中国古代指南鱼和指南针的复原实验研究

岑天庆

(中山市华侨中学,广东 中山 528400)

科技史研究与一般历史研究略有不同，因为不能重新走进历史，所以学术界主要采用王国维先生的二重证据法，即：古文献之间以及与古文物相互印证的研究方法. 科技史要对其涉及的科学问题进行研究，科学研究的核心是要进行科学实验，而科学实验最本质的特征是具有重复性. 所以用科学实验证实古代的科学发现或科技发明，远比通过古文献之间相互印证得到的推测结论可靠和有说服力. 本文以对《武经总要》和《梦溪笔谈》古文献本意的解读和分析为基础，充分从中获取关于指南鱼和指南针制法的信息，如实按照古文献的要求，实事求是地进行复原实验. 通过相关物理知识和认知逻辑分析，探索古代指南鱼、指南针制法科学问题的秘密，揭示其历史真相.

1 我国古代关于指南鱼制法的记载及过往研究

北宋时期，曾公亮在《武经总要》(1040—1044)中记载：用薄铁叶剪裁，长二寸，阔五分，首尾锐如鱼型，置炭火中烧之，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. 这是学术界普遍公认和接受的我国最早发明指南针的记载.

20世纪40年代，王振铎认为：《武经总要》指南鱼未记载磁化方法，可能是撰者直接引文未加思索，或有意保密；熟铁矫顽性较低，指南鱼当用薄钢叶制作；淬火只是加强钢铁硬度，与获得磁性毫无关系；正对南北方向淬火是为了附会五行理论；“密器”可能内置磁石，保存指南鱼的同时继续磁化[1].

1992年，李强实验发现：地磁场的热剩磁效应非常弱，不足以驱动鱼形铁片指南. 他用锯条做了模拟实验，分别用家庭火炉、电炉加热到约700 ℃淬火，两端表磁或测不到或极小，插在泡沫塑料上，浮于水面，没有指南迹象；用磁石摩擦磁化，锯条两端表面磁感应强度为1.6×10-3～1.8×10-3T，指南效果显著. 文章还提到中国历史博物馆曾用中碳钢制作鱼形浮子，电炉加热到700 ℃淬火，首尾磁感应强度为4×10-4～1.1×10-3T，无指极性. 李强判断：中高碳钢高温淬火获得的热剩磁不足以克服水的表面张力而指极；磁石摩擦可以轻易使钢片具有指极性. 藉此认为《武经总要》记述的指南鱼制法是先通过高温淬火获得少量磁性，然后放在置有磁石的盒内封存，不断传磁，与近代“养针法”大体一致[2].

50年代，刘秉正提出《武经总要》指南鱼的磁化利用了地磁场的热剩磁效应. 他认为：铁片被烧红后，温度可能达到铁的居里点(770 ℃)以上变为顺磁体；沿南北放置，是被地磁场磁化，冷却后形成热剩磁；铁片“没尾数分”表明磁化角度顺应了地磁倾角，可最大限度利用地磁强度. 他还用缝衣针做了多次试验，插软木塞浮于水上，能指南北；蘸水和缓慢冷却效果相同，前者更快捷[3].

黄兴对刘秉正、李强制作指南鱼实验进行了评述，称按照文献记载加工制作了可浮在水面鱼形铁片，质量约0.45g[4]. 但对制作和实验过程没有说明，实验结果能否指南没有明确的结论.

对于条形薄铁片正对南北方向淬火能否获得磁性及条形薄铁片制作指南鱼用水浮法实验能否指南，刘秉正与王振铎、李强的实验结果相反，形成的结论也大相径庭. 从其古文献中有关指南鱼制作和使用的翔实描述看，曾公亮应该既是其见证者也是其实践者，其作用主要是指导在军事上的实际应用，古人应是在不断重复验证和实践中形成和得到的结论，不应怀疑其记录和描述的真实可靠性. 只有如实按照古文献的记述制作，并进行系统、规范、全面而又耐心细致地复原实验，才能发现其中的秘密及找到其中的原因，真正解决问题和形成可靠的结论.

2 指南鱼的制作过程及实验结果

图1 制作的指南鱼铁片和钢片， 木板和用于磁化的天然磁石

古文献中对指南鱼制作的长和宽是确定的，对薄铁片的厚度描述不明确，但通常厚度如薄锯条在0.7mm以上才有实用价值. 为了进行对比实验，剪裁长为67mm、宽为17mm(长二寸宽五分)、厚分别为0.9mm和1.6mm薄铁片及厚为0.7mm薄锯条钢片各2块，其中1块保留为条形，另1块用砂轮打磨成鱼形(图1). 加工完成后，分别用其与打磨留下的铁粉接触，发现均不能吸取铁粉，说明没有直观磁性，用高斯计测量发现所有样品表面最大磁感应强度均只有5×10-4～1.5×10-3T的残余剩磁.

