第三节 中国古代的磁学

一、“磁”字溯源

中国是世界上首先发现磁石，并对磁现象进行观察、描述、探索的国家，也是世界上首先将磁石应用于航海、军事、医药等领域的国家。

中国古代文献中关于磁石的最早记载见于春秋时管子（？—公元前645）著《管子·地数篇》，内有伯高答黄帝问：“上有慈石者，其下有铜金。”按，黄帝在世约公元前26世纪左右，据此推算，中国发现天然磁石的历史可以上溯到4600多年前。在战国时吕不韦（公元前292—公元前235）门人所撰《吕氏春秋·精通》中也有“慈石召铁，或引之也”的记述（图1-8）。

值得一提的是，上述引文中的“慈石”即现在通称的“磁石”。原来，古人将“磁石”人格化，将“磁石”与“铁”以母子相喻，称为“慈石”。晋代郭璞（276—324）著《慈石赞》曰：“慈石吸铁，母子相恋也。”

王充著《论衡》中有“顿牟掇芥，礠石引针”的著名论述（图1-9），并将“慈石”写作“礠石”。以后，在南北朝时代，省去“礠”字右边的“心”，始有“磁”字。如晋代潘岳（247—300）著《西征歌》：“门磁石而梁木兰兮，构阿房之屈奇”；六朝梁陈时人作《三辅黄图》中有“以木兰为梁，以磁石为门”的记载（图1-10）。

总之，在古汉字甲骨金文中本无“磁”字，“磁”字是伴随磁石的发现，由“慈”字通过“礠”字演变而成的（即慈→礠→磁）。

二、中国古代关于磁石性能的观察研究

从春秋战国以来，中国许多古籍中都有对磁石性能进行观察、研究的记载。

1．磁石吸铁

中国春秋时代就有“磁石吸铁”的记载。《管子·地理指蒙》有“慈石为铁之母”的记载（两种含意，一指铁是由慈石炼出来的；二指慈石吸取铁，犹慈母之召子）。成书于春秋战国时代的《山海经·北山经》说，灌题山“匠韩之水出焉，而西流注于泑泽，其中多慈石”；成书于战国时代的《鬼谷子》中有“其察言也，若慈石之取”（即针）。在另外的古籍，如《吕氏春秋》《论衡》《淮南子》《山海经·图讚》《汉书·艺文志》等，都有磁石吸铁的记载。而且，古人还发现，磁石只能吸铁而不能吸引其他物体。《淮南子·览冥训》有“若以磁石之能连铁也，而取其引瓦，则难矣”；《淮南子·兵略训》有“磁石能吸铁，及其与铜则不引也”；东汉曹植（192—232）在他所著“矫志诗”中也有“磁石引铁，于金不连”（磁石只吸铁，对铜则不起作用）的句子。

2．磁石极性

中国古代先民不但发现磁石能吸铁，而且还发现磁石有极性，能指南、指北。《管子·地理指蒙》中有：“磁石为铁之母，有阴阳之相背，以阴而置南，则北阳从之，以阳而置北，则南阴从之”，对磁石的南、北极性作了清楚的描述。

古人不仅发现磁石有极性，而且还发现磁石有同性相斥、异性相吸的特性。《易·各从其类疏》中有“非唯同类相感，亦有异性相感者，若磁石引缄，琥珀吸芥”；《淮南子·万毕术》中也有磁石相斥的记载。

3．关于磁力不受媒质影响和磁屏蔽作用

宋代张房著《云岌七竿》中有“磁石吸铁，间隔潜应”的记载；1644年，刘献廷（1648—1695）著《广阳杂记》中有“磁石吸铁，隔碍潜通，或问余，磁石吸铁，何物可以隔之……唯铁可以隔耳。……试之，果然。”这是世界上有关磁屏蔽的最早记录。

三、指南针的发明及应用

指南针是利用磁石指极性制成的指南仪器，它是中国古代的伟大发明之一。英国著名哲学家培根（F．Bacon，1561—1626）首先在《新工具》一书中将印刷术、火药、指南针称为三大发明。后来马克思（K．Marx，1818—1883）、英国著名汉学家麦都思（W．H．Medhurst，1796—1875）等承袭了培根的说法。马克思在《机械、自然力和科学的应用》中称“火药、指南针、印刷术——这是预告资产阶级社会到来的三大发明”。麦都斯则指出：“中国人的三大发明（指南针、印刷术、火药），对欧洲文明的发展，提供异乎寻常的推动力。”著名英国学者李约瑟（图1-11）在上述三大发明中加入造纸术，称为中国古代的四大发明。

中国发明和应用指南针大致经历了司南→指南鱼、指南龟→指南针（水针、旱针）→罗盘（水罗盘、旱罗盘）几个阶段。

1．司南

中国在春秋战国时代已发现磁石具有指极性。据《古矿录》记载，战国时期已出现利用磁石辨别方向的指南仪——司南。战国时期著名学者韩非子（公元前280—公元前233）著《韩非子·有度篇》中有“立司南以端朝夕”。公元前4世纪战国时人王诩（别名鬼谷子）著《鬼谷子·谋篇第十》中有“郑人取玉，必载司南，为其不惑也”。这说明当时已有人将司南用于野外采矿时辨别方向。

