黃 興

(中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所,北京 100190)

天然磁石勺“司南”實(shí)證研究

黃 興

(中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所,北京 100190)

1945年王振鐸提出司南復(fù)原方案,并制作“磁石勺”司南,其他研究者一直未能重復(fù)實(shí)現(xiàn)此方案,導(dǎo)致對(duì)唐以前是否可能發(fā)明磁性指向器存在長期爭議。磁石是古人對(duì)具有顯著天然剩余磁性的礦石的統(tǒng)稱,其磁性較強(qiáng)者有磁鐵礦、磁赤鐵礦與磁黃鐵礦等。采集到與古文獻(xiàn)記載磁性相近的磁石,制成了具有良好指極性的磁石勺。通過新研制的“磁矩測量裝置”,發(fā)現(xiàn)按古代工藝切割、摩擦等造成的退磁非常輕微；加工后形狀變化導(dǎo)致磁化強(qiáng)度略有降低,數(shù)十天后恢復(fù)穩(wěn)定。古地磁學(xué)研究表明,兩千多年來以洛陽、天水、北京為代表的中原、關(guān)中和華北地區(qū)地磁水平方向分量呈顯著M形變化,先秦至唐中期正處于高峰期,此期間磁石勺指向性顯著提升。實(shí)驗(yàn)顯示磁石水浮法、懸吊法及“銅勺盛放磁石”等有一定可行性,但缺點(diǎn)明顯；“鐵勺盛放磁石”、“鋼勺磁化”可行性差。古文獻(xiàn)中“司南”、“針”詞頻變化與地磁場水平分量的演變高度對(duì)應(yīng)。磁石指向器的制作方法決定其不易辨別地磁偏角,不能以未發(fā)現(xiàn)地磁偏角否定天然磁石指向器的發(fā)明。唐以前發(fā)明磁石指向器的可能性是存在的,磁石勺是最佳方案。

司南 磁石 指南針 地磁 磁矩

公元前7～6世紀(jì),中西方各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了磁石吸引、排斥和吸鐵等現(xiàn)象。中國人首先發(fā)明了磁性指南針,利用地磁場力來判定方向。中世紀(jì)后期,指南針被傳到阿拉伯和歐洲,具有重大的實(shí)用價(jià)值和國際影響。目前關(guān)于指南針起源存在“秦漢磁石勺說”和“唐末磁針說”兩種觀點(diǎn)。本文采用實(shí)證方法,對(duì)“秦漢磁石勺說”的技術(shù)可行性進(jìn)行了研究。

1 磁石勺“司南”問題的由來

學(xué)界對(duì)指南針起源的研究由來已久。至20世紀(jì)初,國內(nèi)外學(xué)者多認(rèn)為先秦文獻(xiàn)中的“指南車”、“司南”或“司南車”即磁性指向裝置,如南宋金履祥[1]、近代之章炳麟[2]、德國漢學(xué)家夏德(Friedrich Hirth,1845～1927)[3]。一些國際學(xué)術(shù)刊物也曾報(bào)道此類觀點(diǎn)[4,5]。20世紀(jì)20年代初,日本學(xué)者據(jù)當(dāng)時(shí)的資料提出漢唐文獻(xiàn)只講磁石吸鐵,宋《夢(mèng)溪筆談》始論磁針指極和地磁偏角,故指南車不可能是磁性指南針,指南針應(yīng)是宋以后發(fā)明[6]。其后,夏德考察十余種古文獻(xiàn),認(rèn)為《古今注》、《韓非子·有度》*《韓非子》：“先王立司南以端朝夕”。等記載的司南為指南車[7]。1928年,張蔭麟提出東漢王充《論衡·是應(yīng)篇》的記載“司南之杓,投之于地,其柢指南”中的“司南”為東漢最新發(fā)明的磁性指向器；《韓非子》、《鬼谷子·謀篇》*《鬼谷子》：“鄭人取玉,必載司南之車,為其不惑也”。等所講的“司南”可能也是磁性指向器[8]。

20世紀(jì)40年代,王振鐸提出了“磁石勺-銅質(zhì)地盤”司南復(fù)原方案。據(jù)其本人記述：1945年在四川李莊開展初始試驗(yàn),用條狀磁石和人工磁體放在球面玻璃皿上,再置于平面玻璃上,發(fā)現(xiàn)具有一定的指向性([9],246～249頁)。后用通電線圈將鎢鋼勺磁化,驗(yàn)證了勺形方案的技術(shù)可行性([9],239頁)?；乇逼胶笪泄そ秤煤颖蔽浒泊派降拇攀瞥缮谞畲朋w,個(gè)別勺體用銑床加工,大都具有良好指極性([9],259頁)。他將此復(fù)原定位成比較考究的可能性方案,但亦坦承“未發(fā)現(xiàn)原物以前,姑以古勺之形體充之,以征驗(yàn)其究竟”([9],236頁)。

該成果1948年發(fā)表于《中國考古學(xué)報(bào)》,1989年收入《科技考古論叢》[10]。有文獻(xiàn)記述,50年代末文化部將一枚司南勺贈(zèng)送古巴,60年代初中國科學(xué)院地球物理所趙九章所長到瑞典講學(xué)帶走2枚[11]。中國歷史博物館(今國家博物館)一度將該模型作為現(xiàn)代復(fù)原方案進(jìn)行輔助性展示。*近來有多篇文章引用孫機(jī)的說法,認(rèn)為王振鐸的司南勺未曾在中國歷史博物館展出。但李強(qiáng)最近的文章對(duì)此做了澄清,見文獻(xiàn)[29]。1952年,李約瑟來華曾與王振鐸討論過司南模型[12],并在《中國科學(xué)技術(shù)史》(ScienceandCivilisationinChina, Vol. IV:1)一書腳注中記述其觀看過司南演示,效果很理想[13]。王振鐸的復(fù)原被廣為傳播,反響巨大。如1952年版《毛澤東選集》[14]、1954年國際科技史刊物ISIS[15]都有引介?！八灸仙住眻D形逐漸被視作中國古代先進(jìn)科技的標(biāo)志。

王振鐸當(dāng)年制作的磁石勺如今尚存3枚。林文照曾用其中2枚磁性較為顯著者(原標(biāo)簽3、4號(hào))做指向試驗(yàn),效果良好[11]。承蒙王振鐸后人慨允,筆者對(duì)其做了測試(圖1)。3、4號(hào)磁勺(文獻(xiàn)[10]圖版六所示)尺寸較小,指向效果與林文照所述接近；但所用磁石解理雜亂,表面有明顯坑洼,品相不佳；4號(hào)勺體為半球殼狀,非常規(guī)則,加裝木柄,即為銑床所制者。無標(biāo)簽的一枚尺寸較大(文獻(xiàn)[10]圖版五所示),材質(zhì)與3、4號(hào)顯然不同,加工精致,表面光滑,但磁性不佳,不具有指向性能,且勺柄有斷裂后粘合的痕跡。

圖1 王振鐸委托工匠制作的磁石勺(左上：3號(hào),右上：4號(hào),下：無標(biāo)簽勺)

目前尚未發(fā)現(xiàn)古代磁石勺實(shí)物,古文獻(xiàn)亦未明確記載司南是磁性器物,且后來的研究者都未能再度制作磁石勺。然而,多數(shù)科技史著作都將其作為一種可能性復(fù)原方案,也有不少報(bào)道將其傳為定論,甚至讓人誤認(rèn)為已發(fā)現(xiàn)古代實(shí)物。這引起很多學(xué)者的質(zhì)疑,也違背了王振鐸的本意,60年來爭議不斷,歷時(shí)之久、參與之廣,學(xué)界罕見。

有學(xué)者認(rèn)為古代文獻(xiàn)中的司南應(yīng)解釋為北斗、官職、權(quán)力、命運(yùn)等,磁性指南針始于唐宋。劉秉正從1956年起發(fā)表多篇文章均持此觀點(diǎn)[16- 22]。他曾簡單重復(fù)王振鐸的條狀磁石指向試驗(yàn),效果不佳*劉秉正用電磁場飽和磁化的方式制作了7個(gè)磁鐵礦樣品(含鐵量60%～70.5%),4個(gè)條狀,3個(gè)勺狀,N、S端表磁38～92Gs,用玻璃皿(曲率半徑1.9cm)支撐,靜置在玻璃板或銅板上進(jìn)行測試。結(jié)果顯示磁棒都有一定的趨極性,但差別較大,多數(shù)樣品偏向南北的角度在20°～40°之間,一個(gè)勺形無柄者可任意放置。；委托玉器廠加工鐵礦石,多有斷裂,難度較大[19]；認(rèn)為漢代石器加工工藝會(huì)使磁石嚴(yán)重退磁,不能實(shí)用；又提出中原地區(qū)地磁三要素*地磁三要素包括：地磁場總強(qiáng)度、地磁偏角(地磁場方向與地理經(jīng)線的夾角)、地磁傾角(地磁場方向與水平面之間的夾角)。的古今差別不超過30%,對(duì)指南性能影響不大[21]。孫機(jī)認(rèn)為《論衡》的“司南”為指南車,提出北平歷史博物館舊藏殘宋本《論衡》寫作“司南之酌”；故今本“杓”字應(yīng)為“酌”之誤,釋為使用,“柢”釋為指南車的橫桿[23- 25]。

