天然磁石勺“司南”实证研究

黄 兴

(中国科学院自然科学史研究所,北京 100190)

天然磁石勺“司南”实证研究

黄 兴

(中国科学院自然科学史研究所,北京 100190)

1945年王振铎提出司南复原方案,并制作“磁石勺”司南,其他研究者一直未能重复实现此方案,导致对唐以前是否可能发明磁性指向器存在长期争议。磁石是古人对具有显著天然剩余磁性的矿石的统称,其磁性较强者有磁铁矿、磁赤铁矿与磁黄铁矿等。采集到与古文献记载磁性相近的磁石,制成了具有良好指极性的磁石勺。通过新研制的“磁矩测量装置”,发现按古代工艺切割、摩擦等造成的退磁非常轻微；加工后形状变化导致磁化强度略有降低,数十天后恢复稳定。古地磁学研究表明,两千多年来以洛阳、天水、北京为代表的中原、关中和华北地区地磁水平方向分量呈显著M形变化,先秦至唐中期正处于高峰期,此期间磁石勺指向性显著提升。实验显示磁石水浮法、悬吊法及“铜勺盛放磁石”等有一定可行性,但缺点明显；“铁勺盛放磁石”、“钢勺磁化”可行性差。古文献中“司南”、“针”词频变化与地磁场水平分量的演变高度对应。磁石指向器的制作方法决定其不易辨别地磁偏角,不能以未发现地磁偏角否定天然磁石指向器的发明。唐以前发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 指南针 地磁 磁矩

公元前7～6世纪,中西方各自独立发现了磁石吸引、排斥和吸铁等现象。中国人首先发明了磁性指南针,利用地磁场力来判定方向。中世纪后期,指南针被传到阿拉伯和欧洲,具有重大的实用价值和国际影响。目前关于指南针起源存在“秦汉磁石勺说”和“唐末磁针说”两种观点。本文采用实证方法,对“秦汉磁石勺说”的技术可行性进行了研究。

1 磁石勺“司南”问题的由来

学界对指南针起源的研究由来已久。至20世纪初,国内外学者多认为先秦文献中的“指南车”、“司南”或“司南车”即磁性指向装置,如南宋金履祥[1]、近代之章炳麟[2]、德国汉学家夏德(Friedrich Hirth,1845～1927)[3]。一些国际学术刊物也曾报道此类观点[4,5]。20世纪20年代初,日本学者据当时的资料提出汉唐文献只讲磁石吸铁,宋《梦溪笔谈》始论磁针指极和地磁偏角,故指南车不可能是磁性指南针,指南针应是宋以后发明[6]。其后,夏德考察十余种古文献,认为《古今注》、《韩非子·有度》*《韩非子》：“先王立司南以端朝夕”。等记载的司南为指南车[7]。1928年,张荫麟提出东汉王充《论衡·是应篇》的记载“司南之杓,投之于地,其柢指南”中的“司南”为东汉最新发明的磁性指向器；《韩非子》、《鬼谷子·谋篇》*《鬼谷子》：“郑人取玉,必载司南之车,为其不惑也”。等所讲的“司南”可能也是磁性指向器[8]。

20世纪40年代,王振铎提出了“磁石勺-铜质地盘”司南复原方案。据其本人记述：1945年在四川李庄开展初始试验,用条状磁石和人工磁体放在球面玻璃皿上,再置于平面玻璃上,发现具有一定的指向性([9],246～249页)。后用通电线圈将钨钢勺磁化,验证了勺形方案的技术可行性([9],239页)。回北平后委托工匠用河北武安磁山的磁石制成勺状磁体,个别勺体用铣床加工,大都具有良好指极性([9],259页)。他将此复原定位成比较考究的可能性方案,但亦坦承“未发现原物以前,姑以古勺之形体充之,以征验其究竟”([9],236页)。

该成果1948年发表于《中国考古学报》,1989年收入《科技考古论丛》[10]。有文献记述,50年代末文化部将一枚司南勺赠送古巴,60年代初中国科学院地球物理所赵九章所长到瑞典讲学带走2枚[11]。中国历史博物馆(今国家博物馆)一度将该模型作为现代复原方案进行辅助性展示。*近来有多篇文章引用孙机的说法,认为王振铎的司南勺未曾在中国历史博物馆展出。但李强最近的文章对此做了澄清,见文献[29]。1952年,李约瑟来华曾与王振铎讨论过司南模型[12],并在《中国科学技术史》(ScienceandCivilisationinChina, Vol. IV:1)一书脚注中记述其观看过司南演示,效果很理想[13]。王振铎的复原被广为传播,反响巨大。如1952年版《毛泽东选集》[14]、1954年国际科技史刊物ISIS[15]都有引介。“司南勺”图形逐渐被视作中国古代先进科技的标志。

王振铎当年制作的磁石勺如今尚存3枚。林文照曾用其中2枚磁性较为显著者(原标签3、4号)做指向试验,效果良好[11]。承蒙王振铎后人慨允,笔者对其做了测试(图1)。3、4号磁勺(文献[10]图版六所示)尺寸较小,指向效果与林文照所述接近；但所用磁石解理杂乱,表面有明显坑洼,品相不佳；4号勺体为半球壳状,非常规则,加装木柄,即为铣床所制者。无标签的一枚尺寸较大(文献[10]图版五所示),材质与3、4号显然不同,加工精致,表面光滑,但磁性不佳,不具有指向性能,且勺柄有断裂后粘合的痕迹。

图1 王振铎委托工匠制作的磁石勺(左上：3号,右上：4号,下：无标签勺)

目前尚未发现古代磁石勺实物,古文献亦未明确记载司南是磁性器物,且后来的研究者都未能再度制作磁石勺。然而,多数科技史著作都将其作为一种可能性复原方案,也有不少报道将其传为定论,甚至让人误认为已发现古代实物。这引起很多学者的质疑,也违背了王振铎的本意,60年来争议不断,历时之久、参与之广,学界罕见。

