剪裁，长二寸，阔五分，首尾锐如鱼型，置炭火中

11、烧之，侯通赤，以铁钤钤鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收之。用时，置水碗于无风处平放，鱼在水面，令浮，其首常向午也。”这是一种人工磁化的方法，它利用地球磁场使铁片磁化。即把烧红的铁片放置在子午线的方向上。烧红的铁片内部分子处于比较活动的状态，使铁分子顺着地球磁场方向排列，达到磁化的目的。蘸入水中，可把这种排列较快地固定下来，而鱼尾略向下倾斜可增大磁化程度。人工磁化方法的发明，对指南针的应用和发展起了巨大的作用。在磁学和地磁学的发展史上也是一件大事。北宋的沈括在梦溪笔谈中提到另一种人工磁化的方法：“方家以磁石摩针锋，则能指南。”按沈括的说法，当时的技术人员用磁石去摩擦缝衣针

12、，就能使针带上磁性。从现在的观点来看，这是一种利用天然磁石的磁场作用，使钢针内部磁畴的排列趋于某一方向，从而使钢针显示出磁性的方法。这种方法比地磁法简单，而且磁化效果比地磁法好，摩擦法的发明不但世界最早，而且为有实用价值的磁指向器的出现，创造了条件。2 指南针的发明和创新历程 大约早在战国时代就发现了磁体的指极性，对世界文明做出重大贡献的指南针正是利用磁体的指极性制成的，它是中国古代四大发明之一。英国哲学家弗兰西斯·培根曾指出印刷术、火药、指南针“这三种发明已经在世界范围内把事物的全部面貌和情况改变了”“并由此引起难以数计的变化来，竟以任何帝国教派、任何星辰对人类事物的力量和影响都仿

13、佛无过于这些机械的发现。”指南针的最初形式，古代人把它叫做司南。有关司南的最早记载是战国末年的韩非子·有度“故先王立司南，以端朝夕”，这篇关于司南的记载过于简略，除了名称之外，对它的形状，特性都没有任何描写。东汉王充在其论衡·是应篇中写道：“司南只勺，投之于地，其柢指南。”五十年前，王振铎对这句话作了严谨的考证，从文字到文物逐字逐句探讨，从而得出了比较另人信服的结论。首先，王振铎从“勺与斗之古训”等方面论述了“司南之勺”即司南的形状如勺。“投之于地”句中的“地”是古代用于占卜的地盘。这句话的意思是：司南为勺形，将它投放入式占盘的地盘中，其勺柄指向南方。为了达到磁铁指极性的较

14、好的效果，只要稍似勺状之条形磁铁，即可满足文献记载的要求，不必加工勺池和曲线形勺柄。磁勺越大，所需转动惯量矩越大，不利于司南在地盘上转动指南。反之，磁勺越小，勺柄越长，指极性效果越好。磁石吸铁的性质比较好发现，但发现它的指极性，并制作成指南器来判别方向却有很大的困难，它是一个巨大的进步。由汉至唐的几百年间，磁铁磁性指南器没有重大突破。到了宋代，指南器开始迅速发展。指南鱼作为从司南到指南针的过渡形式，就是在这时期制作的。前面提到了由曾公亮主编的武经总要，介绍指南鱼的制作方法及其应用，在整个制作过程中，可以说是设计精密，而且很符合科学原理的。将铁片烧红，是使其磁畴瓦解而成顺磁体；正对子位，是使其磁

15、畴排列有方向性；蘸水盆中，是淬火使排列好的磁畴稳定。这里特别有学问的是“设尾数分辄之”，这种不让铁片与地面平行放置，而是北稍倾的做法，说明人们已经意识到有地球倾角的存在。这一点的认识要比欧洲整整早五百年，一直到1544年，德国的哈特曼才发现磁倾角。而指南鱼的制造，是人类第一次给出用地球磁场进行人工磁化的方法，直到1600年英国的吉尔伯特才懂得用地磁使铁片人工磁化。南宋陈元靓在事林广记中介绍了另一类指南鱼和指南龟的制作方法。这种指南鱼与武经总要一书记载的不一样，是用木头刻成鱼形，有手指那么大，木鱼腹中置入一块天然磁铁，磁铁的S极指向鱼头，用蜡封好后，从鱼口插入一根针，就成为指南鱼。将其浮于水面，