多數(shù)學(xué)者認(rèn)為《論衡》、《韓非子》中的“司南”應(yīng)釋為磁石指向器；北斗、官職等解釋缺乏依據(jù),過于牽強(qiáng)。1938年,黃暉已發(fā)現(xiàn)殘宋本《論衡》“酌”的寫法系版本錯(cuò)誤[26]。林文照用王振鐸的司南做了指向試驗(yàn),表明有97.5%的幾率指南或基本指南,2.5%幾率異常[11,27]。李強(qiáng)認(rèn)為《韓非子》、《鬼谷子》、《論衡》三條文獻(xiàn)互相印證司南為磁性辨向工具；“司南”一詞后世多有混用,含義轉(zhuǎn)移[28]；《論衡》殘宋本非善本,《太平御覽》與今本《論衡》更可信；澄清了王振鐸當(dāng)初的工作和磁石勺在中國歷史博物館展出一事[29]。戴念祖提出齒輪系的指南車超出東漢技術(shù)基礎(chǔ)；他與錢臨照合作期間,錢臨照雖未復(fù)制成功,但也未否定“司南”為磁性指向器,仍在《大百科全書·物理卷》中對(duì)此作了肯定[30- 32]；良渚玉器已有砂繩線性切割,不會(huì)造成磁石退磁,漢代更無技術(shù)難題；司南宜將勺底打光,不必挖凹,勺柄為直條狀[33]。潘吉星認(rèn)為磁石勺應(yīng)當(dāng)輕巧,外形以帶直柄的中空半橢球狀為宜,地盤保留二十四方位即可[34,35]。聞人軍綜合宋殘本“司南之酌”和《瓢賦》的文字*唐代韋肇《瓢賦》：“挹酒漿,則仰惟北而有別；充玩好,則校司南以為可”。,認(rèn)為《鬼谷子》、《論衡》“司南”系將磁化鋼針置于小葫蘆瓢上,并用花生殼做了模擬實(shí)驗(yàn)[36]。楊琳認(rèn)為勺形司南最貼近文獻(xiàn)記載,盡管后人未能重復(fù),但不能輕易否定[37]。

劉洪濤認(rèn)為戰(zhàn)國指南車可能是車上立木桿,表影定南北,《韓非子》或即此法；張衡起改為純機(jī)械結(jié)構(gòu),車上木桿即表影遺制；墨家不談磁石,西漢后方士為自神其道研究較深,神仙家興于東漢后期,故磁性指向器應(yīng)出現(xiàn)在東漢,不早于西漢武帝時(shí)[38]。呂作昕等認(rèn)為《鬼谷子》“司南”為齒輪系機(jī)械式指南車；《韓非子》“司南”為“土圭測影法”；王充于“司南”后加“之杓”,明示有別于韓非時(shí)代之物[39]。程軍認(rèn)為《韓非子》“司南”為朝見之禮,王充《論衡》“司南”系水浮式木勺盛放磁石,崔豹《古今注》各處“司南”或指禮法或?yàn)闄C(jī)械指南車,自崔豹始司南與指南車被混為一談[40]。李志超認(rèn)為《論衡》“司南”句應(yīng)斷為：司南勺柄投到地上,若杓柢(根)指南,蟲子們就“集地北行”；認(rèn)為這是王充隨便說的,無科學(xué)根據(jù)；《瓢賦》系將磁石放入半個(gè)葫蘆中,水浮指南北,以?！八灸稀保黄洹八灸稀被蚴侵改宪?或是另外的磁指向器；磁石勺方案外形不佳,磁矩大減,柄端粗圓,不利讀數(shù)[41,42]。

此外,還有件事情需要澄清。1952年郭沫若率中科院代表團(tuán)訪問蘇聯(lián)科學(xué)院,欲將磁石勺等作為禮品,委托錢臨照重新制作未果,只好用磁化鎢鋼代替(也有說法是將天然磁石充磁后制成)。這件事情常被用作質(zhì)疑磁石勺指南可行性的依據(jù)。目前關(guān)于此事尚未見到錢臨照本人記述,現(xiàn)有說法都是層層轉(zhuǎn)引,且情節(jié)在不斷增加。但稍加思考便會(huì)發(fā)現(xiàn)疑點(diǎn)：郭沫若為什么不直接用王振鐸的磁石勺作為禮物？錢臨照找到了什么樣的磁石？如果磁石勺方案不可行,為什么還要用鎢鋼勺做禮物,徒有造假之嫌？若把已有的信息組合起來,此事就變得清晰：王振鐸的磁石勺在當(dāng)時(shí)曾經(jīng)常展示,其可行性有目共睹,必是首選；但品相不佳,不宜作為國禮。錢臨照短時(shí)間內(nèi)未能找到好磁石,權(quán)且以鎢鋼或其他方法代之,系折中之舉,并不能否定磁石勺方案的可行性。從常理看,若磁石勺不可行,郭沫若和錢臨照就不會(huì)以該方案為禮物,否則必授人以柄,貽笑大方。錢臨照作為《中國大百科全書·物理學(xué)卷》(1987年第一版)物理學(xué)史分支學(xué)科主編,也不會(huì)在“指南針”條目保留此說。此事在當(dāng)時(shí)看來并無不妥,但日久天長,信息散失,容易被片面解讀；特別是王振鐸的磁石勺從國家博物館被撤展,人們不能再見到實(shí)物展示,加重了疑慮和誤解。

綜上,在未發(fā)現(xiàn)新史料的情況下,尚無法斷定司南是否為磁性指向器。但可以開展實(shí)證研究,判斷在相應(yīng)歷史條件下是否具有技術(shù)可行性。南宋《事林廣記》記載的“指南龜”系用天然磁石實(shí)現(xiàn)指向,已證明天然磁石指向可行性。張蔭麟把漢代文獻(xiàn)與磁性指向聯(lián)系起來,王振鐸提出并實(shí)現(xiàn)了磁石勺指向,逐步推進(jìn)了復(fù)原研究。后來者因未能重復(fù)王振鐸的制作,且受限于科學(xué)理論和測量手段不足(王振鐸：“惜無合宜之量磁儀器,用測其磁性”)([9],259頁),對(duì)磁石勺及其他方案的可行性和優(yōu)劣性存在很大爭議,遺留了很多問題：為什么王振鐸的磁石勺可以有效指南,而別人做不出？今人能做到,古人能否做得到？利用磁石制作指向器還有哪些可行性方案,哪種最貼合古代記載？是否存在否定性證據(jù)表明唐以前不存在磁指向器(或技術(shù))？若這些問題得以解決,就可充分、全面地回答唐代以前是否可能存在天然磁石指向器的問題。

筆者認(rèn)為,磁性指向是一個(gè)力學(xué)過程,取決于磁體所受地磁場力矩和所依托部件對(duì)其產(chǎn)生的阻力矩。前者由磁體磁矩和地磁強(qiáng)度水平分量決定,后者取決于安裝方式和工藝水平,還要綜合考慮適用性和耐用性等。本文綜合多學(xué)科理論深入闡明相關(guān)科學(xué)問題,并以實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)為依據(jù),以求消除爭議,切實(shí)推進(jìn)該領(lǐng)域研究。

2 磁石的科學(xué)認(rèn)識(shí)、田野采集與有效測量

磁石勺指南的關(guān)鍵在磁石剩余磁化強(qiáng)度的大小。已有研究多以化學(xué)成分為辨別依據(jù),將磁鐵礦與磁石完全等同,并沒有開展有效的田野考察獲得具有較強(qiáng)剩磁的磁石。而古人是以剩磁大小這一物理性質(zhì)來判別磁石。這導(dǎo)致已有研究所用磁石與古人的描述差距極大。磁石的剩磁究竟會(huì)有多強(qiáng),如何形成的？前人研究用通電線圈磁化后的鐵礦石,能否代表天然磁石？本節(jié)就這些問題做如下探討。

2.1 對(duì)磁石的科學(xué)認(rèn)識(shí)

什么是磁石？中西方古文獻(xiàn)中都曾描述磁石(慈石)具有吸鐵、互相吸引排斥的現(xiàn)象。如《呂氏春秋·季秋紀(jì)·精通篇》：“磁石召鐵,或引之也”；漢高誘注：“石鐵之母也。以有慈石,故能引其子。石之不慈者,亦不能引也”；《鬼谷子·反應(yīng)篇》：“若磁石之取針”。磁石常會(huì)吸附周邊的鐵礦石碎屑,狀若生毛,如《本草綱目》記載：“磁石其毛輕紫,石上頗澀,可吸連針鐵”[43],成為磁石的顯著標(biāo)志。因此,鐵礦石雖然大都可被磁鐵吸引,但只有能主動(dòng)吸鐵或表現(xiàn)出排斥現(xiàn)象的鐵礦石才符合古人對(duì)磁石的描述。

巖石或礦物的磁性屬于亞鐵磁性*各類物質(zhì)呈現(xiàn)出鐵磁性、順磁性和抗磁性等不同的宏觀磁性；鐵磁性又包括鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性三種類型。,屬于巖石磁學(xué)、磁性礦物學(xué)和古地磁學(xué)的研究范疇。但現(xiàn)代巖石磁學(xué)中沒有“磁石”這種專門礦物。實(shí)際上具有天然剩余磁性的礦物有很多種。依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[44- 48],天然剩余磁性*礦石在成礦時(shí),受當(dāng)時(shí)地磁場磁化,經(jīng)歷漫長地質(zhì)年代,所保留下來的磁化強(qiáng)度稱為天然剩余磁性。的形成需要同時(shí)滿足以下三個(gè)層面的條件：

原子層面：物質(zhì)的磁性都是帶電粒子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,具有鐵磁性(自發(fā)磁化)的根源是原子(正離子)磁矩,主要是電子自旋磁矩。在原子的電子殼層中存在沒有被電子填滿的狀態(tài)是產(chǎn)生鐵磁性的必要條件。例如3d狀態(tài)下,鐵有4個(gè)空位,鈷有3個(gè)空位,鎳有2個(gè)空位。若使充填的電子自旋磁矩同向排列起來,則磁矩分別為鐵4μB,鈷3μB,鎳2μB。