有学者认为古代文献中的司南应解释为北斗、官职、权力、命运等,磁性指南针始于唐宋。刘秉正从1956年起发表多篇文章均持此观点[16- 22]。他曾简单重复王振铎的条状磁石指向试验,效果不佳*刘秉正用电磁场饱和磁化的方式制作了7个磁铁矿样品(含铁量60%～70.5%),4个条状,3个勺状,N、S端表磁38～92Gs,用玻璃皿(曲率半径1.9cm)支撑,静置在玻璃板或铜板上进行测试。结果显示磁棒都有一定的趋极性,但差别较大,多数样品偏向南北的角度在20°～40°之间,一个勺形无柄者可任意放置。；委托玉器厂加工铁矿石,多有断裂,难度较大[19]；认为汉代石器加工工艺会使磁石严重退磁,不能实用；又提出中原地区地磁三要素*地磁三要素包括：地磁场总强度、地磁偏角(地磁场方向与地理经线的夹角)、地磁倾角(地磁场方向与水平面之间的夹角)。的古今差别不超过30%,对指南性能影响不大[21]。孙机认为《论衡》的“司南”为指南车,提出北平历史博物馆旧藏残宋本《论衡》写作“司南之酌”；故今本“杓”字应为“酌”之误,释为使用,“柢”释为指南车的横杆[23- 25]。

多数学者认为《论衡》、《韩非子》中的“司南”应释为磁石指向器；北斗、官职等解释缺乏依据,过于牵强。1938年,黄晖已发现残宋本《论衡》“酌”的写法系版本错误[26]。林文照用王振铎的司南做了指向试验,表明有97.5%的几率指南或基本指南,2.5%几率异常[11,27]。李强认为《韩非子》、《鬼谷子》、《论衡》三条文献互相印证司南为磁性辨向工具；“司南”一词后世多有混用,含义转移[28]；《论衡》残宋本非善本,《太平御览》与今本《论衡》更可信；澄清了王振铎当初的工作和磁石勺在中国历史博物馆展出一事[29]。戴念祖提出齿轮系的指南车超出东汉技术基础；他与钱临照合作期间,钱临照虽未复制成功,但也未否定“司南”为磁性指向器,仍在《大百科全书·物理卷》中对此作了肯定[30- 32]；良渚玉器已有砂绳线性切割,不会造成磁石退磁,汉代更无技术难题；司南宜将勺底打光,不必挖凹,勺柄为直条状[33]。潘吉星认为磁石勺应当轻巧,外形以带直柄的中空半椭球状为宜,地盘保留二十四方位即可[34,35]。闻人军综合宋残本“司南之酌”和《瓢赋》的文字*唐代韦肇《瓢赋》：“挹酒浆,则仰惟北而有别；充玩好,则校司南以为可”。,认为《鬼谷子》、《论衡》“司南”系将磁化钢针置于小葫芦瓢上,并用花生壳做了模拟实验[36]。杨琳认为勺形司南最贴近文献记载,尽管后人未能重复,但不能轻易否定[37]。

刘洪涛认为战国指南车可能是车上立木杆,表影定南北,《韩非子》或即此法；张衡起改为纯机械结构,车上木杆即表影遗制；墨家不谈磁石,西汉后方士为自神其道研究较深,神仙家兴于东汉后期,故磁性指向器应出现在东汉,不早于西汉武帝时[38]。吕作昕等认为《鬼谷子》“司南”为齿轮系机械式指南车；《韩非子》“司南”为“土圭测影法”；王充于“司南”后加“之杓”,明示有别于韩非时代之物[39]。程军认为《韩非子》“司南”为朝见之礼,王充《论衡》“司南”系水浮式木勺盛放磁石,崔豹《古今注》各处“司南”或指礼法或为机械指南车,自崔豹始司南与指南车被混为一谈[40]。李志超认为《论衡》“司南”句应断为：司南勺柄投到地上,若杓柢(根)指南,虫子们就“集地北行”；认为这是王充随便说的,无科学根据；《瓢赋》系将磁石放入半个葫芦中,水浮指南北,以校“司南”；其“司南”或是指南车,或是另外的磁指向器；磁石勺方案外形不佳,磁矩大减,柄端粗圆,不利读数[41,42]。

此外,还有件事情需要澄清。1952年郭沫若率中科院代表团访问苏联科学院,欲将磁石勺等作为礼品,委托钱临照重新制作未果,只好用磁化钨钢代替(也有说法是将天然磁石充磁后制成)。这件事情常被用作质疑磁石勺指南可行性的依据。目前关于此事尚未见到钱临照本人记述,现有说法都是层层转引,且情节在不断增加。但稍加思考便会发现疑点：郭沫若为什么不直接用王振铎的磁石勺作为礼物？钱临照找到了什么样的磁石？如果磁石勺方案不可行,为什么还要用钨钢勺做礼物,徒有造假之嫌？若把已有的信息组合起来,此事就变得清晰：王振铎的磁石勺在当时曾经常展示,其可行性有目共睹,必是首选；但品相不佳,不宜作为国礼。钱临照短时间内未能找到好磁石,权且以钨钢或其他方法代之,系折中之举,并不能否定磁石勺方案的可行性。从常理看,若磁石勺不可行,郭沫若和钱临照就不会以该方案为礼物,否则必授人以柄,贻笑大方。钱临照作为《中国大百科全书·物理学卷》(1987年第一版)物理学史分支学科主编,也不会在“指南针”条目保留此说。此事在当时看来并无不妥,但日久天长,信息散失,容易被片面解读；特别是王振铎的磁石勺从国家博物馆被撤展,人们不能再见到实物展示,加重了疑虑和误解。

综上,在未发现新史料的情况下,尚无法断定司南是否为磁性指向器。但可以开展实证研究,判断在相应历史条件下是否具有技术可行性。南宋《事林广记》记载的“指南龟”系用天然磁石实现指向,已证明天然磁石指向可行性。张荫麟把汉代文献与磁性指向联系起来,王振铎提出并实现了磁石勺指向,逐步推进了复原研究。后来者因未能重复王振铎的制作,且受限于科学理论和测量手段不足(王振铎：“惜无合宜之量磁仪器,用测其磁性”)([9],259页),对磁石勺及其他方案的可行性和优劣性存在很大争议,遗留了很多问题：为什么王振铎的磁石勺可以有效指南,而别人做不出？今人能做到,古人能否做得到？利用磁石制作指向器还有哪些可行性方案,哪种最贴合古代记载？是否存在否定性证据表明唐以前不存在磁指向器(或技术)？若这些问题得以解决,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问题。

