指南针是中国古代四大发明之一,古代叫司南,由司南、罗盘和磁针构成。

指南针是古代汉族劳动人民在长期的实践中对物体磁性认识的结果。作为中国古代四大发明之一,它的发明对人类的科学技术和文明的发展,起了无可估量的作用。在中国古代,指南针起先应用于祭祀、礼仪、军事和占卜与看风水时确定方位。

指南针的主要组成部分是一根装在轴上的磁针,磁针在天然地磁场的作用下可以自由转动并保持在磁子午线的切线方向上,磁针的南极指向地理南极(磁场北极),利用这一性能可以辨别方向,常用于航海、大地测量等方面。

战国时期 ,我国人民已经发现磁石指南北的特性,制出了“司南”。用司南确定准确的时间。这些说明司南在当时已在多方面得到应用。

北宋时期 ,创造了人工磁铁。有术士模仿司南的原理和特性,在印有方向的底盘上安装由磁铁打磨而成的钢针,并使磁钢针的尖端为南方,末端为北方,这种仪器被称作“罗盘”。即罗盘是司南的升级版,现代指南针也是由罗盘简化改造而来。

明清时期,明后期、清初时期,西方改造后的旱罗盘传入中国,出现了中西合璧式旱罗盘。

十一世纪末或十二世纪初,11世纪末或12世纪初,中国船舶开始使用指南针导航。指南针应用在航海上,是全天候的导航工具,弥补了天文导航、地文导航之不足,开创了航海史的新纪元。

罗盘和磁针的传播,据推测大约在十二世纪末十三世纪初之际,先传播到阿拉伯,然后又由阿拉伯传入欧洲,后来欧洲演变出旱罗盘,再于明代时经日本传回我国。

指南针的原理是利用地球的磁场来确定方向。地球是一个大型的磁体,有两个磁极——北极和南极。指南针利用地球磁场的特性,用指针指出磁北极的方向。地球磁场的方向是向下倾斜的,所以指南针总是指向磁北方向。

1、司南

司南是最早的磁性指向器。“司南”之称,始于战国（公元前475年—公元前221年）,终止于唐代（公元618年—公元907年）。因为司南古义不断演化,使它与一系列的古代发明结下了不解之缘。

记载司南的最早的文献是《鬼谷子》,其中写道：“郑人之取玉也,必载司南之车,为其不惑也。”(谋篇)从《鬼谷子》中的记载可以看出,郑人去“取玉”,必须要带上司南,就是为了避免方向的迷失。

在提到司南的文献中,王充的记述是最重要的,他明确指出：“司南之杓,投之于地,其柢指南。”(是应篇)其中的“杓”是指勺子。具备这种“指南”性能的司南,应是磁性指向器。但是,这里的“地”是指古代械盘中的“地盘”。械盘是秦汉时期发明的,用于游戏或占卜。在“地盘”的四周刻有24个方位,中心刻有象征北斗七星的标志。中国现代著名的科技史家和文物复制专家王振铎曾依据这些记载成功地复原了汉代的司南(如图1所示)。

图1司南模型(王振铎复原)勺形司南尚无实物出土,但汉代画像石上,有类似勺形司南形象的画面(如图2所示),这表明王充的记载应该是可信的。在这幅石像中,可看到,画面主体是魔术师和杂技演员在表演,上面一行人是贵族观众,右上角的小方台上放着一个疑似司南的长柄匙(见画面外小插图),一个人在跪着观察它。

图2藏于苏黎世里特堡博物馆的汉代石浮雕(本图引自李约瑟《中国科学技术史·物理学卷》)从所留下的材料看,利用磁石指极性的司南就是磁性指向器具有的最早的形制。

磁体定向装置的出现,就使人从靠观察天体定向的被动性转向靠地磁定向的主动性。人类最早的磁体定向装置,是以天然条状磁石制成的司南,它出现后在中国战国末期(前三世纪)而在汉代得到进一步的发展。司南仪的出现具有重要历史意义,因为它是以与天文定向原理截然不同的磁学原理制成的新型导向装置,在任何天气条件下都能昼夜工作,迅速指出方向,操作简便易于携带。

最初,“司南”指测影的表杆。如《韩非子·有度篇》说,“故先王立司南,以端朝夕。”“端朝夕”即正东西,引申为确定东西南北方向。“立司南”来源于殷商甲骨文中的“立中”和战国时的“立朝夕”,它们的意思都是立表以测日影。

2、磁勺

磁勺是一种天然磁石琢成的勺形指向器,当它被发现的时候,其状取法北斗七星,名称则沿用“司南”。古文“司南”可以推定为磁勺的至少有《鬼谷子》、《论衡》、《玄览赋》、《飘赋》四项记载。《宋书·礼志》引《鬼谷子》曰：“郑人取玉,必载司南,为其不惑也。”《鬼谷子·谋篇》至迟成书于西汉,或许是先秦之书,其中关于“郑人取玉,必载司南”的传说,暗示了磁勺与玉器业的联系,甚难加工的磁勺应是玉工高手的杰作。