晶體層面：原子組成晶格時(shí),電子互換,相鄰原子磁矩將同向平行排列,從而形成磁化小區(qū)域,即磁疇。錳等元素在3d態(tài)上有五個(gè)空位,但其電子自旋未能同向排列,因此并非磁性元素。磁疇內(nèi)部相鄰原子磁矩若同向平行排列,形成鐵磁性；若不同原子磁矩大小不等,但反向平行排列,仍可有一定的自發(fā)磁矩,即為亞鐵磁性。地球上形成的自發(fā)磁化礦物均為亞鐵磁性的鐵礦石*地球上僅格陵蘭島曾發(fā)現(xiàn)天然鐵,各地偶爾發(fā)現(xiàn)隕鐵,但數(shù)量都極少,都不是磁石。。磁鐵礦與磁赤鐵礦屬于等軸晶系反尖晶石結(jié)構(gòu),磁黃鐵礦屬于六方晶系復(fù)六方雙錐晶類。它們都可形成亞鐵磁性,是飽和磁化強(qiáng)度(Js)最高的三類礦物,其理論值(室溫)為：磁鐵礦(Fe3O4)：92～93emu/g*磁矩和磁化強(qiáng)度的單位有很多種,對(duì)于描述宏觀鐵礦石的磁性,適用高斯制的emu和emu/g.,磁赤鐵礦(γ- Fe2O3)：83.5emu/g,磁黃鐵礦(FeS1+x)18emu/g(x=0.125時(shí))[45]。其他結(jié)構(gòu)鐵礦石的亞鐵磁性都較弱,如鈣鐵榴石等,常見的赤鐵礦(α- Fe2O3,三方晶系剛玉型結(jié)構(gòu))、針鐵礦(Fe2O3H2O,為正交/斜方晶系并結(jié)晶成α相)則極其微弱。實(shí)際上,天然形成的鐵磁性礦物一般具有復(fù)雜的成分,如常含有Ti元素,現(xiàn)代礦物學(xué)常用Fe- Ti- O三元系礦物來描述,Ti元素也會(huì)導(dǎo)致亞鐵磁性降低*磁石常與其他礦物伴生,古人對(duì)此已有認(rèn)識(shí)。如《管子·地?cái)?shù)》：“上有慈石者,下有銅金”。王振鐸認(rèn)為此處的“慈石”應(yīng)當(dāng)為磁黃鐵礦,“銅金”為黃鐵礦([9],63～64頁)。《本草綱目》“玄石”目引秦漢醫(yī)家之《別錄》曰：“玄石生泰山之陽,山陰有銅”,“慈石生山之陰有鐵處,玄石生山之陽有銅處”；記述玄石外觀略與磁石相近,但磁性弱,藥性不同。此處的“玄石”可能是磁黃鐵礦。。

礦石層面：鐵礦石是多種礦物的固溶體或混合物,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。其剩余磁化強(qiáng)度受礦物種類、含鐵量、顆粒大小與形狀、內(nèi)部應(yīng)力、晶體方向,及生成環(huán)境和后期所經(jīng)歷的一種或多種磁化機(jī)理的影響*巖石剩余磁性成形的機(jī)理有原生剩磁和次生剩磁。前者包括熱剩余磁性(TRM)、沉積剩余磁性(DRM)和化學(xué)剩余磁性(CRM)；后者是在巖石生成之后,受外部因素的作用而獲得的,主要有粘滯剩余磁性(VRM)和等溫剩余磁性(IRM)兩種。。各種磁化機(jī)理產(chǎn)生的剩磁差異極大。熱剩余磁化強(qiáng)度(簡稱熱剩磁)是其中磁化效果最強(qiáng)、最主要的一種。它是將巖石加熱到居里點(diǎn)(600～700℃)以上然后在地磁場中冷卻至室溫所獲得的剩磁*若降溫時(shí)只在某一溫度區(qū)間施加外磁場,也可以得到剩磁,稱為部分熱剩磁。。在弱磁場中,熱剩磁比等溫剩磁(如摩擦磁化)強(qiáng)幾十至幾百倍,且具有很高的穩(wěn)定性和極長的弛豫時(shí)間?；鸪蓭r及導(dǎo)生于火成巖的沉積巖鐵礦石由巖漿冷卻而成,可獲得顯著的熱剩磁。在地質(zhì)演化過程中,礦石會(huì)獲得多次熱剩磁,導(dǎo)致磁化強(qiáng)度不均勻、方向不一致,可能具有多個(gè)磁極；或者形成閉合磁路,整體磁性很弱,破開后磁性增加等復(fù)雜現(xiàn)象。這些在本文的系列實(shí)驗(yàn)中多有體現(xiàn)。

實(shí)際上,各種天然鐵礦石多少都會(huì)有一點(diǎn)剩磁,但差別極大,即使是磁鐵礦、磁赤鐵礦與磁黃鐵礦,其大多數(shù)的天然剩余磁性也很弱,能夠吸鐵及互相吸引、排斥的只是少數(shù),而且無法達(dá)到理論上的飽和磁化。

磁石的性質(zhì)與后來的摩擦磁化磁針(屬于等溫磁化)、現(xiàn)代充磁機(jī)一次性均勻磁化的鐵氧體或釹鐵硼磁體的性質(zhì)完全不同。有文獻(xiàn)對(duì)磁石形成機(jī)理認(rèn)識(shí)不夠,導(dǎo)致其實(shí)驗(yàn)存在一定偏差。如試圖通過模擬地磁場或稍高的磁場,想在常溫下為一般鐵礦石或較弱的磁石充磁。這樣自然是沒有效果的。第一,要看鐵礦石是否屬于前述三種；第二,原本沒有天然剩磁的鐵礦石,其晶體或礦物顆粒的方向一致性本來就很差,難以具有整體剩磁；第三,磁石的天然剩磁屬于熱剩磁,是從高溫緩慢冷卻結(jié)晶成礦時(shí)獲得的,只有完全模擬這一變溫過程,才能起到效果。

2.2 磁石的采集與成分分析

課題開展以來,筆者多方考察尋找磁石礦。古文獻(xiàn)多記載河北武安磁山產(chǎn)磁石。當(dāng)?shù)匾卜Q其為紅山,歷代均有開采,但規(guī)模較小,在周邊存留多處古代冶鐵遺跡,年代不明[49]。鐵礦體裸露地表,夾雜石榴石[49,50]。1915年起,安特生(J. G. Andersson,1874～1960)等曾來此考察。1936年商辦政和實(shí)業(yè)公司在此創(chuàng)辦永安鐵廠；1943年起,“日鐵礦業(yè)所”在此先后建立多個(gè)開采場；1951年起復(fù)采,1983年采完廢棄[51]。山頂遺留直徑約200余米礦坑,現(xiàn)被用作垃圾填埋場。山坡散落零星鐵礦石,其剩磁都極其微弱,僅能將懸吊的縫衣針吸引較小的角度,莫氏硬度為6～7。

筆者在河北省張家口市龍煙鐵礦區(qū)內(nèi),發(fā)現(xiàn)幾處具有較高剩磁的磁石礦。其中主要一處礦井現(xiàn)已被封閉。周邊堆積大量待出售的礦石,呈致密塊狀、顆粒狀結(jié)構(gòu),表面吸附了很多礦石碎屑,前后連接如毛狀(圖2),與古文獻(xiàn)記載相合。用劃痕法測定,礦石的莫氏硬度6～7。

用X射線衍射法分析,磁山采集的礦石主要成分為鈣鐵榴石(表1)*鈣鐵榴石多產(chǎn)在接觸變質(zhì)的石灰?guī)r和大理巖中,由含鐵的溶液將巖石中的鈣置換而成；部分也產(chǎn)于正長巖、蛇紋巖和綠泥石片巖中,與磁鐵礦共生,具有微磁性。。據(jù)記載,王振鐸制作的磁石勺即用磁山礦石制作。筆者對(duì)王振鐸所用磁石的剩余材料進(jìn)行X射線衍射法分析,成分基本一致(圖3)。龍煙鐵礦區(qū)采集的磁石主要成分為磁赤鐵礦,含少量針鐵礦和二氧化硅(圖4,表2)*分析委托北京北達(dá)燕園微構(gòu)分析測試中心進(jìn)行。采用X射線衍射儀(D/max- rB),算法標(biāo)準(zhǔn)：“SY/T 5163- 2010 沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法”。。

圖2 龍煙礦區(qū)一處鐵礦場及磁石

圖3 磁山礦石樣品X射線衍射圖譜

成分全鐵含量TFe鈣鐵榴石Ca3Fe2[SiO4]3磁鐵礦Fe3O4赤鐵礦Fe2O3石英SiO2含量17%87%5%7%1%

圖4 龍煙礦區(qū)磁石樣品X射線衍射圖譜

成分全鐵含量磁赤鐵礦γ-Fe2O3針鐵礦Fe2O3H2O石英SiO2含量62%76%11%13%

磁石是勘探鐵礦的顯著標(biāo)識(shí),因此易開采的磁石資源消耗很快?！侗静菥V目》引北宋蘇頌語：“今北番以慈石作禮物”[43],表明北宋時(shí)中原地區(qū)易開采的磁石已相對(duì)稀缺；龍煙鐵礦區(qū)附近有遼代至明代的上倉冶鐵遺址[52,53],不排除該文獻(xiàn)記載的北番磁石即來自此處。磁石逐漸稀缺也可能是磁針式指南針出現(xiàn)的原因之一,詳見本文第6節(jié)。

2.3 古文獻(xiàn)記載的磁石磁性考察——吸鐵試驗(yàn)

古人利用的磁石磁性如何,與筆者收集的磁石相比,孰強(qiáng)孰弱？本節(jié)通過文獻(xiàn)記載和吸鐵實(shí)驗(yàn),對(duì)此做了比較。

據(jù)劉宋雷敩著《雷公炮炙論》*劉宋雷敩《雷公炮炙論》撰于5世紀(jì),元時(shí)亡佚,內(nèi)容散見于宋、明本草；1924年重輯,存1932年成都益生堂刻本；今有施仲安校注本(江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,1985年)和尚志鈞輯校本(上海中醫(yī)學(xué)院出版社,1985年)。描述磁石磁性的文獻(xiàn)還有：梁陶弘景《本草經(jīng)集注》(公元500年)：“今南方亦有好者,能懸吸針,虛連三、四者為佳”。唐蘇敬《新修本草》(公元659年)：“初破好者,能連十針,一斤刀鐵,亦被回轉(zhuǎn)”。五代韓保昇《蜀注本草》：“吸鐵虛連是數(shù)針,乃至一二斤刀器,回轉(zhuǎn)不落?！彼翁K頌《本草圖經(jīng)》：“能吸鐵虛連十?dāng)?shù)針,或一二斤刀器回轉(zhuǎn)不落者尤真”。中的記載：

