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司南是把磁石勺子?到底能不能指南?

来源:北京科技报

  采访专家:黄兴(中科院自然科学史研究所副研究员)

  中国古代“四大发明”中,指南针一直受到高度关注。早在先秦时期,人们就发现了磁石可以互相吸引、排斥和吸铁;有学者认为先秦两汉文献中记载的“司南”有可能是磁性指向工具,即指南针的始祖。指南针的发明时代,现在明确可以追溯到唐代。北宋起,指南针被用于航海事业,并传入欧洲,为世界航海发现创造了条件。这也是我国现行的中小学课本中的内容。但是关于“司南”的争议一直存在,例如:“司南”到底是不是磁性指向工具?“司南”是不是勺状?中小学教科书中的“司南”真的能指南吗?尤其近年来又成为人们关注的热点。如今,这些问题有了最新的解答。

王振铎制作的磁石勺

  关于指南针的起源和演变的学术探讨已有百年历史。19世纪末、20世纪初,国内外学者将“指南车”与指南针混淆,认为传说中的黄帝时期就有了指南针。多数学者认为,确切的文献记载只能作为指南针发明时间的下限,还可以继续向前探索。

  由于尚未见到考古实物,学者们对“司南究竟是什么”也有不同的观点。另一方面是对磁石勺制造工艺和指向可行性的质疑。比如,磁石勺是否真能在地磁场作用下转动?

  2014年,刚刚博士毕业的黄兴来到中科院自然科学史研究所进行博士后研究。他的合作导师自然科学史研究所所长张柏春研究员交给他一个课题:用实验方法研究古代指南针。验证磁石勺能不能指南是其中的重要内容。

  从前人文献开始,黄兴仔细梳理了各家的学术观点和实验过程,意识到要制作能指南的磁石勺,必须要得到其原材料“磁石”,而且是强度足够高的磁石。

  几经辗转,黄兴真找到了“长毛”的磁石,外形与文献记载非常相似,又用现代技术分析,他找到的磁石主要成分是磁赤铁矿(γ-Fe2O3)。那么这批磁石磁性如何?在经过吸铁测试,再与文献对比发现,黄兴找到的磁石与文献中的中上等磁石磁性相当。

  磁石勺能否指南取决于其磁矩的大小。磁石或磁石勺是不规则状,尺寸也超过现有设备的检测范围。黄兴用了近一年时间自行设计制作了一套检测装置。最终,黄兴仿照古代的加工方式打磨制作了多枚磁石勺,都有固定的指向,其中多枚可以指南,误差只有5%左右。检测发现,经过打磨会让磁化强度略有减小,但最终会稳定下来,指南效果完全不受影响。

  黄兴制作的天然磁石磁矩测量装置

  那么古人是否有技术将磁石切割成勺状?“从石器时代起,人们就开始加工石头;汉代钢铁技术已经基本成熟,创造出各种铁质工具,石刻艺术手法娴熟,古人制成勺状不成问题”,黄兴说道。

  至于王振铎方案中所用的光滑底盘,原来认为这是为了减小摩擦力并辅助指示方向,但黄兴通过实验发现有无底盘并不重要。他采集到的天然磁石磁性远胜于王振铎所用磁石。他制作的磁石勺在硬一点的木质桌面上、水磨石地面上,甚至有微小颗粒的水泥地上都可以正常指南。《论衡》那句话所讲的“地”完全可以解释为地面。至于为什么古人会制成勺状,黄兴解释,从力学角度来看,勺底球型会把滑动摩擦变成滚动摩擦,摩擦力显著减小;而且重心较低,不易倾斜。勺柄则增加了勺体的转动惯量,可以让勺体晃动更长时间,来完成指向。“最适合的造型就是勺型。”

  在争议声中,磁石勺司南在2016年复原制作成功。

  黄兴从实证角度证明了天然磁石能够制成勺状能够指南,而且能长时间使用。但他也认为,“磁石勺方案贴合文献记载,技术上确实可行,是目前最佳的复原方案。但司南究竟是不是磁石勺,现在还没有判定性证据,有待进一步研究,不必急于肯定或否定复原方案。”

  科技史的研究是以过去的科技案例为研究对象,探寻科技发展的历史过程,总结科技与社会之间的规律性认识。指南针的制造技术如何诞生和演变,它在古代社会和文化中扮演什么样的角色?黄兴表示,“用更宽广的视野来看待古代磁性技术,可以让我们对指南针的认识更加有血、有肉,更丰满。”

  黄兴说,“指南针集科学、历史、神秘、文化于一身,是一个独特的古代发明。”在常人眼中,指南针可能只是一把勺或者一枚针;但它也是一部内容丰富的历史故事,等着我们去进一步挖掘。

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