将长为67mm、宽为17mm的薄铁片磁化后，直观磁性能勉强吸取1根细针，在液化气灶上加热至通红，经浇水冷却后发现直观磁性消失，说明在液化气灶加热，温度能达到居里温度以上. 将厚为0.9mm的鱼形薄铁片和厚为0.7mm的鱼形薄钢片在液化气灶上加热至通红后，沿南北方向放置浇水冷却. 如何使薄铁片浮于水面上，古文献中没有说明. 通常认为在鱼的肚皮部分凹下去些，象小船，可以浮在水面上. 但笔者认为此制法不真实，首先其并没有古文献依据，其次这样制作的指南鱼很轻很薄，加工和能让其浮于水面极其困难.

采用最原始最朴素的方法. 取长为56mm、宽为39mm、厚为8mm、质量为5.348g杉木板1块，将以上制作的鱼形薄铁片和薄钢片分别放在杉木板中央. 在直径为18cm大碗中加入半碗水，在无风和周围无铁磁性材料的情况下，将杉木板和其上的鱼形薄铁片浮在碗中央的水面上. 开始鱼形薄铁片并没有明显的运动迹象，经过一段时间后，发现开始极缓慢地旋转，且转动逐渐变快，并逐渐趋于南北方向，经过多次反复回转后，鱼形薄铁片最后稳定在南北方向上. 这样就如实按照古文献，采用古人最可能使用的漂浮方法，完成了2个指南鱼的复原并成功进行了指向实验. 也与宋代《事林广记》记载用木头做指南鱼的方法相吻合：用1块木头刻成鱼的样子，像手指那样大，指南鱼就做好了. 把指南鱼放到水面上，鱼嘴里的针就指向南方.

为了更准确地进行观察和实验，在碗口上沿直径在南北方向放1根木棍，将鱼形薄铁片沿东西方向放置与木棍垂直，用手指轻压薄铁片中央，目的是让鱼形薄铁片静止并防止其向碗边浮移. 将手指轻轻抬起后，发现鱼形薄铁片在10s内没有明显的运动迹象，随后开始极缓慢地旋转，且转动逐渐变快，当与木棍平行时转动达到最快，然后转动又开始变慢，当薄铁片与木棍夹角约为30°时开始回转，其过程约60s. 再经过约120s反复回转后，鱼形薄铁片稳定在与木棍平行的南北方向上. 用鱼形薄铁片和薄钢片多次重复实验，情况基本相同. 将其沿180°或任意方向浮在碗中央的水面上，只要不靠到碗边，经过足够长的时间，样品均能在水面上稳定指向南北方向(图2).

图2 用水浮法制成能稳定指南的指南鱼

图3 厚1.7 mm薄铁片做水浮法实验

将正对南北方向蘸水淬火的鱼形薄铁片和薄钢片与铁粉接触，发现均不能吸取铁粉，说明仍没有直观磁性，用高斯计测量发现表面最大磁感应强度为5×10-4～1.5×10-3T. 由此笔者推测：用另外3块薄铁片和1块薄钢片做水浮法实验，同样可以有效指南. 与沿任何方向蘸水淬火无差别，均不能增强磁性. 经过多次反复实验，结果正如预期，制成条形的薄铁片或薄钢片不需要磁化或正对南北方向蘸水淬火，直接用水浮法实验，只要不靠到碗边，经过足够长的时间，就能稳定指南. 将其余4块样品加热后，沿任意方向放置浇水冷却后，发现均没有直观磁性，用高斯计测量表面最大磁感应强度为5×10-4～1.5×10-3T，磁性几乎无差别，与加热前的磁性也几乎无差异. 另外用厚1.7mm的薄铁片做水浮法实验，效果明显好于厚为0.9mm的薄铁片和厚为0.7mm的薄钢片，指南所用时间明显缩短(图3). 但用厚为0.4mm的薄铁片做同样实验，效果较差，不能准确指南. 说明直接将鱼形薄铁片浮在水面上的方法不可行.

表1是某次水浮法实验的详细记录.