夫欲驗(yàn)者,一斤磁石,四面只吸鐵一斤者,此名延年砂。四面只吸得鐵八兩者,號(hào)績未石。四面只吸得五兩以來者,號(hào)曰磁石。[54]*有版本將“斤”作“片”(系審稿人指出)。筆者考北宋《證類本草》、《大觀本草》、《政和本草》,作“斤”；明代《本草綱目》作“片”。顯然“斤”更為準(zhǔn)確、實(shí)用；“片”大小不定,出現(xiàn)于明代,當(dāng)為“斤”之誤。磁石吸鐵量與磁體的開路磁化強(qiáng)度、體積、形狀,以及被吸鋼鐵的磁導(dǎo)率以及間隙大小有關(guān)。

這段文字用吸鐵量來衡量磁石磁性*古代還用磁石吸鐵的方法來檢測鐵礦石含鐵量,先將礦石加工為粉末,用磁石多次吸取,吸得比例越高,表明含鐵量越高。。磁石“四面”吸鐵,即用全部外表面來吸鐵顆粒。已知鐵顆粒越細(xì),間隙越小,被吸的總質(zhì)量越多；顆粒越接近球形,其堆積間隙體積比例越大,被吸的總質(zhì)量越小。本節(jié)用容易被吸的0.01mm鐵粉和不易被吸的1mm鐵珠進(jìn)行吸鐵試驗(yàn)，來評(píng)估磁石的磁性范圍。若古人用更大即更不容易被吸的鐵顆粒也能吸取同樣的重量,說明其所用磁石磁性更強(qiáng)。南朝度量衡沿用新莽古制,一斤合222.8g(吳承洛：《中國度量衡史》)或220g(《中國科學(xué)技術(shù)史》“度量衡卷”)。

用接近、略高及顯著高于220g的6塊隨機(jī)形狀磁石(①～⑥號(hào))進(jìn)行吸鐵測試。其方法：把磁石埋進(jìn)鐵粉,輕拿起來,使吸附不牢的鐵粉自然脫落(圖5),測量吸鐵質(zhì)量。每塊重復(fù)測量12次,磁石參數(shù)及吸鐵結(jié)果見表3。與古文獻(xiàn)描述的磁石相比,本課題所收集磁石的剩余磁化強(qiáng)度處于上中等的層次,較好地模擬了古人所用磁石。實(shí)驗(yàn)也顯示細(xì)長狀磁石磁路更長,吸鐵能力下降。雖然古文獻(xiàn)未說明其所用磁石的形狀,但若古人用此形狀磁石也能吸取同樣的鐵,說明其磁石磁性更強(qiáng),更有利于磁性指向,會(huì)更加支持本文的研究結(jié)果。

圖5 磁石吸鐵試驗(yàn)(鐵顆粒度：0.01mm、1mm)

磁石序號(hào)①②③④⑤⑥質(zhì)量(g)215.55218.12233.89352.98353.14628.08體積(cm3)45.6445.2250.2175.0375.13135.75密度(g/cm3)4.724.824.664.704.704.63N極最大表磁(Gs)672520.3581.1586.4752.2639.8S極最大表磁(Gs)403.4304.3425.5386.2597.3894.80.01m鐵粉平均吸鐵量(g)197.12206.57243.08110.4742.81401.61吸鐵質(zhì)量比0.910.880.690.310.20.641mm鐵珠平均吸鐵量(g)141.5204.36236.6977.0431.5446.32吸鐵質(zhì)量比0.660.870.670.220.140.71

說明：表磁測量使用北京翠海佳誠CH- 1600高精度數(shù)字化高斯計(jì)。

2.4 研制磁矩測量裝置

在磁石的各項(xiàng)磁學(xué)參量中,決定其在磁場中受力矩大小的是磁矩。現(xiàn)有的磁矩測量裝置中,“亥姆霍茲線圈-磁通計(jì)”法要求被測磁體為正方體、圓柱體或圓環(huán)狀；也有設(shè)備理論上可以測量任何形狀,但其檢測腔只能容納小于1cm的樣品。本研究使用的磁石形狀不規(guī)則、尺度為10cm級(jí)別,現(xiàn)有設(shè)備無法測量其磁矩。劉秉正和林文照的文獻(xiàn)中用表磁(表面磁感應(yīng)強(qiáng)度)來代替磁矩。表磁表示磁體表面某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,與磁矩量綱不同,且非嚴(yán)格同增同減關(guān)系。

本課題自主研制了一種磁矩測量裝置*本裝置已申報(bào)國家發(fā)明專利,申請(qǐng)?zhí)?專利號(hào)：201710144060.4。(圖6、7)。該裝置對(duì)磁石形狀沒有要求,適宜尺度范圍1～10cm。其原理是：把該裝置放在大型亥姆霍茲線圈*亥姆霍茲線圈可在一定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場,本研究所制線圈為一維二環(huán)正方形,繞線線徑0.60mm,線圈物理邊長800mm,單線圈匝數(shù)174,總線圈電阻(20℃)69.4Ω。用北京翠海佳誠磁電科技有限公司生產(chǎn)的磁通門計(jì)測定,其均勻度：邊長10cm3正方體空間內(nèi)均勻度99.4%；20cm3正方體空間內(nèi)均勻度98.2%；“磁場-電流”公式(含地磁場)：B=3.49I+271.21mGs(B——線圈中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度,單位：mGs；I——線圈電流強(qiáng)度,單位mA)。中,把磁體置于吊盤上,使其南北極沿外磁場的東西向固定放置,受到的磁場力矩均等傳遞到兩個(gè)電阻應(yīng)變片上。逐級(jí)增加磁場水平分量,對(duì)“力矩-磁場”進(jìn)行線性擬合,擬合直線的斜率與磁矩成正比。經(jīng)標(biāo)定,即可測量磁石磁矩并計(jì)算磁化強(qiáng)度。經(jīng)測定,本磁石磁矩測量裝置的線性度：最大偏差2.50%,重復(fù)性：標(biāo)準(zhǔn)差為平均值的1.416%(0.100A,0.637Gs時(shí)),有效精度0.01emu。此外,亥姆霍茲線圈也可用于古地磁場模擬(見第3、4節(jié))。

磁石的各向異性程度不等,常出現(xiàn)多個(gè)磁極。對(duì)指向起作用的是各磁偶極矩所受力矩的矢量和,即便其表磁、吸鐵量都很大,然指向性能不見得好。本裝置實(shí)質(zhì)上是測量磁石所受的力矩矢量和,再換算成磁矩,得到的磁化強(qiáng)度是整體矢量平均值,有效避開了用電磁感應(yīng)原理測量磁石磁矩時(shí)需要考慮的磁感線復(fù)雜性影響,能直接、準(zhǔn)確地衡量磁石的指向性能。

圖6 磁石磁矩測量裝置

圖7 一維方形亥姆霍茲線圈

3 古代地磁場水平方向分量演變

對(duì)磁性指向起作用的是地磁場在水平方向的分量,即地磁場總量與地磁傾角余弦值的乘積,屬于三重函數(shù)非線性疊加,地磁場總量和地磁傾角的波動(dòng)極易被顯著放大,有可能對(duì)磁性指向效果產(chǎn)生重大影響,然而已有指南針研究文獻(xiàn)對(duì)這一點(diǎn)未能給予足夠重視。如劉秉正認(rèn)為中原地區(qū)地磁三要素(地磁總強(qiáng)度、地磁偏角、地磁傾角)的古今差別不超過30%,對(duì)指南性能影響不大[21]。古地磁學(xué)的發(fā)現(xiàn)與研究表明,地球磁場存在著復(fù)雜變化,如磁極移動(dòng)、強(qiáng)度變化乃至磁極翻轉(zhuǎn)。地磁三要素的變化有長周期也有短周期,既有整體性變化也有局部性變化。對(duì)歷史時(shí)期燒土(如古陶、窯磚、灶、瓦片)的熱剩磁分析,發(fā)現(xiàn)在2000年前左右各地的地磁強(qiáng)度普遍為一高峰域,大于現(xiàn)代值50%左右,法國、俄羅斯、日本的數(shù)據(jù)接近；地磁傾角也經(jīng)歷千年周期循環(huán),各地曲線特征相近,但相位不同[55]。

20世紀(jì)60年代和80年代,中國學(xué)者實(shí)測發(fā)現(xiàn)兩千多年來北京和洛陽地磁場較強(qiáng)時(shí),地磁傾角較小[56,57],恰形成了較大的地磁場水平分量。2016年新發(fā)表文獻(xiàn)中,對(duì)天水地區(qū)的實(shí)測數(shù)據(jù)[58]也體現(xiàn)出這一趨勢(shì)。本文依據(jù)上述文獻(xiàn)中地磁場總量和傾角數(shù)據(jù)計(jì)算了地磁場水平分量。結(jié)果顯示,兩千多年來,北京、洛陽、天水的地磁場水平分量呈顯著M形變化(圖8),峰值幾乎是谷值的兩倍多。公元前4世紀(jì)至公元6世紀(jì)初為高峰期,《論衡》正成書于此；北宋和現(xiàn)代處于低谷期。北京、洛陽、天水圍成的區(qū)域包括了華北、中原和關(guān)中平原，是先秦至唐代中華文明核心區(qū)域。這些數(shù)據(jù)較為全面地反映了古代地磁場演變狀況。本文用2.4節(jié)亥姆霍茲線圈模擬古代磁場，做了系列指向測試。

圖8 近兩千年來北京、洛陽及天水地磁場水平方向分量演變(據(jù)文獻(xiàn)[56- 58]計(jì)算)

4 磁石勺“司南”的制作與指向測試

古代工藝條件下磁石的可切削性及加工退磁程度如何？磁石勺方案在不同地磁環(huán)境下指向性能及對(duì)地盤硬度、光滑程度要求如何？本節(jié)通過復(fù)原實(shí)驗(yàn)和定量分析得到確定的答案。