16、鱼头指南，这也是水针的一类。指南龟是当时流行的一种新装置，将一块天然磁石放置在木刻龟的腹内，在木龟腹下方挖一光滑的小孔，对准并放置在直立于木板上的顶端尖滑的竹钉上，这样木龟就被放置在一个固定的、可以自由旋转的支点上了。由于支点处摩擦力很小，木龟可以自由转动指南。当时它并没有用于航海指向，而用于幻术。这就是后来出现的旱罗盘的先声。 从天然磁石的司南改进为人工磁铁制作的指南鱼，减少了转动给物体带来的摩擦阻力，从而提高了仪器的灵敏度。可是这种磁化方法所得到的磁性还是比较底的，它限制了指南鱼的实用价值。此后，随着磁学知识的发展，人们对指南仪器又有了进一步的认识，发明了指南针。指南针的发明在磁性指南器的

17、发展史上具有关键意义的一步。关于指南针的最早记载是在11书记北宋时期沈括所著的梦溪笔谈一书。记载说：“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。水浮多摇荡。指爪及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若悬缕为最善。其法，取新纺中独茧缕以芥子许蜡于针胺。无风处悬之，即针常指南。其中有磨而指北者。予家指南北者皆有之。磁石之指南，犹柏之指西，莫可原其理。”沈括的梦溪笔谈在物理学史上享有很高的声誉，被英国著名科学家李约瑟博士称为“中国科学史上的坐标”。本书所达到成就与沈括的朴素唯物主义分不开的，注重实践，注重调查研究和科学实验，注重总结群众的发明创造，在对待前人文化遗产的态度上，既批判又继承

18、，敢于创新。关于磁针的装置方法，沈括介绍了四种方法：1.水浮法将磁针上穿几根灯心草浮在水面，就可以指示方向。2.碗唇旋定法将磁针搁在碗口边缘，磁针可以旋转，指示方向。3.指甲旋定法把磁针搁在手指甲上面由于指甲面光滑，磁针可以旋转自如，指示方向。4.缕悬法在磁针中部涂一些蜡，粘一根蚕丝，挂在没有风的地方，就可以指示方向了。 沈括还对四种方法做了比较，他指出，水浮法的最大缺点，水面容易晃动影响测量结果。碗唇旋定法和指甲旋定法，由于摩擦力小，转动很灵活，但容易掉落。沈括比较推重的是缕悬法，他认为这是比较理想而又切实可行的方法。事实上沈括指出的四种方法已经归纳了迄今为止指南针装置的两大体系水针和旱针。

19、在十九世纪电磁铁出现之前，几乎所有的指南针都是这样制造的。在欧洲，直到1200年，古约特才用此法制成磁针，比我国晚了100多年。沈括所记录的四种指南针安装方法中“悬缕法”最具有科学意义，法国科学家库仑于1777年以此方法研究扭转弹性，发明扭转天平。沈括的记载比库仑早了600多年。这种方法的意思是以单跟蚕丝缀于针腰，不是将丝扎结于针腰，而是一点点熔蜡，将丝缀于针腰等蜡凝固丝和针即粘和牢固了，此时将磁针悬挂架中，置无风处，即可指南。此种方法相较于指南鱼，它的磁性加强，又大大的减少了摩擦力。3 地磁偏角的发现在指南针问世之后，人们不可避免的将遇到地磁偏角的问题，最早记载地磁偏角的见于杨维德的茔原总录

20、中，他认为指南针在罗盘上“取丙子壬午之间是天地中”，得到了“约而取于大概”的地理南北方向。沈括在梦溪笔谈中也记述了地磁偏角“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也”。他指出，指南针的指向是地理南向而略微偏东一些，但关于地磁偏角的成因，在1600年以前，即使西方的科学家也不了解，因此，沈括直率的承认“莫可原其理”。但也有一些学者，从当时的科学水平试图来解释它，南宋时，曾三异关于地磁偏角的著作因话录写道“地螺或子午正针，或用子午丙壬间缝针。天地南北之正，当用子午。或谓江南地偏，难用子午之正，故以丙壬参之，古者测日影于洛阳，以其天地之正中也，然有于其外县阳城之地，地少偏，则难正用，亦自有理

21、。”这是对地磁偏角的首次解释，它的解释在今天看来不正确，但在当时是颇具说服力的自然道理。在欧洲，直到1442年意大利人哥伦布在横渡大西洋的航行中才观测到地磁偏角的现象。比中国古代晚了400多年。中国古代许多学者曾测得过许多地方的地磁偏角。“正方案”是元代郭守敬创制的一种测定方向的仪器。该仪器为一平板，其中心放置竿，利用影测定南北方向。以竿所在中心为圆心，在平板上画有若干同心圆。各个同心圆可按需要刻上刻度，利用此正方案测定南北方向之后，放置指南针在它上面，指针方向与南北方向的夹角就是地磁偏角。古代记载的大量的关于地磁偏角的数据为后人研究偏角的变化提供了宝贵的材料。4 航海罗盘的起源与发展将磁针与