笔者认为,磁性指向是一个力学过程,取决于磁体所受地磁场力矩和所依托部件对其产生的阻力矩。前者由磁体磁矩和地磁强度水平分量决定,后者取决于安装方式和工艺水平,还要综合考虑适用性和耐用性等。本文综合多学科理论深入阐明相关科学问题,并以实验和数据为依据,以求消除争议,切实推进该领域研究。

2 磁石的科学认识、田野采集与有效测量

磁石勺指南的关键在磁石剩余磁化强度的大小。已有研究多以化学成分为辨别依据,将磁铁矿与磁石完全等同,并没有开展有效的田野考察获得具有较强剩磁的磁石。而古人是以剩磁大小这一物理性质来判别磁石。这导致已有研究所用磁石与古人的描述差距极大。磁石的剩磁究竟会有多强,如何形成的？前人研究用通电线圈磁化后的铁矿石,能否代表天然磁石？本节就这些问题做如下探讨。

2.1 对磁石的科学认识

什么是磁石？中西方古文献中都曾描述磁石(慈石)具有吸铁、互相吸引排斥的现象。如《吕氏春秋·季秋纪·精通篇》：“磁石召铁,或引之也”；汉高诱注：“石铁之母也。以有慈石,故能引其子。石之不慈者,亦不能引也”；《鬼谷子·反应篇》：“若磁石之取针”。磁石常会吸附周边的铁矿石碎屑,状若生毛,如《本草纲目》记载：“磁石其毛轻紫,石上颇涩,可吸连针铁”[43],成为磁石的显著标志。因此,铁矿石虽然大都可被磁铁吸引,但只有能主动吸铁或表现出排斥现象的铁矿石才符合古人对磁石的描述。

岩石或矿物的磁性属于亚铁磁性*各类物质呈现出铁磁性、顺磁性和抗磁性等不同的宏观磁性；铁磁性又包括铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性三种类型。,属于岩石磁学、磁性矿物学和古地磁学的研究范畴。但现代岩石磁学中没有“磁石”这种专门矿物。实际上具有天然剩余磁性的矿物有很多种。依据相关文献[44- 48],天然剩余磁性*矿石在成矿时,受当时地磁场磁化,经历漫长地质年代,所保留下来的磁化强度称为天然剩余磁性。的形成需要同时满足以下三个层面的条件：

原子层面：物质的磁性都是带电粒子运动的结果,具有铁磁性(自发磁化)的根源是原子(正离子)磁矩,主要是电子自旋磁矩。在原子的电子壳层中存在没有被电子填满的状态是产生铁磁性的必要条件。例如3d状态下,铁有4个空位,钴有3个空位,镍有2个空位。若使充填的电子自旋磁矩同向排列起来,则磁矩分别为铁4μB,钴3μB,镍2μB。

晶体层面：原子组成晶格时,电子互换,相邻原子磁矩将同向平行排列,从而形成磁化小区域,即磁畴。锰等元素在3d态上有五个空位,但其电子自旋未能同向排列,因此并非磁性元素。磁畴内部相邻原子磁矩若同向平行排列,形成铁磁性；若不同原子磁矩大小不等,但反向平行排列,仍可有一定的自发磁矩,即为亚铁磁性。地球上形成的自发磁化矿物均为亚铁磁性的铁矿石*地球上仅格陵兰岛曾发现天然铁,各地偶尔发现陨铁,但数量都极少,都不是磁石。。磁铁矿与磁赤铁矿属于等轴晶系反尖晶石结构,磁黄铁矿属于六方晶系复六方双锥晶类。它们都可形成亚铁磁性,是饱和磁化强度(Js)最高的三类矿物,其理论值(室温)为：磁铁矿(Fe3O4)：92～93emu/g*磁矩和磁化强度的单位有很多种,对于描述宏观铁矿石的磁性,适用高斯制的emu和emu/g.,磁赤铁矿(γ- Fe2O3)：83.5emu/g,磁黄铁矿(FeS1+x)18emu/g(x=0.125时)[45]。其他结构铁矿石的亚铁磁性都较弱,如钙铁榴石等,常见的赤铁矿(α- Fe2O3,三方晶系刚玉型结构)、针铁矿(Fe2O3H2O,为正交/斜方晶系并结晶成α相)则极其微弱。实际上,天然形成的铁磁性矿物一般具有复杂的成分,如常含有Ti元素,现代矿物学常用Fe- Ti- O三元系矿物来描述,Ti元素也会导致亚铁磁性降低*磁石常与其他矿物伴生,古人对此已有认识。如《管子·地数》：“上有慈石者,下有铜金”。王振铎认为此处的“慈石”应当为磁黄铁矿,“铜金”为黄铁矿([9],63～64页)。《本草纲目》“玄石”目引秦汉医家之《别录》曰：“玄石生泰山之阳,山阴有铜”,“慈石生山之阴有铁处,玄石生山之阳有铜处”；记述玄石外观略与磁石相近,但磁性弱,药性不同。此处的“玄石”可能是磁黄铁矿。。

矿石层面：铁矿石是多种矿物的固溶体或混合物,结构复杂。其剩余磁化强度受矿物种类、含铁量、颗粒大小与形状、内部应力、晶体方向,及生成环境和后期所经历的一种或多种磁化机理的影响*岩石剩余磁性成形的机理有原生剩磁和次生剩磁。前者包括热剩余磁性(TRM)、沉积剩余磁性(DRM)和化学剩余磁性(CRM)；后者是在岩石生成之后,受外部因素的作用而获得的,主要有粘滞剩余磁性(VRM)和等温剩余磁性(IRM)两种。。各种磁化机理产生的剩磁差异极大。热剩余磁化强度(简称热剩磁)是其中磁化效果最强、最主要的一种。它是将岩石加热到居里点(600～700℃)以上然后在地磁场中冷却至室温所获得的剩磁*若降温时只在某一温度区间施加外磁场,也可以得到剩磁,称为部分热剩磁。。在弱磁场中,热剩磁比等温剩磁(如摩擦磁化)强几十至几百倍,且具有很高的稳定性和极长的弛豫时间。火成岩及导生于火成岩的沉积岩铁矿石由岩浆冷却而成,可获得显著的热剩磁。在地质演化过程中,矿石会获得多次热剩磁,导致磁化强度不均匀、方向不一致,可能具有多个磁极；或者形成闭合磁路,整体磁性很弱,破开后磁性增加等复杂现象。这些在本文的系列实验中多有体现。