4.1 磁石勺加工

石器時(shí)代以來,古人積累了豐富的石器加工經(jīng)驗(yàn)。微痕分析和復(fù)原實(shí)驗(yàn)表明紅山、良渚時(shí)代已經(jīng)出現(xiàn)了研磨、刻劃、線性切割和鉆孔等方法,使用水和砂,經(jīng)過鍘、鏨、沖、壓、勾、順等工序,可完成精細(xì)復(fù)雜的切割、開槽、穿孔、拋光等工作[59,60]。青銅時(shí)代和鐵器時(shí)代以來,金屬工具的使用極大地提高了石器加工效率和復(fù)雜程度,這在漢畫像石技法上有充分體現(xiàn)[61,62]。明代《天工開物》記載用坨(圓鐵盤)和解玉砂切割玉石[63]；據(jù)法國傳教士記載,清代用此法可輕而易舉地切割磁石,效率極高[64]?？梢?先秦以來,將磁石加工成勺狀、底部拋光不存在任何技術(shù)困難,且制作效率在逐步提高。古代切割、琢磨工藝屬于低速摩擦,并配合水冷,工藝本身造成的退磁會(huì)很小。

筆者仿照古代工藝條件制作了2枚磁石勺。1號(hào)勺為技術(shù)驗(yàn)證品,用5號(hào)磁石制成,勺體選向隨磁石外形而定,成形后勺柄指西北。2號(hào)勺為正式產(chǎn)品,用6號(hào)磁石按照一定工序制成,勺柄指南。以2號(hào)勺為例,其制作要領(lǐng)：選用細(xì)長形、無裂紋、只有兩個(gè)磁極且南北兩極沿長度方向分布的磁石；用細(xì)線將磁石懸吊起來,靜止后沿地理南北方向在磁石上畫一條線,在線的兩側(cè)對(duì)稱畫出勺狀輪廓,再逐次打磨成形。為了提高指向靈敏度,勺底球面半徑應(yīng)盡量小,但過小會(huì)導(dǎo)致勺體容易傾覆,需要挖勺窩以降低重心。由于勺柄不能太細(xì),又容易傾斜觸地,所以接近于勺柄一側(cè)勺窩要深一些,使質(zhì)心保持在勺體中心。最后將勺底打磨成光滑的球面(圖9)。

切削工具先后使用繩砂和旋轉(zhuǎn)式切割機(jī),均為水冷、低速切磨,其工藝水平與古代相同。打磨勺窩使用羅機(jī)和磨頭,勺底球面加工使用銼和1200目砂紙。本研究采集的磁石可切削性良好,只要磁石選材無明顯裂紋,幾乎不存在破碎、開裂現(xiàn)象。常有文獻(xiàn)對(duì)此表示疑慮,其實(shí)只要礦石結(jié)構(gòu)合適,大可不必?fù)?dān)心。

據(jù)本實(shí)驗(yàn)加工過程來估測：對(duì)于熟練工,1枚8厘米大小的磁石勺產(chǎn)品,用繩砂法大約10日可完成,用鋼絲繩法約5日可完成,用坨具2日即可完成。相比磁石勺可能帶來的收益,此人力成本并不高。古人會(huì)更有耐心地將磁石勺外形琢磨得更加精細(xì)。

圖9 1號(hào)磁石勺(Ⅰ)及2號(hào)磁勺的制作過程(Ⅱ～Ⅳ)

4.2 磁石加工退磁的測量與分析

2號(hào)磁石勺制作中以及成形后的磁性變化參數(shù)見表4,數(shù)據(jù)顯示磁石磁性變化并不簡單。短時(shí)間內(nèi),由切割、打磨造成的退磁很輕微,似乎磁化強(qiáng)度會(huì)偶有提升；長時(shí)間后退磁明顯,但最終又穩(wěn)定下來。筆者認(rèn)為,磁石的剩余磁性來源于熱剩磁效應(yīng),是從居里點(diǎn)以上降溫過程中得到的,礦石凝固后,磁性被“凍結(jié)”在磁石內(nèi)部。低溫切割、打磨不會(huì)對(duì)剩磁產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。磁石在開采過程中都已經(jīng)歷過捶打、爆破,裝運(yùn)中也經(jīng)歷劇烈摩擦、碰撞,采集后還具有顯著的磁性。相比之下，低溫切割不會(huì)產(chǎn)生大的影響。成形之初,2號(hào)磁石勺的開路磁化強(qiáng)度似乎略有提高,可能因?yàn)榇舜螠y量不夠精細(xì)、重復(fù)性不佳,也可能與磁石磁化不均勻或局部方向不一致有關(guān),即剩余部分磁石磁化強(qiáng)度更高或方向更一致。成形后一段時(shí)間,磁化強(qiáng)度有所降低,一段時(shí)間后穩(wěn)定于80.3%；到第289日后仍保持此水平。筆者認(rèn)為此變化是磁石形狀改變引起的,即形狀改變后,磁石內(nèi)部原有的磁勢(shì)平衡被破壞,向低能態(tài)發(fā)展,直到重新平衡,便保持穩(wěn)定。第500日繼續(xù)加工,將勺底形狀優(yōu)化,使其經(jīng)受較大晃動(dòng)而不會(huì)傾倒,加工量很小,磁矩略有減小,但磁化強(qiáng)度直至第530日未發(fā)生改變。

此外,本課題還做了大量對(duì)比試驗(yàn),如用繩砂切割的方法將4號(hào)磁石加工為細(xì)長狀長方體、再將兩端磨尖。其磁化強(qiáng)度變化趨勢(shì)與2號(hào)勺相近。這表明天然形成的磁石穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于摩擦磁化指南針。已有研究所依據(jù)的磁體經(jīng)驗(yàn)來源于人工摩擦磁化,這些認(rèn)識(shí)不適用于磁石。制作過程中發(fā)現(xiàn)天然磁石內(nèi)部磁化方向有差異,最終產(chǎn)品的磁極方向不一定與原磁石相同,可能導(dǎo)致勺柄指向與預(yù)設(shè)方位有一定偏差。但可以在加工過程中隨時(shí)檢測,調(diào)整切割位置,及時(shí)校正方向。作為對(duì)比,王振鐸磁石勺的磁矩和磁化強(qiáng)度等參數(shù)見表5。

表4 2號(hào)磁石勺加工中及后期磁性變化

表5 王振鐸磁石勺參數(shù)

4.3 地盤制作與參數(shù)測量

地盤對(duì)磁石勺的阻力取決于地盤表面硬度和粗糙度,也是指向性能的決定性因素之一。

王振鐸方案使用的青銅地盤表面光滑。中國古代青銅鏡制作技藝高超、使用普遍,不存在技術(shù)困難。青銅的硬度在一定范圍內(nèi)隨含錫量的增加而提高,唐以前銅鏡錫含量約為10%～24%[65]。鏡面拋光以細(xì)土和木炭粉為研磨劑,可接近光學(xué)平面,有一定映照能力,早期如此即可使用；秦漢后常在表面涂錫,用白旃(氈)打光,效果更佳。如《淮南子·修務(wù)訓(xùn)》記載：“明鏡之始下型,朦然未見形容,及其粉以玄錫,摩以白旃,鬢眉微毫可得而察”。

為了比較各類材質(zhì)和加工程度地盤對(duì)磁勺指向的影響程度,準(zhǔn)備了4種地盤,打光用1200目砂紙,拋光用白氈和木炭粉,可勉強(qiáng)照容,接近光學(xué)平面。硬度測量使用里氏硬度計(jì),表面粗糙度的測量用粗糙度計(jì),結(jié)果見表6。

表6 地盤參數(shù)表

* 使用亞測(上海)儀器科技有限公司TH170筆式硬度計(jì)；多點(diǎn)測量取平均值。

** 使用廣州蘭泰儀器有限公司 SRT- 6200(10μm測針),Ra：單次測量區(qū)間平均粗糙度,Rz：單次測量區(qū)間最大粗糙度；多點(diǎn)測量取平均值。

4.4 磁石勺指向性能測試

測試方法：將地盤放置在地磁模擬裝置(2.4節(jié)所制亥姆霍茲線圈)中央,將2號(hào)磁石勺放置于地盤中央(圖10)。調(diào)節(jié)電流設(shè)定相應(yīng)地磁場水平分量。將勺柄指向正東,用適當(dāng)?shù)牧ο蛳掠|動(dòng)勺柄,勺體就會(huì)在磁場力作用下一邊水平轉(zhuǎn)動(dòng),一邊垂直擺動(dòng)(即王振鐸所言“播動(dòng)”),最終指向一個(gè)方位；再將勺柄分別指向正西、正北,重復(fù)操作。為了提高測量精度,在勺柄安裝細(xì)銅絲,地盤下面墊全圓量角器。

由于磁石勺磁矩發(fā)生變化,本文做了多次指向測試。其中,磁矩穩(wěn)定后(磁化強(qiáng)度約15emu/g)指向偏差度見表7結(jié)果顯示。在古代高地磁水平分量時(shí)(0.632Gs,約東漢時(shí)期),磁石勺有著極佳的可用性,在4種材質(zhì)表面上,無需人為觸動(dòng)勺體,僅借助磁場力即可有力轉(zhuǎn)動(dòng)自動(dòng)指南。在古代中等地磁水平分量時(shí)(0.4～0.5Gs,約戰(zhàn)國至西漢,及南北朝至唐前期),磁石勺在青銅表面仍有上佳表現(xiàn),可自主轉(zhuǎn)動(dòng)指南；在大理石、榆木表面需要觸碰一、兩下勺柄,助其啟動(dòng),然后自動(dòng)指南。在低地磁水平分量時(shí)(0.276Gs,北宋及現(xiàn)代),磁石勺在拋光的青銅表面仍可自主啟動(dòng),但指向存在一定偏差,人為觸動(dòng)勺柄可繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),最終指向性依然很好；在砂紙打光的青銅、大理石、榆木表面上自主啟動(dòng)比較費(fèi)力,但觸動(dòng)勺柄后,仍具有一定的指向效果。

圖10 磁石勺青銅地盤指向試驗(yàn)