东汉王充的的《论衡·是应篇》说：“司南之勺,投之于地,其柢指南。”句中的“地”一般解释为“地盘”,也可能是“池”字误写。这句话应释为：勺状的司南,放在“地盘”上（或投入盛有适量液体（如水银）的容器中）,它的勺柄必然自动指向南方。

此后,梁元帝萧绎的《玄览赋》说：“见灵乌之占巽,观司南之候离。”唐韦肇的《飘赋》说：“挹酒浆,则仰惟北（北斗）而有别；充玩好,则校司南以为可。”再次介绍了司南（磁勺）的功用和形状。

磁勺的实物虽然迄今尚未发现,但与此有关的文物至少有两件。一是瑞士苏黎世的Rietberg博物馆中所藏的一块公元114年的东汉画像石,其右上角有一人正在观测一件可能是“司南之勺”的东西。二是那志良《玉器通释》上册著录的一件“司南佩”古玉器,此玉“长不过寸许,一端琢成一个小勺,一端琢成一个圆形的小盘,中间有一个横穿。”“司南佩”的制作年代不明,推测为唐代之物。

除了上述的表杆和磁勺之外,司南又是指南车、指南舟和报时刻漏的代称。晋人葛洪所作的《西京杂记》中提到的“司南车”即半自动机械装置指南车。《宋书·礼志》记载：“晋代又有指南舟。”南朝任昉的《奉和登景阳山》诗吟道：“奔鲸吐华浪,司南动轻枻。”诗中的司南即指皇家园池中的指南舟,可是,“指南舟”究竟怎样导航,至今依然是一个迷。唐代大诗人杜甫的咏《鸡》诗云：“气交亭育际,巫峡漏司南。”意谓夜半零时正,诗人恰闻司南的报时之声。

3、磁针的发明

指南针的发明应当是在一个很漫长的时间中,慢慢地改进的结果,而不同时期的形式,应以不同的形式出现。唐代堪舆家的活动相当活跃,并开始强调方向的选择,寻找比磁勺更方便的指向器成了当务之急。于是指南铁鱼或者蝌蚪形铁质指向器及水浮磁针应运而生。

活动于唐开元年间（713—741年）的山西堪舆家丘延瀚,被后世堪舆家推崇为堪舆术三针（正针、缝针和中针）中最早出现的正针法的创始人。明代雅好科技的宁献王朱权则在其《神机秘籍》中说：“针法古无所传,自昔玄真始制。”玄真即唐代浙江金华道家张志和（约730—约810年）,他的道号叫玄真子,所著《玄真子》十二卷,残存三卷。从这残卷中知道他颇好物理,但未找到与指南针或针法直接有关的记载。然而,这个道号不禁使人联想到旧题晋崔豹所作的《古今注》中把蝌蚪称为“玄针”。其文曰：“虾蟇子,曰蝌蚪,一曰玄针,一曰玄鱼,形圆而尾大,尾脱即脚生。”十世纪时马缟的《中华古今注》中也有类似的记载。这项记载似乎把磁针与指南鱼的发明和应用从形状和性能上联系到了一起。

关于指南鱼的制备方法,见于北宋曾公亮等利用前人资料编撰的《武经总要》。《武经总要》前集卷十五载其法曰：“用薄铁叶剪裁,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。”这种方法利用地磁场使铁片磁化,并知道鱼形铁片微向下倾斜对磁化有利,实际上已发现近代科学中所谓的磁倾角的影响。使用时,指南鱼浮于水面,与水浮磁针的原理是一致的。

水浮磁针的制作方法首见于北宋沈括的《梦溪笔谈》卷二十四,其文曰：“方家以磁石摩针锋,则能指南。”这种方家在实践中总结出来的钢针磁化法,经过沈括之手公布于世,有力地促进了磁针在堪舆和航海两大领域中的应用和普及。指南针进入到实用磁针的阶段,对装置方法的研究提到了议事日程。沈括全面研究和比较了“水浮”法、置“指爪”法、置“碗唇”法及“缕悬”法的优缺点,认为“缕悬”法最佳。“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。”现代磁强计中悬挂的小磁铁,就采用了此相似的方法。磁针指的精度,与司南及指南鱼不可同日而语,故磁针的发明,很快导致了磁偏角的发现。

五代乱世的《管氏地理指蒙·释中第八》曰：磁针“体轻而径所指必端应一气之所召,土曷中而方曷偏,较轩辕之纪,尚在星虚丁癸之躔”。轩辕黄帝时代的磁偏角,作者以为尚在“星（午）虚（子）丁癸”方向,而当时“针指坎离定阴阳之分野,格偏壬丙探僭越之津涯”。偏角变为南偏东15°。