实际上,各种天然铁矿石多少都会有一点剩磁,但差别极大,即使是磁铁矿、磁赤铁矿与磁黄铁矿,其大多数的天然剩余磁性也很弱,能够吸铁及互相吸引、排斥的只是少数,而且无法达到理论上的饱和磁化。

磁石的性质与后来的摩擦磁化磁针(属于等温磁化)、现代充磁机一次性均匀磁化的铁氧体或钕铁硼磁体的性质完全不同。有文献对磁石形成机理认识不够,导致其实验存在一定偏差。如试图通过模拟地磁场或稍高的磁场,想在常温下为一般铁矿石或较弱的磁石充磁。这样自然是没有效果的。第一,要看铁矿石是否属于前述三种；第二,原本没有天然剩磁的铁矿石,其晶体或矿物颗粒的方向一致性本来就很差,难以具有整体剩磁；第三,磁石的天然剩磁属于热剩磁,是从高温缓慢冷却结晶成矿时获得的,只有完全模拟这一变温过程,才能起到效果。

2.2 磁石的采集与成分分析

课题开展以来,笔者多方考察寻找磁石矿。古文献多记载河北武安磁山产磁石。当地也称其为红山,历代均有开采,但规模较小,在周边存留多处古代冶铁遗迹,年代不明[49]。铁矿体裸露地表,夹杂石榴石[49,50]。1915年起,安特生(J. G. Andersson,1874～1960)等曾来此考察。1936年商办政和实业公司在此创办永安铁厂；1943年起,“日铁矿业所”在此先后建立多个开采场；1951年起复采,1983年采完废弃[51]。山顶遗留直径约200余米矿坑,现被用作垃圾填埋场。山坡散落零星铁矿石,其剩磁都极其微弱,仅能将悬吊的缝衣针吸引较小的角度,莫氏硬度为6～7。

笔者在河北省张家口市龙烟铁矿区内,发现几处具有较高剩磁的磁石矿。其中主要一处矿井现已被封闭。周边堆积大量待出售的矿石,呈致密块状、颗粒状结构,表面吸附了很多矿石碎屑,前后连接如毛状(图2),与古文献记载相合。用划痕法测定,矿石的莫氏硬度6～7。

用X射线衍射法分析,磁山采集的矿石主要成分为钙铁榴石(表1)*钙铁榴石多产在接触变质的石灰岩和大理岩中,由含铁的溶液将岩石中的钙置换而成；部分也产于正长岩、蛇纹岩和绿泥石片岩中,与磁铁矿共生,具有微磁性。。据记载,王振铎制作的磁石勺即用磁山矿石制作。笔者对王振铎所用磁石的剩余材料进行X射线衍射法分析,成分基本一致(图3)。龙烟铁矿区采集的磁石主要成分为磁赤铁矿,含少量针铁矿和二氧化硅(图4,表2)*分析委托北京北达燕园微构分析测试中心进行。采用X射线衍射仪(D/max- rB),算法标准：“SY/T 5163- 2010 沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法”。。

图2 龙烟矿区一处铁矿场及磁石

图3 磁山矿石样品X射线衍射图谱

成分全铁含量TFe钙铁榴石Ca3Fe2[SiO4]3磁铁矿Fe3O4赤铁矿Fe2O3石英SiO2含量17%87%5%7%1%

图4 龙烟矿区磁石样品X射线衍射图谱

成分全铁含量磁赤铁矿γ-Fe2O3针铁矿Fe2O3H2O石英SiO2含量62%76%11%13%

磁石是勘探铁矿的显著标识,因此易开采的磁石资源消耗很快。《本草纲目》引北宋苏颂语：“今北番以慈石作礼物”[43],表明北宋时中原地区易开采的磁石已相对稀缺；龙烟铁矿区附近有辽代至明代的上仓冶铁遗址[52,53],不排除该文献记载的北番磁石即来自此处。磁石逐渐稀缺也可能是磁针式指南针出现的原因之一,详见本文第6节。

2.3 古文献记载的磁石磁性考察——吸铁试验

古人利用的磁石磁性如何,与笔者收集的磁石相比,孰强孰弱？本节通过文献记载和吸铁实验,对此做了比较。

据刘宋雷敩著《雷公炮炙论》*刘宋雷敩《雷公炮炙论》撰于5世纪,元时亡佚,内容散见于宋、明本草；1924年重辑,存1932年成都益生堂刻本；今有施仲安校注本(江苏科学技术出版社,1985年)和尚志钧辑校本(上海中医学院出版社,1985年)。描述磁石磁性的文献还有：梁陶弘景《本草经集注》(公元500年)：“今南方亦有好者,能悬吸针,虚连三、四者为佳”。唐苏敬《新修本草》(公元659年)：“初破好者,能连十针,一斤刀铁,亦被回转”。五代韩保昇《蜀注本草》：“吸铁虚连是数针,乃至一二斤刀器,回转不落。”宋苏颂《本草图经》：“能吸铁虚连十数针,或一二斤刀器回转不落者尤真”。中的记载：

夫欲验者,一斤磁石,四面只吸铁一斤者,此名延年砂。四面只吸得铁八两者,号绩未石。四面只吸得五两以来者,号曰磁石。[54]*有版本将“斤”作“片”(系审稿人指出)。笔者考北宋《证类本草》、《大观本草》、《政和本草》,作“斤”；明代《本草纲目》作“片”。显然“斤”更为准确、实用；“片”大小不定,出现于明代,当为“斤”之误。磁石吸铁量与磁体的开路磁化强度、体积、形状,以及被吸钢铁的磁导率以及间隙大小有关。

这段文字用吸铁量来衡量磁石磁性*古代还用磁石吸铁的方法来检测铁矿石含铁量,先将矿石加工为粉末,用磁石多次吸取,吸得比例越高,表明含铁量越高。。磁石“四面”吸铁,即用全部外表面来吸铁颗粒。已知铁颗粒越细,间隙越小,被吸的总质量越多；颗粒越接近球形,其堆积间隙体积比例越大,被吸的总质量越小。本节用容易被吸的0.01mm铁粉和不易被吸的1mm铁珠进行吸铁试验，来评估磁石的磁性范围。若古人用更大即更不容易被吸的铁颗粒也能吸取同样的重量,说明其所用磁石磁性更强。南朝度量衡沿用新莽古制,一斤合222.8g(吴承洛：《中国度量衡史》)或220g(《中国科学技术史》“度量衡卷”)。