地磁強(qiáng)度水平分量/Gs0.6320.50.40.276地盤ⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣ正西啟動(dòng)-2002-22-2332-1-5-34-16121-4234413-3612442-3-2332-42043542-562312-2-2233214224112-2313-3-512-331524正北啟動(dòng)3-1-22-1-32-41-34-5375212-3-32-23-2-1-2-4-623-4-5114-11-1-251-323-314-42-114-3-23-5-2-124-138-322-22-23-23-231244-1-1正東啟動(dòng)332-313-21-1-22-41-3-3-6121222-2-2-22114-3-54233232-401324-3-2671-235012131-114-25921221122033-52416分布范圍567966810578127101315標(biāo)準(zhǔn)差2.292.502.753.522.442.783.574.082.203.133.075.343.434.255.466.32

*指向偏差正值表示南偏西,負(fù)值表示南偏東。

5 磁石指向器其他可能性方案制作與指向測試

有學(xué)者認(rèn)為,磁石指向器不必拘泥于勺狀方案,采用水浮或懸吊的方式或可更好用。誠然,古人若用磁石制作指向器,必然進(jìn)行了多種探索試驗(yàn)。磁石指向器的安放方式不外乎三種可能：懸吊、水浮和支撐。本節(jié)開展了系列模擬實(shí)驗(yàn),對(duì)此三種方式的技術(shù)可行性和適用性進(jìn)行了綜合比較和評(píng)估*由于篇幅所限,本節(jié)實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)過程和數(shù)據(jù)從略。。

5.1 磁石水浮指南實(shí)驗(yàn)

唐代韋肇《瓢賦》、南宋《事林廣記》指南魚等記載顯示出水浮式磁石指向器具有可行性；程軍、李志超也提出了水浮式“司南”設(shè)計(jì)方案[40,42]；近來,聞人軍根據(jù)宋殘本“酌”字記載,用磁化鋼針和花生殼做了指向測試[36]。水浮法的可行性毫無疑問,而且水的阻力體現(xiàn)為粘滯阻尼,阻尼力與速度正相關(guān),具有兼顧快速響應(yīng)和靈敏指向的潛在優(yōu)勢(shì),但是否存在其他不利因素,需要實(shí)驗(yàn)探索。

分別將7號(hào)磁石(11.13g,124.28emu)置于圓形木塊上(圖11),8號(hào)磁石(5.14g,60.76emu)裝在小葫蘆里,9號(hào)磁石(86.40g,1474.92emu)裝在較大葫蘆里(圖12)進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示,磁石水浮法指向是可行的,可以實(shí)現(xiàn)固定指向；以葫蘆為載體轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼更大,可以快速定向；但在水的表面張力作用下,浮塊很難穩(wěn)定在水盆中央,極易接觸水盆邊緣,導(dǎo)致失?。黄◇w越大,此現(xiàn)象越嚴(yán)重。正如王振鐸所言,傳統(tǒng)磁針式水羅盤也有此弊端[66],而且需要提前盛水,也有不便,即水浮法適用性有一定不足。

5.2 磁石懸吊指向?qū)嶒?yàn)

西漢《淮南萬畢術(shù)》(公元前2世紀(jì)成書)云：“取亡人衣帶裹磁石,懸井中,亡人自歸”。有觀點(diǎn)認(rèn)為這是將磁石懸吊起來指向,形成一項(xiàng)禮俗活動(dòng)寄托對(duì)親人的思念,體現(xiàn)了磁石指極性的早期認(rèn)識(shí)([33],128,139頁)；也有人認(rèn)為古代并無此類禮俗,是好事者據(jù)此現(xiàn)象而杜撰[21]。無論是否存在此種禮俗,但古人確實(shí)做過懸吊磁石的試驗(yàn)。3.2節(jié)和4.1節(jié)已經(jīng)顯示磁石懸吊后確實(shí)具有指向性。如果將其用于實(shí)際指向,吊繩內(nèi)部扭矩是否影響指向準(zhǔn)確性,有沒有其他技術(shù)困難？

用2mm粗的麻線將多塊不同形狀的磁石分別捆綁懸吊起來,令N、S兩極處于水平面；置入古地磁場模擬裝置中,將地磁場水平分量在現(xiàn)代值與公元前2世紀(jì)對(duì)應(yīng)值間調(diào)節(jié),觀察磁石轉(zhuǎn)動(dòng)情況(圖13)。結(jié)果顯示,無論是當(dāng)代磁場還是古代磁場強(qiáng)度下,磁石不受麻繩扭矩影響,都會(huì)有固定的朝向。但磁石的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和初始角動(dòng)量較大,空氣阻尼太小,數(shù)分鐘后磁石才會(huì)完全穩(wěn)定,需要用手多次輔助制動(dòng)；磁石易受氣流沖擊或麻繩晃動(dòng)而不穩(wěn)定。

從《淮南萬畢術(shù)》的記載和本文實(shí)驗(yàn)綜合來看,西漢人應(yīng)當(dāng)發(fā)現(xiàn)了磁石指向現(xiàn)象,才會(huì)有此應(yīng)用。但磁性指向是否有指南等其他形式的應(yīng)用,還需考證。

5.3 金屬勺盛放磁石指向?qū)嶒?yàn)

與水浮和懸吊法相比,勺狀方案具有獨(dú)特的優(yōu)越性,但加工費(fèi)時(shí),且有一定的磁性損失。金屬材料的硬度、表面光滑性、可加工性均優(yōu)于石質(zhì)材料。若將磁石置于金屬勺內(nèi),效果如何？在先秦至唐宋技術(shù)背景下,勺體以銅、鐵為材質(zhì)的可能性最大。用這些材料做如下實(shí)驗(yàn)。

制作了大小兩個(gè)紅銅勺體,底面用1200目砂紙磨光,用白氈和木炭粉打磨至勉強(qiáng)照容狀態(tài)。將10號(hào)磁石(30.15g,899.71emu)、11號(hào)磁石(239.19g,4031.43emu)分別放置于小、大銅勺內(nèi),放置在地盤表面進(jìn)行指向試驗(yàn)(圖13)。結(jié)果顯示,在當(dāng)代地磁環(huán)境下,兩個(gè)銅勺都具有一定的指向性；在古代地磁分量水平較高時(shí)期,其指向性更好。但其缺點(diǎn)也很明顯：銅勺自身質(zhì)量明顯降低了整體平均磁化強(qiáng)度,磁石盛放在勺窩內(nèi)提高了整體重心；為防傾覆,勺底球面半徑顯著大于磁石勺,又降低了靈敏度；將銅勺做得輕薄一些,雖有助于提升實(shí)用效果,但整體效果和美觀程度還是不及渾然一體的磁石勺方案。

制作了5枚鐵勺(1～5號(hào)),勺部容積和整體長度依序增加；用1200目砂紙打光,再用白氈和碳粉拋光接近照容狀。將12號(hào)磁石(48.05g,771.34emu)先后放置在每個(gè)磁石勺上,S極朝向勺柄側(cè)。再進(jìn)行指向測試(圖15,操作方法與銅勺方案相同)。結(jié)果顯示,1、2、3號(hào)鐵勺具有一定的指向性,而4、5號(hào)則基本沒有指向性；測量發(fā)現(xiàn)整體磁矩減小為原來的9.16%～38.99%。本文認(rèn)為：鐵具有很高的磁導(dǎo)率,可將多數(shù)磁感線匯聚在勺體內(nèi)構(gòu)成閉合磁路,整體開路磁矩和平均磁化強(qiáng)度顯著減小,勺體越大,匯聚越強(qiáng)。用鐵勺來提高指向性反而起了負(fù)作用。

5.4 鐵勺磁化指向?qū)嶒?yàn)

鐵的飽和磁化強(qiáng)度遠(yuǎn)高于磁石。磁針式指南針因此具有上佳的指向性。有研究者猜測司南也可能是以天然磁石將鋼勺摩擦磁化而成[67]；近來又用釹鐵硼磁鐵和鐵氧體磁鐵摩擦磁化鋼勺進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),認(rèn)為其指向誤差在10°以內(nèi)[68]。古代鋼鐵都是鐵碳合金,其飽和磁化強(qiáng)度與含碳量、熱加工造成的鐵碳合金固溶體形態(tài)及內(nèi)應(yīng)力有關(guān)[69],與摩擦剩磁與外磁場、鐵制品質(zhì)量大小等有關(guān)。用天然磁石摩擦鋼勺,剩磁能達(dá)到何種程度,指向性如何？實(shí)驗(yàn)如下：

勺體材質(zhì)：10#碳素鋼、45#碳素鋼；勺形：短柄、長柄(圖16)、雙柄；成形方法：剪出勺體輪廓,冷鍛成形,下底接近球面,打磨整齊；質(zhì)量：1.88～3.36g；熱處理方式：不加熱、退火、中溫淬火(400℃)*試驗(yàn)中曾在居里點(diǎn)以上高溫度(830℃)淬火,探索淬火溫度對(duì)矯頑力的影響,但鐵勺碎裂,無法使用,說明對(duì)于體積較小的鐵勺,不宜進(jìn)行高溫淬火。；表面加工：下底面用1200目砂紙打磨光滑,用白氈和木炭粉拋光接近照容狀。將勺柄、勺頭的頂端分別在磁石N、S極(最大表磁700Gs)摩擦各約1分鐘。將鐵勺放置在I號(hào)銅地盤中央,勺柄指向北方或東、西方向,輕輕觸動(dòng)勺頭,使其晃動(dòng)。結(jié)果顯示,部分含碳量高、經(jīng)過淬火的鋼勺有一定的指向性,但誤差在10°上下；含碳量低、經(jīng)過退火的鋼勺剩磁很低,幾乎沒有指向性。