表1 某次水浮法实验记录

此外笔者购买1包10枚的普通针和1包10枚的普通钢针，发现均没有任何直观磁性，不能吸取铁粉. 将所有针分别插在泡沫塑料上，浮于水面，发现所有普通针和普通钢针均会快速转动，在10s内大体指南，30s内稳定指南(图4). 说明水浮指南针比水浮指南鱼灵敏. 但受外界因素影响较大，指南针容易漂移和晃动，不如指南鱼稳定. 将针在液化气灶上加热至通红并沿任意方向放置浇水冷却后发现，其直观磁性和水浮法实验结果与加热前基本无差异.

图4 水浮普通针和普通钢针

用表面最大磁感应强度为5×10-2～6×10-2T的蹄形磁铁分别磁化厚为0.9mm的条形薄铁片和厚为0.7mm的条形薄钢片样品，5h后，发现薄钢片表面最大磁感应强度为1.5×10-2～2×10-2T，直观磁性能吸取厚为0.7mm的鱼形薄铁片；而薄铁片表面最大磁感应强度只有4×10-3～8×10-3T，直观磁性只能勉强吸取1根细针. 说明薄铁片也能被磁化，只是磁化后的剩磁较弱. 再用其做水浮法实验，发现磁化薄钢片的灵敏度与水浮指南针相当，磁化薄铁片达到稳定指向所需时间则明显缩短.

取没有任何直观磁性不能吸取铁粉的长二寸的钢锯条，将其在表面最大磁感应强度为8×10-3～1×10-2T天然磁石磁性最强处摩擦磁化，发现锯条直观磁性能吸取微量铁粉，两端表面磁感应强度为1.2×10-3～1.8×10-3T，做水浮法实验指南效果明显改善，在10s内大体指南，30s内稳定指南. 用天然磁石磁性最强处摩擦薄铁片，则实验效果没有明显变化.

3 对过往研究的评价和关于指南鱼研究的结论

从以上复原实验和对比实验的结果，可以对关于指南鱼的研究和实验作如下分析和评价：

1)王振铎[1]认为“指南鱼正对南北方向淬火只是加强钢铁硬度，与获得磁性毫无关系”的结论是正确的，但不相信《武经总要》的记载，认为“用薄铁片制作指南鱼不真实，只有用磁化钢片制作的指南鱼才能指南”的结论却是错误的. 李强[2]由于在文献[1]观念的影响下，为证实其推测和判断的正确性而进行实验，从而得到“用薄铁片制作指南鱼实验没有指南迹象”的错误结论. 其用磁石摩擦磁化，锯条两端表面磁感应强度为1.6×10-3～1.8×10-3T，指南效果显著，该实验内容真实可靠. 文献[2]还提到中国历史博物馆曾用中碳钢制作鱼形浮子，电炉加热到700 ℃淬火，首尾磁感应强度为4×10-4～1.1×10-3T，无指极性. 由于没有观察足够长的时间，错失了发现指南鱼能指南的现象.

2)刘秉正[3]相信《武经总要》的记载，但没有完全按照《武经总要》中有关指南鱼制作和使用的描述进行实验，将针烧红后按南北方向蘸水,然后将它穿入软木塞上令浮于水上,果然可以指南北. 文献[3]认为铁片被烧红后，温度可能达到铁的居里点(770 ℃)以上变为顺磁体；沿南北放置，是被地磁场磁化了，其结论有误. 由此证实制作指南鱼能有效指南的结论也是不可靠的.

3)黄兴[4]按照文献记载加工制作了可以浮在水面的鱼形铁片，质量约为0.45g. 0.45g仅是1枚粗针的质量，如果按照文献记载加工制作鱼形铁片，其厚度将小于0.1mm，薄如纸片，不符合事实常理.

由以上复原实验的结果可以得到如下结论：

1)如实地按照曾公亮在《武经总要》有关指南鱼制作和使用的描述，能成功进行复原实验，证实其古文献的记载是真实可靠且具有重复性.

2)由于地磁场弱，普通薄铁片制成指南鱼磁性也弱，且其转动惯量也较大. 在实验中，需要耐心细致地观察足够长的时间，才能发现用水浮法指南鱼有指南的效果，观察时间是能否发现其有效指南的关键因素. 该问题在古文献中没有特别说明. 同时薄铁片要有适当的厚度，这样有利于增强转动的磁力矩.

3)指南鱼的制法与是否经过磁化和正对南北方向蘸水淬火无关，薄铁片按南北方向蘸水并不能被地磁场磁化获得磁性.