用接近、略高及显著高于220g的6块随机形状磁石(①～⑥号)进行吸铁测试。其方法：把磁石埋进铁粉,轻拿起来,使吸附不牢的铁粉自然脱落(图5),测量吸铁质量。每块重复测量12次,磁石参数及吸铁结果见表3。与古文献描述的磁石相比,本课题所收集磁石的剩余磁化强度处于上中等的层次,较好地模拟了古人所用磁石。实验也显示细长状磁石磁路更长,吸铁能力下降。虽然古文献未说明其所用磁石的形状,但若古人用此形状磁石也能吸取同样的铁,说明其磁石磁性更强,更有利于磁性指向,会更加支持本文的研究结果。

图5 磁石吸铁试验(铁颗粒度：0.01mm、1mm)

磁石序号①②③④⑤⑥质量(g)215.55218.12233.89352.98353.14628.08体积(cm3)45.6445.2250.2175.0375.13135.75密度(g/cm3)4.724.824.664.704.704.63N极最大表磁(Gs)672520.3581.1586.4752.2639.8S极最大表磁(Gs)403.4304.3425.5386.2597.3894.80.01m铁粉平均吸铁量(g)197.12206.57243.08110.4742.81401.61吸铁质量比0.910.880.690.310.20.641mm铁珠平均吸铁量(g)141.5204.36236.6977.0431.5446.32吸铁质量比0.660.870.670.220.140.71

说明：表磁测量使用北京翠海佳诚CH- 1600高精度数字化高斯计。

2.4 研制磁矩测量装置

在磁石的各项磁学参量中,决定其在磁场中受力矩大小的是磁矩。现有的磁矩测量装置中,“亥姆霍兹线圈-磁通计”法要求被测磁体为正方体、圆柱体或圆环状；也有设备理论上可以测量任何形状,但其检测腔只能容纳小于1cm的样品。本研究使用的磁石形状不规则、尺度为10cm级别,现有设备无法测量其磁矩。刘秉正和林文照的文献中用表磁(表面磁感应强度)来代替磁矩。表磁表示磁体表面某点的磁感应强度,与磁矩量纲不同,且非严格同增同减关系。

本课题自主研制了一种磁矩测量装置*本装置已申报国家发明专利,申请号/专利号：201710144060.4。(图6、7)。该装置对磁石形状没有要求,适宜尺度范围1～10cm。其原理是：把该装置放在大型亥姆霍兹线圈*亥姆霍兹线圈可在一定区域内产生匀强磁场,本研究所制线圈为一维二环正方形,绕线线径0.60mm,线圈物理边长800mm,单线圈匝数174,总线圈电阻(20℃)69.4Ω。用北京翠海佳诚磁电科技有限公司生产的磁通门计测定,其均匀度：边长10cm3正方体空间内均匀度99.4%；20cm3正方体空间内均匀度98.2%；“磁场-电流”公式(含地磁场)：B=3.49I+271.21mGs(B——线圈中心的磁感应强度,单位：mGs；I——线圈电流强度,单位mA)。中,把磁体置于吊盘上,使其南北极沿外磁场的东西向固定放置,受到的磁场力矩均等传递到两个电阻应变片上。逐级增加磁场水平分量,对“力矩-磁场”进行线性拟合,拟合直线的斜率与磁矩成正比。经标定,即可测量磁石磁矩并计算磁化强度。经测定,本磁石磁矩测量装置的线性度：最大偏差2.50%,重复性：标准差为平均值的1.416%(0.100A,0.637Gs时),有效精度0.01emu。此外,亥姆霍兹线圈也可用于古地磁场模拟(见第3、4节)。

磁石的各向异性程度不等,常出现多个磁极。对指向起作用的是各磁偶极矩所受力矩的矢量和,即便其表磁、吸铁量都很大,然指向性能不见得好。本装置实质上是测量磁石所受的力矩矢量和,再换算成磁矩,得到的磁化强度是整体矢量平均值,有效避开了用电磁感应原理测量磁石磁矩时需要考虑的磁感线复杂性影响,能直接、准确地衡量磁石的指向性能。

图6 磁石磁矩测量装置

图7 一维方形亥姆霍兹线圈

3 古代地磁场水平方向分量演变

对磁性指向起作用的是地磁场在水平方向的分量,即地磁场总量与地磁倾角余弦值的乘积,属于三重函数非线性叠加,地磁场总量和地磁倾角的波动极易被显著放大,有可能对磁性指向效果产生重大影响,然而已有指南针研究文献对这一点未能给予足够重视。如刘秉正认为中原地区地磁三要素(地磁总强度、地磁偏角、地磁倾角)的古今差别不超过30%,对指南性能影响不大[21]。古地磁学的发现与研究表明,地球磁场存在着复杂变化,如磁极移动、强度变化乃至磁极翻转。地磁三要素的变化有长周期也有短周期,既有整体性变化也有局部性变化。对历史时期烧土(如古陶、窑砖、灶、瓦片)的热剩磁分析,发现在2000年前左右各地的地磁强度普遍为一高峰域,大于现代值50%左右,法国、俄罗斯、日本的数据接近；地磁倾角也经历千年周期循环,各地曲线特征相近,但相位不同[55]。

20世纪60年代和80年代,中国学者实测发现两千多年来北京和洛阳地磁场较强时,地磁倾角较小[56,57],恰形成了较大的地磁场水平分量。2016年新发表文献中,对天水地区的实测数据[58]也体现出这一趋势。本文依据上述文献中地磁场总量和倾角数据计算了地磁场水平分量。结果显示,两千多年来,北京、洛阳、天水的地磁场水平分量呈显著M形变化(图8),峰值几乎是谷值的两倍多。公元前4世纪至公元6世纪初为高峰期,《论衡》正成书于此；北宋和现代处于低谷期。北京、洛阳、天水围成的区域包括了华北、中原和关中平原，是先秦至唐代中华文明核心区域。这些数据较为全面地反映了古代地磁场演变状况。本文用2.4节亥姆霍兹线圈模拟古代磁场，做了系列指向测试。