測量發(fā)現(xiàn),多數(shù)鋼勺的剩余磁化強(qiáng)度介于1.86～2.77emu/g之間,略低于王振鐸磁石勺；含碳量和淬火溫度最高的鋼勺剩磁為3.20emu/g,但淬火導(dǎo)致其外表黝黑、皸裂,品相很差。其剩磁均比本文所用磁石低一個(gè)數(shù)量級(jí),遠(yuǎn)不及熱剩磁形成的天然磁石。王振鐸制作的磁石勺剩磁雖然也不很高,但磁矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量遠(yuǎn)大于鐵勺,有較長的“播動(dòng)”時(shí)間以完成指向。鋼勺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,“播動(dòng)”時(shí)間短,指向性不佳；若鐵勺質(zhì)量過大,剩磁強(qiáng)度必將更??；若勺體太小(≤1cm),又不實(shí)用。如果鋼勺小到極端做成磁針,用懸吊或水浮法,磁化效果和指向效果會(huì)好很多,就變成了羅盤。總之,鋼勺摩擦磁化,一定程度上具有指向性,但性能和綜合效果不及磁石勺。

圖11 片狀磁石水浮指向測試

圖12 大葫蘆裝磁石指向測試

圖13 磁石懸吊指向試驗(yàn)

圖14 10號(hào)磁石與小銅勺指向試驗(yàn)

圖15 鐵勺盛放磁石指向測試

圖16 磁化鐵勺指向試驗(yàn)

6 討 論

第一,實(shí)驗(yàn)顯示“磁石勺”司南方案是可行的,且是以磁石為材料的各類指向器中的最佳設(shè)計(jì)方案。

實(shí)驗(yàn)表明,王振鐸制作的磁石勺可以指南。其他人未能重復(fù)該實(shí)驗(yàn)的主要原因是沒有找到合適的磁石。當(dāng)今地磁環(huán)境下,開路磁化強(qiáng)度≥15emu/g磁石勺狀制品可具有極佳的指向性；在秦漢時(shí)期的可用資源、技術(shù)工藝和地磁環(huán)境下,在華北、中原及關(guān)中地區(qū),磁石勺的指向性優(yōu)于現(xiàn)代,假定磁石的天然剩余磁化強(qiáng)度分布比例接近正態(tài)分布,則當(dāng)時(shí)可用磁石材料的礦源數(shù)倍于當(dāng)代。王振鐸的磁石勺剩磁偏弱,需要放在光滑的青銅表面,故將“司南之杓,投之于地”的“地”釋作青銅軾盤。本文實(shí)驗(yàn)表明，在秦漢時(shí)期,平整光滑的磚石地面、較為堅(jiān)硬的木質(zhì)地板上都可以有效指南,“地”可以采用其一般性解釋,即室內(nèi)的地面。

磁性指向器是否好用,主要看精確度(能否精確指向)、響應(yīng)速度(能否快速定向)和穩(wěn)定性(有擾動(dòng)時(shí),能否穩(wěn)定指向)三個(gè)指標(biāo)*現(xiàn)代航海磁羅經(jīng)由于鐵質(zhì)船體自身有磁性,還需要消除自差的功能。古代堪輿羅盤和木船用指南針不存在這個(gè)需求。,制作上則取決于磁性材料選用、外形設(shè)計(jì)和安裝方式三個(gè)環(huán)節(jié)。磁化強(qiáng)度是基礎(chǔ)性因素,盡量選用高磁化強(qiáng)度材料可顯著提升磁性指向器的可用性；外形設(shè)計(jì)和安裝方式環(huán)節(jié),要盡量減小轉(zhuǎn)動(dòng)阻力,保持適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼和較大的平動(dòng)阻力。

懸吊法可以使磁性構(gòu)件的重心保持在下方,不會(huì)傾覆；水浮法具有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼,有助于快速定向和保持穩(wěn)定*此兩優(yōu)點(diǎn)被現(xiàn)代指南針或磁羅盤所吸收融合。如萬安傳統(tǒng)羅盤在磁針中部安裝一個(gè)銅夾,下部略長,重心下降；同時(shí)銅夾下部做成凹面,用細(xì)針支撐,支點(diǎn)位于重心之上；整體效果相當(dāng)于將磁針懸吊起來,同時(shí)形成了極大的平動(dòng)阻力?，F(xiàn)代指南針和航海磁羅經(jīng)將磁體用透明材料封閉起來,內(nèi)部加注防凍液產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼。。而且懸吊或水浮法便于即時(shí)指向,即無須提前操作,可以隨時(shí)自動(dòng)指向。但水浮法平動(dòng)阻力不足,磁針容易四處漂移而觸碰容器；懸吊法幾乎沒有轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼,影響快速定向。人工磁化指南針的剩余磁化強(qiáng)度較高,質(zhì)量可以做得很小,這些缺點(diǎn)造成的影響尚可接受,故此一直有人認(rèn)為懸吊或水浮的方式優(yōu)于勺形方案。然其分析系基于從人工磁化鐵磁性指南針得到的經(jīng)驗(yàn)。磁石屬于亞鐵磁性物質(zhì),實(shí)際開路磁化強(qiáng)度很少高于30emu/g,以磁石為磁性構(gòu)件,其質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都會(huì)顯著大于人工磁化指南針*現(xiàn)代航海磁羅經(jīng)采用多根條狀磁體相隔一定間距平行排布,使所有磁體的兩端均分布在一個(gè)圓上,這樣在保持一定磁矩的前提下,減小了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,同時(shí)減小了鐵質(zhì)船體剩磁高階自差對(duì)羅盤的影響。；懸吊或水浮法的不足之處會(huì)表現(xiàn)得比較明顯,這在本文第5節(jié)的系列實(shí)驗(yàn)中都已證實(shí)。若以磁石為材料,指向器的外形設(shè)計(jì)和安裝方式必不同于鐵磁性指南針。

勺狀方案有多個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)。首先,勺體所受轉(zhuǎn)動(dòng)阻力源于勺底的滾動(dòng)摩擦力,平動(dòng)阻力源于勺底的水平方向滑動(dòng)摩擦力,較好地兼顧了準(zhǔn)確性、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。其次,磁石勺的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可被用來輔助指南。即受外力觸碰后,勺體獲得較大的初始角動(dòng)量,勺柄會(huì)長時(shí)間地保持上下擺動(dòng),勺底形成滾動(dòng)摩擦,以便勺柄指南；若勺柄上下擺動(dòng)時(shí)間不夠,則勺體在未指南之前就停止轉(zhuǎn)動(dòng),需要重新觸動(dòng)勺柄。指向試驗(yàn)表明,這一點(diǎn)對(duì)于在地磁水平分量較弱時(shí)期或磁化強(qiáng)度較低磁石勺的順利指南起到了決定性作用。勺柄的存在有效增加了勺體沿勺柄所在垂直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。如果把勺柄做成兩個(gè)、對(duì)稱狀分布會(huì)怎么樣？在本文的鐵勺盛放磁石和磁化鐵勺方案就制作了這樣的勺子,結(jié)果顯示這樣的設(shè)計(jì)將質(zhì)量集中于轉(zhuǎn)動(dòng)中心,在同等質(zhì)量下,其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小于單柄勺,不利于勺體維持?jǐn)[動(dòng)。雖然鐵勺可以做得長一些以作彌補(bǔ),而磁石勺的長度受磁石限定,只能在既定長度下盡可能實(shí)現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。第5節(jié)的系列實(shí)驗(yàn)顯示,其他勺狀方案的有效磁化強(qiáng)度、外觀效果都不及磁石勺方案。綜合看來,磁石勺司南方案非常高明,可視為天然磁石指向器的最佳設(shè)計(jì)。

品讀《論衡》中的記載：“司南之杓(或勺、酌),投之于地,其柢指南”。《說文解字》：“杓：枓柄也”,“酌：盛酒行觴也”,即主語為司南的柄,或勺狀之司南；“投：擿也”(擿：古同“擲”),不是輕輕、穩(wěn)當(dāng)?shù)財(cái)[放,而是有一定速度地放置；“柢：木根也”,又《集韻·支韻》：“柢,《字林》：碓衡”(即碓杵),即柄端或柄。整句可理解為：將司南擲在地上或?qū)⑺灸系谋鷵芟虻孛?它的柄或柄端就會(huì)指南。這12個(gè)字表達(dá)的含義和上文中指出的勺狀磁石指南的用法高度相符,且描述到位、語言精練。這句話不是隨便就能說出來的,而是經(jīng)過了仔細(xì)觀察、斟酌考量所作的描述。王充《論衡》中司南解釋為勺狀磁石制品是合理的。古人設(shè)計(jì)出此方案可能是基于一時(shí)靈感,也可能是不斷摸索而得。

第二,地磁偏角的發(fā)現(xiàn)與磁石指向器的出現(xiàn)無必然關(guān)系。

有人可能會(huì)提出疑問,如果秦漢時(shí)使用了磁性指向器,為什么在該時(shí)期沒有發(fā)現(xiàn)關(guān)于地磁偏角的記載？從道理上講,古人沒記載也不等于古人未發(fā)現(xiàn)。但本文的復(fù)原實(shí)驗(yàn)表明,應(yīng)用磁石制品不支持發(fā)現(xiàn)地磁偏角。

天然磁石指向器是將已具有磁性的材料切割或組裝成型,并按照其他方法預(yù)先測定好的地理南北向來標(biāo)定方位,即先磁化后標(biāo)定。其成品的指向必然與預(yù)先設(shè)定的方位相同。實(shí)際上它可以固定指向任何方位,如第4節(jié)的1號(hào)磁石勺、第5節(jié)“銅勺盛放磁石”；即制作工藝決定了依靠磁石制品無法發(fā)現(xiàn)地磁偏角。至于為什么選擇指南,而不是其他方位,尚值得探討,可能是沿用了圭表法日影指南北的慣例。

地磁偏角隨時(shí)代和地區(qū)有所差別。如果同一件天然磁石指向器的使用范圍跨越了地磁偏角有顯著差別的時(shí)代或地區(qū),其指向會(huì)與原定地理南北向發(fā)生偏差,這是否會(huì)導(dǎo)致地磁偏角的發(fā)現(xiàn)呢？根據(jù)古地磁學(xué)研究,近2000多年來,黃河及長江流域的地磁偏角范圍為南偏西10°13′至南偏西23°26′,磁偏角發(fā)生顯著變化的時(shí)間尺度為100～300年左右[70]。一件磁石指向器是否傳世使用這么久是個(gè)疑問。即便可以,在尚不具備地磁偏角知識(shí),且按照前述流程新制天然磁石指向器可以準(zhǔn)確指向的情形下,人們只能認(rèn)為之前的指向器變得不好用了。同時(shí)代各地的地磁方向差異很小,例如當(dāng)代差異不超過5度[71]。這一角度與磁石指向器自身的誤差級(jí)別相當(dāng),很難據(jù)此發(fā)現(xiàn)地磁偏角。即使發(fā)現(xiàn)了差異,同樣也會(huì)被視為指向器出了問題。