4)指南鱼是在其残余剩磁与地磁场相互作用下指南的，但并不能由此认为从《武经总要》的记载中，古人发现了磁的指向极性，指南鱼的发明与发现磁的指向极性无关. 文献中指南鱼的制法与磁石吸引铁的现象之间并没有必然联系，不能由此过度解读文献. 但从指南鱼制法要正对南北方向蘸水淬火，说明古人认为南北方向与其他方向不同，南北方向可能存在某种神秘力量的理念却是正确的，指南鱼制法正对南北方向蘸水淬火可能与这种神秘力量有关系. 正是在这种理念的指导和影响下发明了指南鱼并发现其指向性，其发现开创了在古代技术条件下，用铁磁材料采用阻力矩最小的水浮法制作指向工具，对其后发明指南针有重要的启示作用.

4 《梦溪笔谈》的记载及指南针制法的研究

继《武经总要》之后，北宋沈括在《梦溪笔谈》中关于指南针制法有翔实记载：方家以磁石磨针锋，则能指南；然常微偏东，不全南也. 水浮多荡摇，指爪及碗唇上皆可为之，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. 其中有磨而指北者. 余家指南、北者皆有之. 磁石之指南，犹柏之指西，莫可原其理.

以上记录说明沈括同样既是见证者也是实践者. 这是学术界普遍公认和接受的我国最早发现磁的指向极性和磁偏角，以及最早发明指南针的最重要古文献证据. 通过对文献的解读，其关于磁现象的任何一项研究和记载，均堪称物理学史上非常重要的科学发现，代表当时科学技术的最高水平. 由此可从中得到如下信息和研究结论：

1)虽然沈括并不明白磁石指向的原因，但在科学史上却是最先明确记载发现磁的指向极性，并将磁与指向相联系.

2)关于磁偏角这一重要的科学发现，沈括是用磁针确定南北的方位与日晷确定南北的方位比较得到的结论[5].

3)明确记载古代方士术士手中存在强磁性的“方家磁石”，能磁化钢针而非普通天然磁铁矿石.

4)最先明确记载发现强磁性“方家磁石”能通过摩擦，在短时间内快速磁化钢针.

5)文中选用磁石磨针锋是因为普通针并不全是钢，只有针尖的部分是钢，其余部分是铁. 最早发现只有钢磁化后才有强剩磁.

沈括总结制作指南针的4种方法：水浮法、碗边旋定法、指甲旋定法和缕悬法. 从以上关于指南鱼的复原实验可知：水浮法阻力矩小，其是否能有效指南与针是否经磁石磁化无关. 碗边旋定法和指甲旋定法阻力矩更大，实践中可操性差，不能成功复原指南针，几乎没有实用价值.

笔者对缕悬法作复原实验：取长为4.3cm、直径为0.7mm的普通针和钢针各1枚，直观磁性均不能吸取铁粉，将细线一端系于针中央，另一端系于木棍中央，线长约17cm. 为了减少风的影响，将针放入直径为18cm的塑料桶中观察，在桶口上将木棍沿直径在南北方向放置. 稳定后发现两针均更靠近南北方向，但不能有效指南(图5). 将两针在天然磁石上摩擦，直观磁性能吸取微量铁粉，但定向实验结果没有明显改善.

图5 用未磁化的针做缕悬法复原实验

将两针在表面最大磁感应强度为5×10-2～6×10-2T的蹄形磁铁磁极上摩擦后，发现直观磁性能吸取同样大小的细针，定向实验发现针能快速转动指南，稳定后发现两针均能有效指南. 但不如指南鱼稳定，易受外界干扰而晃动(图6).

图6 用磁化后的针做缕悬法复原实验

以上复原实验说明：在天然磁石上摩擦普通针或钢针，虽然磁性略有增强，但用缕悬法不能有效指南，不能复原指南针.

图7是铁磁性材料初始磁化曲线和磁滞回线. 从磁化曲线可以看出，铁磁性物质从退磁状态受外磁场磁化时，其磁化过程可分为3个阶段：

图7 铁磁性材料初始磁化曲线和磁滞回线

1)起始磁化阶段. 当外磁场H很小时，磁感应强度B和磁化强度M随H增大，在这一阶段，与外磁场方向成锐角的磁畴能量低，磁畴扩大；而与磁场方向成钝角的磁畴缩小. 磁畴大小的变化通过畴壁的可逆迁移过程实现，磁化是可逆的. 去掉外磁场不保留磁性.

2)急剧磁化阶段. 随着外磁场H增大，磁感应强度B和磁化强度M都迅速增大. 在这一阶段，磁畴壁随磁畴的增大而快速移动，与磁场方向成钝角的难磁化的磁畴转向夹角较小的易磁化方向. 当外磁场H增大到一定强度时，所有自旋磁矩通过磁畴壁的跳动来实现，转动到与磁畴成最小夹角的易磁化方向，称为磁畴壁的巴克豪森跳跃. 磁化是不可逆的，去掉外磁场后还保留部分磁性.