图8 近两千年来北京、洛阳及天水地磁场水平方向分量演变(据文献[56- 58]计算)

4 磁石勺“司南”的制作与指向测试

古代工艺条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环境下指向性能及对地盘硬度、光滑程度要求如何？本节通过复原实验和定量分析得到确定的答案。

4.1 磁石勺加工

石器时代以来,古人积累了丰富的石器加工经验。微痕分析和复原实验表明红山、良渚时代已经出现了研磨、刻划、线性切割和钻孔等方法,使用水和砂,经过铡、錾、冲、压、勾、顺等工序,可完成精细复杂的切割、开槽、穿孔、抛光等工作[59,60]。青铜时代和铁器时代以来,金属工具的使用极大地提高了石器加工效率和复杂程度,这在汉画像石技法上有充分体现[61,62]。明代《天工开物》记载用坨(圆铁盘)和解玉砂切割玉石[63]；据法国传教士记载,清代用此法可轻而易举地切割磁石,效率极高[64]。可见,先秦以来,将磁石加工成勺状、底部抛光不存在任何技术困难,且制作效率在逐步提高。古代切割、琢磨工艺属于低速摩擦,并配合水冷,工艺本身造成的退磁会很小。

笔者仿照古代工艺条件制作了2枚磁石勺。1号勺为技术验证品,用5号磁石制成,勺体选向随磁石外形而定,成形后勺柄指西北。2号勺为正式产品,用6号磁石按照一定工序制成,勺柄指南。以2号勺为例,其制作要领：选用细长形、无裂纹、只有两个磁极且南北两极沿长度方向分布的磁石；用细线将磁石悬吊起来,静止后沿地理南北方向在磁石上画一条线,在线的两侧对称画出勺状轮廓,再逐次打磨成形。为了提高指向灵敏度,勺底球面半径应尽量小,但过小会导致勺体容易倾覆,需要挖勺窝以降低重心。由于勺柄不能太细,又容易倾斜触地,所以接近于勺柄一侧勺窝要深一些,使质心保持在勺体中心。最后将勺底打磨成光滑的球面(图9)。

切削工具先后使用绳砂和旋转式切割机,均为水冷、低速切磨,其工艺水平与古代相同。打磨勺窝使用罗机和磨头,勺底球面加工使用锉和1200目砂纸。本研究采集的磁石可切削性良好,只要磁石选材无明显裂纹,几乎不存在破碎、开裂现象。常有文献对此表示疑虑,其实只要矿石结构合适,大可不必担心。

据本实验加工过程来估测：对于熟练工,1枚8厘米大小的磁石勺产品,用绳砂法大约10日可完成,用钢丝绳法约5日可完成,用坨具2日即可完成。相比磁石勺可能带来的收益,此人力成本并不高。古人会更有耐心地将磁石勺外形琢磨得更加精细。

图9 1号磁石勺(Ⅰ)及2号磁勺的制作过程(Ⅱ～Ⅳ)

4.2 磁石加工退磁的测量与分析

2号磁石勺制作中以及成形后的磁性变化参数见表4,数据显示磁石磁性变化并不简单。短时间内,由切割、打磨造成的退磁很轻微,似乎磁化强度会偶有提升；长时间后退磁明显,但最终又稳定下来。笔者认为,磁石的剩余磁性来源于热剩磁效应,是从居里点以上降温过程中得到的,矿石凝固后,磁性被“冻结”在磁石内部。低温切割、打磨不会对剩磁产生实质性影响。磁石在开采过程中都已经历过捶打、爆破,装运中也经历剧烈摩擦、碰撞,采集后还具有显著的磁性。相比之下，低温切割不会产生大的影响。成形之初,2号磁石勺的开路磁化强度似乎略有提高,可能因为此次测量不够精细、重复性不佳,也可能与磁石磁化不均匀或局部方向不一致有关,即剩余部分磁石磁化强度更高或方向更一致。成形后一段时间,磁化强度有所降低,一段时间后稳定于80.3%；到第289日后仍保持此水平。笔者认为此变化是磁石形状改变引起的,即形状改变后,磁石内部原有的磁势平衡被破坏,向低能态发展,直到重新平衡,便保持稳定。第500日继续加工,将勺底形状优化,使其经受较大晃动而不会倾倒,加工量很小,磁矩略有减小,但磁化强度直至第530日未发生改变。

此外,本课题还做了大量对比试验,如用绳砂切割的方法将4号磁石加工为细长状长方体、再将两端磨尖。其磁化强度变化趋势与2号勺相近。这表明天然形成的磁石稳定性远远优于摩擦磁化指南针。已有研究所依据的磁体经验来源于人工摩擦磁化,这些认识不适用于磁石。制作过程中发现天然磁石内部磁化方向有差异,最终产品的磁极方向不一定与原磁石相同,可能导致勺柄指向与预设方位有一定偏差。但可以在加工过程中随时检测,调整切割位置,及时校正方向。作为对比,王振铎磁石勺的磁矩和磁化强度等参数见表5。

表4 2号磁石勺加工中及后期磁性变化

表5 王振铎磁石勺参数

4.3 地盘制作与参数测量

地盘对磁石勺的阻力取决于地盘表面硬度和粗糙度,也是指向性能的决定性因素之一。

王振铎方案使用的青铜地盘表面光滑。中国古代青铜镜制作技艺高超、使用普遍,不存在技术困难。青铜的硬度在一定范围内随含锡量的增加而提高,唐以前铜镜锡含量约为10%～24%[65]。镜面抛光以细土和木炭粉为研磨剂,可接近光学平面,有一定映照能力,早期如此即可使用；秦汉后常在表面涂锡,用白旃(毡)打光,效果更佳。如《淮南子·修务训》记载：“明镜之始下型,朦然未见形容,及其粉以玄锡,摩以白旃,鬓眉微毫可得而察”。

为了比较各类材质和加工程度地盘对磁勺指向的影响程度,准备了4种地盘,打光用1200目砂纸,抛光用白毡和木炭粉,可勉强照容,接近光学平面。硬度测量使用里氏硬度计,表面粗糙度的测量用粗糙度计,结果见表6。