由于堪舆术的神秘性,中国唐宋堪舆著作在流传中又相互影响,有所增删,要从众多早期堪舆著作中理出磁针、磁偏角以至罗盘的发明、发现年代,诚非易事,然而,北宋司天监杨惟德于庆历元年（1041年）奉命编撰的相墓大全《茔原总录》卷一位磁偏角的发现订定了下限。书中说：“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。”这里明确地记载了“丙午针”,即后世沈括在《梦溪笔谈》卷二十四中所说的磁针“常微偏东,不全南也”。在西方,直到13世纪才知道磁针偏南。1429年哥伦布（ChristopherColumbus,1451—1506年）横渡大西洋时,正式测到磁偏角现象。

中国发现了元代水浮法指南针瓷碗。1959年,在辽宁旅顺甘井子元代墓葬中出土了两件磁州窑白釉褐花大碗,大碗内底部彩绘两个同心圆,圆内绘并排的三点,中间一线相连。乍看此图形似一个不规则的“王”字,故被称为“王字纹碗”。碗外底圈足内又墨书一个“针”字。经科技史学家王振铎先生研究证实,这种碗就是航海时指示方向所用的针碗。它的使用方法是这样的：针碗的水面上漂着穿在浮漂上的磁针,碗内底的“王”字形标志则有助于标明方向。先将“王”字中的细道与船身中心线对直,如船身转向,磁针便和该细线形成夹角,从而显示航向转移的角度。类似的碗在江苏丹徒照临村元代窖藏和河北省磁县漳河故道元代沉船内都有发现。

4、罗盘的发明与西传

磁针问世后,先后用于堪舆和航海。为了使用方便,读数容易,加上磁偏角的发现,对指南针的使用技巧提出了更高的要求,方家首先将磁针与分度盘相配合,创制了新一代指南针——罗盘。不过有些场合,碗中的水浮磁针仍在使用,故沈括《梦溪笔谈》卷二十四称“水浮多荡摇”。江苏、河北和辽宁旅大曾出土元代的不带刻度的指南针专用针碗。当航船还在使用浮针加针碗时,堪舆罗盘却远远地跑到了前面。

考古资料表明,堪舆家选择墓穴采用二十四向表示法大约始于唐末。南唐何溥主持建徽城,看风水时也用二十四向表示法。何溥所撰的《灵城精义》“理气章正诀”中说,“地以八方正位,定坤道与舆图,故以正子午为地盘,居内以应地之实。”天以十二分野,正躔度之次舍,故以壬子丙午为天盘,居外以应天之虚。”作者、时代不明的《九天玄女青囊海角经》“理气篇”中有一段几乎相同的文字,两者应同出一源。

罗盘古称“地螺”、“地罗”。南宋曾三聘的《因话录》（作于公元1200年前后）“子午针”条说：“地螺,或有子午正针,或用子壬丙午间缝针。”曾三聘是江西临江俯峡江（今江西西清江）人。离峡江不远的江西临川,于1985年出土了世界上最早的堪舆旱罗盘模型,正可与《因话录》的记载相互印证。1985年5月,江西临川南宋朱济南墓（葬于1198年）出土了座底墨书“张仙人”的瓷佣一式两件。风水先生“张仙人”佣 ,左手抱一罗盘。值得注意的是,该罗盘的磁针与水罗盘的磁针根本不同,中部增大呈菱形,菱形中央有一明显圆孔,明确现象地表示这是一种用轴支承的旱罗盘。

中国的磁针和罗盘先后经由陆水两路西传,曾给人类的文明的进程带来重大的影响。以前史学界认为磁针在水中的水罗盘与指南针一脉相承,是中国的发明,但旱罗盘是欧洲所发明,16世纪才经由日本船传入中国。而今临川罗盘证明：旱罗盘的发明权也属于中国。

中国在12世纪已经发明旱罗盘即现代指南针基本形式。经过阿拉伯人有效改进后才传入欧洲。但是欧洲现存关于指南针的记载早于阿拉伯,阿拉伯语中指南针（al-konbas）一词也似源于古意大利语。近来在江西临川一座葬于公元1198年的宋墓里发现一俑（标写“张仙人”）,手持一似风水罗盘“亦是旱罗盘”物,有观点认为旱罗盘中国也可能早于西方使用,但可能先发明于江南沿海（如泉、广）一带应用,故博学如沈括也未见到,今后尚须考古文物工作者努力。内陆后世旱罗盘则多用于风水罗盘和校时罗盘,如174/l189曾三异《同话录》“地螺,或有子午正针,或用子午丙壬间缝针。天地南北之正,当用于午。”“地螺”可能是一种校时罗盘,主要用途是校时。

指南针在航海上的应用对地理大发现和海上贸易有极大的促进作用。指南针的发明源于中国古人如何定向问题的研究,也表明古人对如何定向问题的重视,为此,指南针被誉为中国古代四大发明之一。古代中国人将指南针用于军事和航海的活动,也被用于堪舆术,后来还辗转传入欧洲,在欧洲的航海活动和地理大发现中,发挥了不可替代的重要作用。在航海技术发明中,指南针也是最重要的单项发明。