鐵磁性指南針的制作工藝不同于天然磁石,是先加工成形、后摩擦磁化,且長度超過直徑的20倍以上,外形指向與磁極方向高度一致,必然指向地磁南北,從而引起地磁偏角的發(fā)現(xiàn)。目前所有關(guān)于地磁偏角的記錄都在唐后期以后,且與“針”有關(guān),如《管氏地理指蒙》、《夢(mèng)溪筆談》。因此,地磁偏角的發(fā)現(xiàn)受到了磁性材料和制作工藝的制約,唐末以前未發(fā)現(xiàn)地磁偏角并不能判定之前沒有發(fā)明磁石指向器。恰好,地磁偏角的發(fā)現(xiàn)正預(yù)示著人工磁化指南針的出現(xiàn)。

第三,古文獻(xiàn)記載中“司南”、“針”等稱謂的演變與古地磁演變高度相關(guān),顯示司南可能是磁性指向裝置,地磁場變化可能對(duì)磁性指向器的演變起到一定影響。

前人研究偏重于解釋和討論文獻(xiàn)中“司南”的具體含義。漢語詞法靈活多變,“司南”一詞適用性強(qiáng),在早期的秦漢文獻(xiàn)中為具體器物的名稱；三國之后多以之喻人,如《三國志·蜀志·許靖傳》：“文休倜儻瑰瑋,有當(dāng)世之具,足下當(dāng)以為司南?！钡鳛槠魑锩Q仍然常見,如《大慈恩寺三藏法師傳》：“所謂司南啟路,而眾惑知方”。具有此類演變方式的其他詞語不勝枚舉,如“指南”、“電燈泡”等,都是先存在一個(gè)本體,再不斷衍生其他含義,衍生含義的出現(xiàn)不僅不能否定本體存在,反而說明這個(gè)本體已經(jīng)為人所熟知,其含義已經(jīng)升華成一個(gè)文化符號(hào),因此我們應(yīng)該從更廣闊的視角來綜合看待這個(gè)詞語。

整理部分“司南”一詞原創(chuàng)性記載(表8)和明清以前對(duì)人工磁化指南針的記載*文獻(xiàn)[17]提出唐代戴叔倫《贈(zèng)徐山人》：“針自指南天窅窅,星猶拱北夜漫漫”是對(duì)指南針的最早記載。聞人軍先生指出《贈(zèng)徐山人》亦見于《劉槎翁先生職方詩集》卷7,應(yīng)為明代劉崧作品,系清人輯《全唐詩》時(shí)誤錄。今存《戴叔倫集》以明活字本為最早,訛誤嚴(yán)重；明胡震亨做去補(bǔ)；清輯《全唐詩》照抄舊本；今蔣寅據(jù)諸家之說重做鑒別。見：戴叔倫著,蔣寅校注：《戴叔倫詩集校注》， 上海：上海古籍出版社,2010年，250頁。,從文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的角度,將這些文獻(xiàn)的分布年代與地磁場水平分量進(jìn)行了對(duì)比(圖17)。年代定位使用成書時(shí)代或作者生活年代,地磁場以洛陽地區(qū)為主要參照,北京、天水地區(qū)作為輔助參照。

表8 唐及唐以前文獻(xiàn)中“司南”的記載

續(xù)表8

圖17 古文獻(xiàn)記載與地磁場水平分量演變的比較

對(duì)比發(fā)現(xiàn)“司南”、“指南針”兩個(gè)詞的歷史分布與地磁場水平分量演變之間存在顯著對(duì)應(yīng)。唐及唐以前正是地磁水平分量高峰期,也是“司南”的原創(chuàng)性記載(非引述)最豐富時(shí)期。此期間,用中等以上的磁石制備磁性指向器都會(huì)具有上好的可用性,而且存在多種制作途徑。唐后期以降,“司南”一詞多出現(xiàn)于對(duì)前代文獻(xiàn)的引述文字之中,鮮有原創(chuàng)性語句,而人工磁化指南“針”的記載開始出現(xiàn),且頻率增加得很快；此期間,天然磁石制品的可用性降到最低,而人工磁化指南針性能優(yōu)良得以廣泛應(yīng)用。誠然,相關(guān)詞匯量有待增大,個(gè)別文獻(xiàn)的年代有爭議。但現(xiàn)有數(shù)據(jù)足以顯示“唐代以前存在天然磁石指向器”有其成立的空間和跡象；唐末宋初的地磁水平分量衰退可能對(duì)指南針材料的變革起到一定推動(dòng)作用。

7 結(jié) 語

對(duì)司南的研究凝結(jié)了近百年來持各種觀點(diǎn)的數(shù)十位學(xué)者的群體智慧。希望本文的工作有助于大家對(duì)此形成一個(gè)階段性的共識(shí)：即在先秦至漢唐期間的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)、工藝水平、可用資源和地磁環(huán)境等條件下,古人有能力且可以不費(fèi)力地制造出多種具有良好可用性的天然磁石指向器；磁石勺是綜合效果最佳的指向方案,且很好地貼合了文獻(xiàn)記載；雖然古文獻(xiàn)信息量少,尚缺乏考古支持,但現(xiàn)有資料對(duì)此并不排斥,并趨向于司南是磁石勺。誠然,歷史是否如此,最終還需要明確的古代遺物或古文獻(xiàn)記載等證據(jù)。

致謝本研究是作者博士后期間的部分成果,是在合作導(dǎo)師張柏春研究員的指導(dǎo)下完成的,復(fù)原實(shí)驗(yàn)均在中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所中國科技史綜合實(shí)驗(yàn)室完成。中國科學(xué)院物理研究所呂力、胡鳳霞、韓秀峰研究員,地質(zhì)與地球物理研究所杜愛民研究員，自然科學(xué)史研究所林文照研究員對(duì)本研究進(jìn)行了聯(lián)合評(píng)估和鑒定,認(rèn)為“該研究引用理論和數(shù)據(jù)科學(xué)、準(zhǔn)確,自制裝備設(shè)計(jì)合理、數(shù)據(jù)可信,結(jié)論可靠,為解決長期存在的學(xué)術(shù)爭議提供了新的實(shí)驗(yàn)依據(jù),達(dá)到了較高的學(xué)術(shù)水準(zhǔn)?！贝髂钭?、華覺明、潘吉星先生,關(guān)曉武、韓琦、蘇榮譽(yù)、韓毅研究員及馮立昇、潛偉、郭世榮、李延祥、厚宇德教授、李強(qiáng)副研究館員、白欣副教授對(duì)本研究都給予指導(dǎo)和幫助,野外考察期間得到宣化縣沈煥庫、磁山博物館館長張海江等社會(huì)人士的熱情幫助,審稿人亦對(duì)本文提出了寶貴意見,一并深表謝忱!

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ABSTRACTA reconstruction of the “south pointing loadstone spoon”was presented by Wang Zhengduo in 1945, though subsequent researchers have not been able to reproduce this design. As a result, there has been a longstanding controversy among academics as to whether it was possible that a magnetic pointing device had been invented prior to the Tang dynasty or not. In ancient China, “cishi” 磁石is the collective name for high natural-remnant iron ore exhibiting strong magnetism, such as magnetite, maghemite and pyrrhotite. some loadstones that mainly contained high natural-remnant magnetism have been found in Chicheng, Hebei Province. The magnetism of these loadstone specimen are very similar to the loadstones recorded in ancient Chinese literature.Thus, some loadstone spoon were successfully constructed and can point south very well. In addition, a new “magnetic moment measuring device”was successfully developed. It was shown that,if we use traditional cutting and polishing methods, the demagnetization of the lodestone is very slight; shape change after processing may lead to a measurable magnetization intensity reduction, but it turns stable again after a few weeks. According to paleomagnetism research, over 2000 years, the horizontal component of the geomagnetic field in the Central Plains, Guanzhong Plain and North China, with Luoyang, Tianshui and Beijing as their centers, has undergone an M-shaped change. From the pre-Qin period to the mid Tang dynasty, the horizontal component of the geomagnetic field reached an all-time high, with the result that the south pointing effectiveness of the spoon-shaped loadstone increased sharply. Experiments show that while other restorations, such as the “water floating method”, “hanging method” and “copper spoon loadstone”, can also point southward effectively, defects remain obvious in comparison with the “spoon-shaped loadstone”.In addition, the “magnetized steel spoon” and “steel spoon loadstone” do not work very well. Furthermore, changes in the frequency of the use of the words “south pointing (sinan)” and “needle (zhen)” in historical documents corresponds closely with the evolution of the horizontal component of the geomagnetic field. The production method of the loadstone magnetic pointing device has already determined its weakness in the detection of magnetic declination. Therefore,the fact that the geomagnetic declination was not found cannot lead to a denial of the invention of such a magnetic pointing device. In summary, it is possible that the magnetic pointing device was invented before the Tang dynasty, and that the spoon-shaped loadstone can be considered an optimum design．

Keywordsloadstone, “south pointing”, compass, geomagnetic field evolution, magnetic measurement

EmpiricalResearchontheLoadstoneSpoon“SiNan”inAncientChina

HUANG Xing

(InstitutefortheHistoryofNaturalSciences,CAS,Beijing100190,China)

N092∶O4- 092

A

1000- 0224(2017)03- 0361- 26

2016- 08- 23；

2017- 02- 23

黃興,1981年生,河北宣化人,助理研究員,主要從事物理學(xué)史、冶鐵史、機(jī)械史和技術(shù)史數(shù)字仿真研究。

中國博士后科學(xué)基金特別資助“中國古代指南針科學(xué)認(rèn)知與實(shí)證研究”(項(xiàng)目編號(hào)：2016T90149)