表6 地盘参数表

* 使用亚测(上海)仪器科技有限公司TH170笔式硬度计；多点测量取平均值。

** 使用广州兰泰仪器有限公司 SRT- 6200(10μm测针),Ra：单次测量区间平均粗糙度,Rz：单次测量区间最大粗糙度；多点测量取平均值。

4.4 磁石勺指向性能测试

测试方法：将地盘放置在地磁模拟装置(2.4节所制亥姆霍兹线圈)中央,将2号磁石勺放置于地盘中央(图10)。调节电流设定相应地磁场水平分量。将勺柄指向正东,用适当的力向下触动勺柄,勺体就会在磁场力作用下一边水平转动,一边垂直摆动(即王振铎所言“播动”),最终指向一个方位；再将勺柄分别指向正西、正北,重复操作。为了提高测量精度,在勺柄安装细铜丝,地盘下面垫全圆量角器。

由于磁石勺磁矩发生变化,本文做了多次指向测试。其中,磁矩稳定后(磁化强度约15emu/g)指向偏差度见表7结果显示。在古代高地磁水平分量时(0.632Gs,约东汉时期),磁石勺有着极佳的可用性,在4种材质表面上,无需人为触动勺体,仅借助磁场力即可有力转动自动指南。在古代中等地磁水平分量时(0.4～0.5Gs,约战国至西汉,及南北朝至唐前期),磁石勺在青铜表面仍有上佳表现,可自主转动指南；在大理石、榆木表面需要触碰一、两下勺柄,助其启动,然后自动指南。在低地磁水平分量时(0.276Gs,北宋及现代),磁石勺在抛光的青铜表面仍可自主启动,但指向存在一定偏差,人为触动勺柄可继续转动,最终指向性依然很好；在砂纸打光的青铜、大理石、榆木表面上自主启动比较费力,但触动勺柄后,仍具有一定的指向效果。

图10 磁石勺青铜地盘指向试验

地磁强度水平分量/Gs0.6320.50.40.276地盘ⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣ正西启动-2002-22-2332-1-5-34-16121-4234413-3612442-3-2332-42043542-562312-2-2233214224112-2313-3-512-331524正北启动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正东启动332-313-21-1-22-41-3-3-6121222-2-2-22114-3-54233232-401324-3-2671-235012131-114-25921221122033-52416分布范围567966810578127101315标准差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,负值表示南偏东。

5 磁石指向器其他可能性方案制作与指向测试

有学者认为,磁石指向器不必拘泥于勺状方案,采用水浮或悬吊的方式或可更好用。诚然,古人若用磁石制作指向器,必然进行了多种探索试验。磁石指向器的安放方式不外乎三种可能：悬吊、水浮和支撑。本节开展了系列模拟实验,对此三种方式的技术可行性和适用性进行了综合比较和评估*由于篇幅所限,本节实验的详细过程和数据从略。。

5.1 磁石水浮指南实验

唐代韦肇《瓢赋》、南宋《事林广记》指南鱼等记载显示出水浮式磁石指向器具有可行性；程军、李志超也提出了水浮式“司南”设计方案[40,42]；近来,闻人军根据宋残本“酌”字记载,用磁化钢针和花生壳做了指向测试[36]。水浮法的可行性毫无疑问,而且水的阻力体现为粘滞阻尼,阻尼力与速度正相关,具有兼顾快速响应和灵敏指向的潜在优势,但是否存在其他不利因素,需要实验探索。

分别将7号磁石(11.13g,124.28emu)置于圆形木块上(图11),8号磁石(5.14g,60.76emu)装在小葫芦里,9号磁石(86.40g,1474.92emu)装在较大葫芦里(图12)进行分组实验。结果显示,磁石水浮法指向是可行的,可以实现固定指向；以葫芦为载体转动阻尼更大,可以快速定向；但在水的表面张力作用下,浮块很难稳定在水盆中央,极易接触水盆边缘,导致失败；漂浮体越大,此现象越严重。正如王振铎所言,传统磁针式水罗盘也有此弊端[66],而且需要提前盛水,也有不便,即水浮法适用性有一定不足。

5.2 磁石悬吊指向实验

西汉《淮南万毕术》(公元前2世纪成书)云：“取亡人衣带裹磁石,悬井中,亡人自归”。有观点认为这是将磁石悬吊起来指向,形成一项礼俗活动寄托对亲人的思念,体现了磁石指极性的早期认识([33],128,139页)；也有人认为古代并无此类礼俗,是好事者据此现象而杜撰[21]。无论是否存在此种礼俗,但古人确实做过悬吊磁石的试验。3.2节和4.1节已经显示磁石悬吊后确实具有指向性。如果将其用于实际指向,吊绳内部扭矩是否影响指向准确性,有没有其他技术困难？

用2mm粗的麻线将多块不同形状的磁石分别捆绑悬吊起来,令N、S两极处于水平面；置入古地磁场模拟装置中,将地磁场水平分量在现代值与公元前2世纪对应值间调节,观察磁石转动情况(图13)。结果显示,无论是当代磁场还是古代磁场强度下,磁石不受麻绳扭矩影响,都会有固定的朝向。但磁石的转动惯量和初始角动量较大,空气阻尼太小,数分钟后磁石才会完全稳定,需要用手多次辅助制动；磁石易受气流冲击或麻绳晃动而不稳定。

从《淮南万毕术》的记载和本文实验综合来看,西汉人应当发现了磁石指向现象,才会有此应用。但磁性指向是否有指南等其他形式的应用,还需考证。

5.3 金属勺盛放磁石指向实验

与水浮和悬吊法相比,勺状方案具有独特的优越性,但加工费时,且有一定的磁性损失。金属材料的硬度、表面光滑性、可加工性均优于石质材料。若将磁石置于金属勺内,效果如何？在先秦至唐宋技术背景下,勺体以铜、铁为材质的可能性最大。用这些材料做如下实验。