22、刻度盘结合，使之成为一种辨别方向的仪器，称为罗盘。至于罗盘的起源与发展，大致上说来，罗盘来源于秦汉式占盘中的地盘。将传统的式占盘改做罗盘，有很大可能是堪舆师的功劳。堪舆家俗称风水先生，阴阳先生，以相宅、相墓看风水为职。他们翻山越岭，寻找龙脉，确认山形地势、水向风向、驱吉避凶，为营建生者之室、死者之墓求取最佳地理位置。其中确有诸多迷信与荒诞不经之成分，但他们又是近代环境科学的创始者，亦是指南针与罗盘诞生的接生婆。式占盘是古代的一种占卜用的道具，式占盘分为三类：六壬式、太乙式、和遁甲式。式占盘的起源是随着占卜应运而生的，式占的观念可能起源于战国时期。而在汉代笃信之至，唐宋之后逐渐为其它占卜形式所代

23、替。随着堪舆术支派滋蔓，罗盘在元明清三代日愈繁杂，其刻度盘面上，除了有置放磁针的天池，八卦，星宿，12向和24向刻度之外，还有各支派为占卜所添加的各种文字或图形。在24向刻度中还有“正针”、“缝针”、“中针”之分。堪舆家称之为“三针”，并从星宿、阴阳、五行等诸多方面解释了这“三针”的成因。有了指南针之后，罗盘的诞生就有了可能，将指南针置于式占盘的地盘上，罗盘的雏形就成了。罗盘从堪舆转为航海之用，才真正获得了对社会发展的巨大推动作用。航海罗盘与堪舆罗盘本质上完全相同，只是前者刻度盘简单明了，除指针外仅有方向刻度，而后者却布满了占卜用的文字符号。所有堪舆罗盘都可以用于航海，但它繁缛的文字符号有碍视

24、觉，不便于观察，因此航海罗盘只需要方位刻度就够了。瓷罗盘是由瓷器中碗、盘做成的。表面看来它是作为罗盘的刻度盘使用的。在这些瓷器内底部绘了罗盘的刻度。瓷器盛水，放进磁针，它就是水罗盘了。迄今，我们知道瓷罗盘是明代华南窑烧制的产品。在明代之前，罗盘实物存世者极为稀少。进入元明，由于航海需要，罗盘数量增加。制作这种罗盘，它既是瓷器又是仪器、艺术品。既供航海需要，也作商品远销海外。其中很著名的就是金元时代的针碗，如果做一个纸质或木质刻度盘，中间挖孔，使其孔口与碗口大小相适，将此刻度盘套入碗口，那么针碗就成碗式罗盘了。在11世纪与12世纪之交，中国人确实使用罗盘来导航。起初，罗盘与牵星术相辅为用。在航海

25、中，中国人依靠罗盘最早横越印度洋，直达非洲东海岸。中国有1800公里的海岸线，造船和航海都有悠久的历史。起初，人们只在本土航行，后航行到邻近朝鲜、日本和东南海地区。两汉起，开辟了印度洋航线，此后历代航海日益发展。这些都要归功于罗盘的导航作用。古代著名的郑和七下西洋的史实，更是名传中外的壮举。他的船队经历了东南亚、印度洋、波斯湾、红海，直到非洲东岸的肯尼亚一带，航程数十万里。西方指南针用于航海。据现已查明的材料，最早是十二世纪英国人纳坎记载了在航海时使用了罗盘。5 极光对地磁场的研究古人对电磁现象的发现，有一项迄今还有实用价值，那就是对极光的观测与记录。极光是地球极区周围高空大气中经常出现的瑰丽发光现象。它奇景叠出，光彩夺目，多彩的流光或折叠的光线组成一种自然的景观。这种壮丽的自然景象，自古以来就引起人们的注意，古人不解极光之谜，曾把它誉为吉星高照或暗示大祸临头，中国古代汉书中有“天上出美光，天下有美女”的记载。中世纪时期的欧洲，人们总把它和战斗流血联系在一起。在明清以后,我国各地的地方志中，也收集了大量的激光资料。古代中国有极为丰富的极光记录，其延续时间之长也是世界上所罕见。我们知道，太阳不断向外发出高速带电粒子，这些粒子接近地球时，受地磁场作用而折向南北两极，与高层空气分子或原子相碰撞，使之处于激发态而发光，这就是极光。古人不知道这套理论，但他们观察到了极光并将其