3)饱和磁化阶段. 随着外磁场H进一步增大，磁感应强度B和磁化强度M的增大逐渐变缓. 在这一阶段，发生磁畴转动. 磁畴由易磁化方向转动到与外磁场一致的方向. 这时撤去外磁场，磁畴由与外磁场一致的方向又转动到易磁化方向.

由初始磁化曲线可知，用普通天然磁石磁化普通针或钢针，仍在起始磁化阶段，磁化是可逆的，去掉外磁场后剩磁只是略有增加. 选取2块实验过程断裂的普通条形磁铁进一步作磁化钢针实验. 取1块直观磁性能勉强吸取1根小铁钉的条形磁铁，用高斯计测量其两端最大磁感应强度分别为1.2×10-2T和2.5×10-2T，发现用其同样不能明显磁化钢针. 说明用磁感应强度达到天然磁石2倍的普通条形磁铁仍不能磁化钢针，仍在起始磁化阶段,磁化是可逆的.

取另1块直观磁性能吸取1根较大铁钉的条形磁铁，用高斯计测量两端最大磁感应强度分别为2.5×10-2T，3.5×10-2T，磁性达到普通天然磁石3倍左右，发现用其能磁化钢针，直观磁性可吸取同样大小的细针，说明突破了磁畴壁的巴克豪森跳跃，磁化是不可逆的，进入了急剧磁化阶段. 普通蹄形磁铁最大磁感应强度在6×10-2～7×10-2T，说明选取磁铁的磁感应强度只要达到普通蹄形磁铁最大磁感应强度的一半就能磁化钢针.

由此印证笔者关注到的类似于吴鲁衡罗经老店强磁性的“天然磁陨石”在中国古代一直秘密存在[6-7]. 其磁性应达到普通天然磁石3倍以上. 南北朝梁代陶弘景在《名医别录》中也有记载：优良磁石出产在南方，磁性很强，能吸引3～4根铁针，使几根针首尾相连挂在磁石上. 磁性更强的磁石，能吸引十多根铁针，甚至能吸住1～2斤刀器. 据黄兴所述：经多方考察在邯郸武安、张家口赤城等地采集了数批磁铁矿和磁赤铁矿，后者表磁最高可达8×10-2T以上，远高于前人实验所用样品[4]. 但并没有提供相关实物直观磁性的图片. 根据笔者进行过的各种磁铁磁化钢实验的经验，磁性应超过物理实验用的磁性较强的铁氧体蹄形磁铁(表磁最高小于7×10-2T)，表磁最高可以达到8×10-2T，其直观磁性应至少能吸取1把大剪刀. 如确有此种强磁性天然磁铁矿石，可以肯定也极其稀少.

需要说明的是沈括最早明确记载发现磁的指向极性和磁化现象，但并不能由此说明此时中国古人才知道磁的指向极性和磁化现象，因为文献中主要是介绍磁偏角和用缕悬法制作指南针. 东汉王充《论衡·是应篇》有“司南之杓，投之于地，其抵指南”的记载，文献只记录了司南的使用过程，并没有关于司南制法的信息. 说明王充只是其见证者不是其实际制作者. 吴鲁衡老店保存的“天然磁陨石”能长期用于磁化普通钢针，说明用“天然磁陨石”磁化普通钢勺能制成司南，说明此时期中国古人可能已秘密用“天然磁陨石”磁化钢勺发现了磁化现象和磁的指向极性.

参考文献：

[1] 王振铎. 司南指南针与罗经盘(中)[J]. 中国考古学报,1949(4):186-203.

[2] 李强. 指南鱼复原试验 [J]. 中国历史博物馆馆刊, 1992(18/19):179-182.

[3] 刘秉正. 我国古代关于磁现象的发现[J]. 物理通报,1956(8):458-462.

[4] 黄兴. 中国指南针史研究文献综述 [J].自然辩证法通讯，2017,39(1):85-94.

[5] 岑天庆,林国胜. 关于沈括发现磁偏角的思考[J]. 物理教学,2014，36(11):73-74.

[6] 岑天庆,熊德永. 关于“勺形司南”是磁陨石或用磁陨石磁化制成的研究[J]. 物理教学，2015，37(8)：75-78.

[7] 岑天庆. 用磁铁磁化复原“勺形司南”及定向实验研究[J]. 自然辩证法通讯，2017，39(2)：70-75.