近日，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成并開通，中國(guó)成為世界第三個(gè)獨(dú)立擁有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。提起衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，不得不提我國(guó)最早的導(dǎo)航工具——指南針。

圖為縷懸法指南針模型。 

我國(guó)先民認(rèn)識(shí)和掌握物質(zhì)的磁性經(jīng)過了漫長(zhǎng)的道路。在生產(chǎn)勞動(dòng)中，人們接觸了磁鐵礦，并發(fā)現(xiàn)了磁石引鐵的性質(zhì)和磁石的指向性，最終發(fā)明了指南針。宋代時(shí)期，先民已經(jīng)掌握了很多有關(guān)磁學(xué)方面的知識(shí)。南宋愛國(guó)詩人文天祥出使北營(yíng)到南返福州期間被元兵扣留數(shù)日，寫下了《揚(yáng)子江》：“幾日隨風(fēng)北海游，回從揚(yáng)子大江頭。臣心一片磁針石，不指南方不肯休。”該詩收在《指南錄》中，以表達(dá)作者心向南宋，冒死南歸的一片丹心。

司南因自身缺陷未能得到廣泛使用

指南針的始祖大約出現(xiàn)在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期。它是用天然磁石制成的，樣子像一把湯勺，可以放在平滑的“地盤”上保持平衡，且可以自由旋轉(zhuǎn)。當(dāng)它靜止的時(shí)候，勺柄就會(huì)指向南方，古人稱它為“司南”。戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的著作《鬼谷子》中記載了司南的應(yīng)用，鄭國(guó)人采玉時(shí)就帶了司南以確保不迷失方向。

春秋時(shí)代，人們已經(jīng)能夠?qū)⒂捕?度至7度的軟玉和硬玉琢磨成各種形狀的器具，因此也能將硬度只有5.5度至6.5度的天然磁石制成司南。東漢時(shí)期思想家王充在《論衡》中對(duì)司南的形狀和用法作了明確的記錄。司南是用整塊天然磁石經(jīng)過琢磨制成勺型，勺柄作為指南極，并使整個(gè)勺的重心恰好落到勺底的正中，勺置于光滑的地盤之中，地盤外方內(nèi)圓，四周刻有干支四維，合成二十四向。這樣的設(shè)計(jì)是古人認(rèn)真觀察了許多自然界有關(guān)磁的現(xiàn)象，積累了大量的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過長(zhǎng)期的研究才完成的。司南的出現(xiàn)是人們對(duì)磁體指極性認(rèn)識(shí)的實(shí)際應(yīng)用。

但司南有許多缺陷，如天然磁體不易找到、加工困難、測(cè)量精度差、體積大攜帶不方便等，這是司南在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)未能得到廣泛使用的主要原因。

人工磁化法使鐵片變成指南針

古代民間常將薄鐵葉剪裁成魚形，“魚”的腹部略下凹，像一只小船，磁化后浮在水面，就能指示南北。當(dāng)時(shí)以此作為一種游戲，稱為 “指南魚”，這就是指南針的雛形。北宋時(shí)，曾公亮在《武經(jīng)總要》載有制作和使用指南魚的方法：“用薄鐵葉剪裁，長(zhǎng)二寸，闊五分，首尾銳如魚型，置炭火中燒之，侯通赤，以鐵鈐鈐魚首出火，以尾正對(duì)子位，蘸水盆中，沒尾數(shù)分則止，以密器收之。用時(shí)，置水碗于無風(fēng)處平放，魚在水面，令浮，其首常向午也。”

這是一種人工磁化的方法，它利用地球磁場(chǎng)使鐵片磁化。即把燒紅的鐵片放置在子午線的方向上，燒紅的鐵片內(nèi)部分子處于比較活動(dòng)的狀態(tài)，使鐵分子順著地球磁場(chǎng)方向排列，達(dá)到磁化的目的。鐵片蘸入水中，可把這種排列較快地固定下來，而魚尾略向下傾斜可增大磁化程度。人工磁化方法的發(fā)明，對(duì)指南針的應(yīng)用和發(fā)展起了巨大的作用，在磁學(xué)和地磁學(xué)的發(fā)展史上也是一件大事。

指南針的發(fā)明是我國(guó)勞動(dòng)人民在長(zhǎng)期的實(shí)踐中對(duì)物體磁性認(rèn)識(shí)的結(jié)果。到了宋代，這方面的知識(shí)已經(jīng)相當(dāng)豐富了。北宋科學(xué)家沈括在《夢(mèng)溪筆談》中就介紹了磁針裝置的4種方法。

水浮法，即在磁針上穿幾根燈心草，讓其浮在水面。碗唇旋定法是將磁針擱在碗口邊緣，磁針可以旋轉(zhuǎn)。指甲旋定法是把磁針擱在手指甲上面，由于指甲面光滑，磁針可以旋轉(zhuǎn)自如?？|懸法是在磁針中部涂一些蠟，粘一根蠶絲，掛在沒有風(fēng)的地方，用以指示方向。

衍生水針和旱針兩大體系

沈括曾對(duì)上述4種方法作了比較。他指出，水浮法的最大缺點(diǎn)是，水面容易晃動(dòng)從而影響測(cè)量結(jié)果。碗唇旋定法和指甲旋定法由于摩擦力小，轉(zhuǎn)動(dòng)很靈活，但容易掉落。沈括比較推崇的是縷懸法，他認(rèn)為這是比較理想而又切實(shí)可行的方法。事實(shí)上，沈括指出的4種方法已經(jīng)歸納了迄今為止指南針裝置的兩大體系——水針和旱針。

沈括在《夢(mèng)溪筆談》中提到另一種人工磁化的方法：“方家以磁石磨針鋒，則能指南。”按沈括的說法，當(dāng)時(shí)的人們用磁石去摩擦縫衣針，就能使針帶上磁性。從現(xiàn)在的觀點(diǎn)來看，這是一種利用天然磁石的磁場(chǎng)作用，使鋼針內(nèi)部磁疇的排列趨于某一方向，從而使鋼針顯示出磁性的方法。這種方法比地磁法簡(jiǎn)單，而且磁化效果比地磁法好，摩擦法的發(fā)明不但為世界最早，而且為有實(shí)用價(jià)值的磁指向器的出現(xiàn)創(chuàng)造了重要的技術(shù)條件。

南宋陳元靚在《事林廣記》中介紹了另一類指南魚和指南龜?shù)闹谱鞣椒?。這種指南魚與《武經(jīng)總要》一書記載的不同，是用木頭刻成手指一般大的魚形木魚，并在其腹中置入一塊天然磁鐵，磁鐵的南極指向魚頭，用蠟封好后，從魚口插入一根針，就成為指南魚。將其浮于水面，魚頭便會(huì)指南，這也是水針的一類。

指南龜是當(dāng)時(shí)流行的一種新裝置，將一塊天然磁石放置在木刻龜?shù)母箖?nèi)，在木龜腹下方挖一光滑的小孔，對(duì)準(zhǔn)并放置在直立于木板上的頂端尖滑的竹釘上，這樣木龜就被放置在一個(gè)固定的、可以自由旋轉(zhuǎn)的支點(diǎn)上了。由于支點(diǎn)處摩擦力很小，木龜可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。但是，它并沒有用于航海指向，而用于幻術(shù)，這就是后來出現(xiàn)的旱羅盤的先聲。