在王充著《论衡·是应篇》中，对司南作了比较明确的描述：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”这说明指南呈汤匙（杓）形，静止时司南（杓）的柄“柢”指向南方。图1-12为出土汉代司南的复原模型。司南由天然磁石凿成的“杓”和四周有方向刻度的铜制方盘组成。

2．指南鱼和指北龟

由于汉代司南用天然磁石磨制而成，磁性较弱，效果不理想，因此在流传中被淘汰，未能推广应用。

北宋曾公亮在他成书于1044年的《武经总要》中首先载明了指南鱼的制法及应用（图1-13）：“鱼法以薄铁叶剪裁，长二寸，阔五分，首尾锐如鱼形，置炭火中烧之，候通赤，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，平放鱼在水而令浮，其首常南向午也。”这段话说明，指南鱼是用地磁场磁化铁片而制成的；指南鱼为水浮法。

南宋陈元靓在成书于1260—1265年间的《事林广记》一书中，不仅介绍了另一种指南鱼的制法，还介绍了不用水的指南龟的制法（图1-14）：“以木刻鱼子，如拇指大，陷好磁石一块子，却以蜡填满，用针一半佥从鱼子口中钩入，令设水中，自然指南，以手拨转，又复如此。以木刻龟子一个，一如前发制造，但于尾边敲针入去，用小板子，上安以竹钉子，如箸尾大，龟腹下微陷一穴，安钉子上，拨转常指北。”这段文字说明：采用天然磁石制造指南鱼和指南龟，不仅有采用水浮法的指南鱼，也有在地面上安放、应用的指南龟。

3．指南针及罗盘

迄今为止发现的有关指南针的最早文献是北宋天文学家杨惟德（1054年7月4日发现并记录超新星大爆炸）在1041年撰写成的《茔原总录》：“客主的取，宜匡四正以无差，当取丙午针，于其正处，中而格之，取方直之正也。……故取丙午壬子之间是天地中，得南北之正也。”这段文字说明，北宋时已有指南针和方向盘，或者二者结合而成的罗盘（罗经盘），而且已经知道地磁偏角的存在（北宋时汴京的地磁偏角为7.5°）。

与杨惟德同时或稍早的堪舆家王伋（1007—1076）在一首诗中也表明当时已应用指南针：“虚危之间指路明，南方张度上三乘，坎离正位人难识，差却毫厘断不灵。”诗中表明，指针所指的并不在南北极方向，而是虚、危之间（虚、危为星宿名，表示罗盘方位），与杨惟德文中的丙子、壬午相对应，都是7.5°。

北宋著名科学家沈括（图1-15）在成书于1086—1093年的《梦溪笔谈》卷24中对指南针作了明确记载：“方家以磁石磨针锋，能指南，然常微偏东，不全南也。水浮多荡摇，指爪及碗唇皆可为之，运转尤速。但坚滑易坠，不若缕悬为最善。其法取新纩中独茧缕，以芥子许蜡缀于针腰，无风处悬之，则针常指南。”这段话明确说明磁石磨成磁针而制成指南针，首次记录发现了地球的磁倾角，并给出了4种指南方法（图1-16）。

北宋寇宗奭在1116年成书的《本草衍义·磁石条》中有“磨针锋则能指南，然常偏东不全南也。其法取新纩中独缕，以半芥子许蜡缀于针腰，无风处垂之，则针常指南。以针横贯灯心，浮水上，亦指南，然常偏丙位。”不仅指明磁石磨针制指南针，还介绍了悬针和浮针的具体制作方法。

4．指南针、罗盘在航海上的应用

正如李约瑟在《中国科学技术史》中所指出，磁针和罗盘的发明及使用与方家（堪舆家）看风水有关，指南针、罗盘首先应用于占卜、堪舆。

目前发现最早将指南针应用于航海的文献是北宋朱彧1119年编成（记述1086年的事）的《萍洲可谈》：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针。”这说明至迟在北宋时期已将指南针用于航海。

1124年徐兢（1091—1153）在《宣和奉使高丽图经》中有“唯视星斗前迈，若晦冥，则用指南浮针，以揆南北。”

罗盘是磁针加上方位盘组合而成的指南仪器。最早记载罗盘用于航海的是宋朝曾三异（1146—1236）著《因话录》：“地螺或有子午正针，或用子午丙壬间缝针。”文中，地螺即地罗、罗盘。1275年南宋吴自牧箸《梦梁录》中也有：“风雨晦冥时，惟凭针盘而行。”针盘即罗盘。

关于带有48个方位的罗盘的资料则首见于元代周达观（1266—1346）记录他1295年出使真腊（今柬埔寨）的《真腊风土记》一书中。

此外，古人还将磁针指南融入诗词中。例如，宋·曾丰（1142—1224）：“车中幸有司南柄，试与迷途指大方”；晋·杨方“磁石引长针，阳燧下炎烟”；唐·戴叔伦“针自指南天窅窅，星犹拱北夜漫漫”等。特别是南宋民族英雄文天祥（图1-17）在他的《指南录》中就以“臣本一片磁针石，不指南方不肯休”的名句，表达他身陷囹圄，仍心向宋朝，誓死南归的爱国之情。

纵观17世纪以前，中国人对磁现象的观察、研究及应用在世界上是领先的，特别是指南针的发明、应用和西传，对世界经济、文化产生的影响巨大。但宋代以后，中国对磁现象的研究发展缓慢，以后逐渐为西人所超越。