制作了大小两个红铜勺体,底面用1200目砂纸磨光,用白毡和木炭粉打磨至勉强照容状态。将10号磁石(30.15g,899.71emu)、11号磁石(239.19g,4031.43emu)分别放置于小、大铜勺内,放置在地盘表面进行指向试验(图13)。结果显示,在当代地磁环境下,两个铜勺都具有一定的指向性；在古代地磁分量水平较高时期,其指向性更好。但其缺点也很明显：铜勺自身质量明显降低了整体平均磁化强度,磁石盛放在勺窝内提高了整体重心；为防倾覆,勺底球面半径显著大于磁石勺,又降低了灵敏度；将铜勺做得轻薄一些,虽有助于提升实用效果,但整体效果和美观程度还是不及浑然一体的磁石勺方案。

制作了5枚铁勺(1～5号),勺部容积和整体长度依序增加；用1200目砂纸打光,再用白毡和碳粉抛光接近照容状。将12号磁石(48.05g,771.34emu)先后放置在每个磁石勺上,S极朝向勺柄侧。再进行指向测试(图15,操作方法与铜勺方案相同)。结果显示,1、2、3号铁勺具有一定的指向性,而4、5号则基本没有指向性；测量发现整体磁矩减小为原来的9.16%～38.99%。本文认为：铁具有很高的磁导率,可将多数磁感线汇聚在勺体内构成闭合磁路,整体开路磁矩和平均磁化强度显著减小,勺体越大,汇聚越强。用铁勺来提高指向性反而起了负作用。

5.4 铁勺磁化指向实验

铁的饱和磁化强度远高于磁石。磁针式指南针因此具有上佳的指向性。有研究者猜测司南也可能是以天然磁石将钢勺摩擦磁化而成[67]；近来又用钕铁硼磁铁和铁氧体磁铁摩擦磁化钢勺进行模拟实验,认为其指向误差在10°以内[68]。古代钢铁都是铁碳合金,其饱和磁化强度与含碳量、热加工造成的铁碳合金固溶体形态及内应力有关[69],与摩擦剩磁与外磁场、铁制品质量大小等有关。用天然磁石摩擦钢勺,剩磁能达到何种程度,指向性如何？实验如下：

勺体材质：10#碳素钢、45#碳素钢；勺形：短柄、长柄(图16)、双柄；成形方法：剪出勺体轮廓,冷锻成形,下底接近球面,打磨整齐；质量：1.88～3.36g；热处理方式：不加热、退火、中温淬火(400℃)*试验中曾在居里点以上高温度(830℃)淬火,探索淬火温度对矫顽力的影响,但铁勺碎裂,无法使用,说明对于体积较小的铁勺,不宜进行高温淬火。；表面加工：下底面用1200目砂纸打磨光滑,用白毡和木炭粉抛光接近照容状。将勺柄、勺头的顶端分别在磁石N、S极(最大表磁700Gs)摩擦各约1分钟。将铁勺放置在I号铜地盘中央,勺柄指向北方或东、西方向,轻轻触动勺头,使其晃动。结果显示,部分含碳量高、经过淬火的钢勺有一定的指向性,但误差在10°上下；含碳量低、经过退火的钢勺剩磁很低,几乎没有指向性。

测量发现,多数钢勺的剩余磁化强度介于1.86～2.77emu/g之间,略低于王振铎磁石勺；含碳量和淬火温度最高的钢勺剩磁为3.20emu/g,但淬火导致其外表黝黑、皲裂,品相很差。其剩磁均比本文所用磁石低一个数量级,远不及热剩磁形成的天然磁石。王振铎制作的磁石勺剩磁虽然也不很高,但磁矩和转动惯量远大于铁勺,有较长的“播动”时间以完成指向。钢勺转动惯量小,“播动”时间短,指向性不佳；若铁勺质量过大,剩磁强度必将更小；若勺体太小(≤1cm),又不实用。如果钢勺小到极端做成磁针,用悬吊或水浮法,磁化效果和指向效果会好很多,就变成了罗盘。总之,钢勺摩擦磁化,一定程度上具有指向性,但性能和综合效果不及磁石勺。

图11 片状磁石水浮指向测试

图12 大葫芦装磁石指向测试

图13 磁石悬吊指向试验

图14 10号磁石与小铜勺指向试验

图15 铁勺盛放磁石指向测试

图16 磁化铁勺指向试验

6 讨 论

第一,实验显示“磁石勺”司南方案是可行的,且是以磁石为材料的各类指向器中的最佳设计方案。

实验表明,王振铎制作的磁石勺可以指南。其他人未能重复该实验的主要原因是没有找到合适的磁石。当今地磁环境下,开路磁化强度≥15emu/g磁石勺状制品可具有极佳的指向性；在秦汉时期的可用资源、技术工艺和地磁环境下,在华北、中原及关中地区,磁石勺的指向性优于现代,假定磁石的天然剩余磁化强度分布比例接近正态分布,则当时可用磁石材料的矿源数倍于当代。王振铎的磁石勺剩磁偏弱,需要放在光滑的青铜表面,故将“司南之杓,投之于地”的“地”释作青铜轼盘。本文实验表明，在秦汉时期,平整光滑的砖石地面、较为坚硬的木质地板上都可以有效指南,“地”可以采用其一般性解释,即室内的地面。

磁性指向器是否好用,主要看精确度(能否精确指向)、响应速度(能否快速定向)和稳定性(有扰动时,能否稳定指向)三个指标*现代航海磁罗经由于铁质船体自身有磁性,还需要消除自差的功能。古代堪舆罗盘和木船用指南针不存在这个需求。,制作上则取决于磁性材料选用、外形设计和安装方式三个环节。磁化强度是基础性因素,尽量选用高磁化强度材料可显著提升磁性指向器的可用性；外形设计和安装方式环节,要尽量减小转动阻力,保持适当转动阻尼和较大的平动阻力。

悬吊法可以使磁性构件的重心保持在下方,不会倾覆；水浮法具有一定的转动阻尼,有助于快速定向和保持稳定*此两优点被现代指南针或磁罗盘所吸收融合。如万安传统罗盘在磁针中部安装一个铜夹,下部略长,重心下降；同时铜夹下部做成凹面,用细针支撑,支点位于重心之上；整体效果相当于将磁针悬吊起来,同时形成了极大的平动阻力。现代指南针和航海磁罗经将磁体用透明材料封闭起来,内部加注防冻液产生转动阻尼。。而且悬吊或水浮法便于即时指向,即无须提前操作,可以随时自动指向。但水浮法平动阻力不足,磁针容易四处漂移而触碰容器；悬吊法几乎没有转动阻尼,影响快速定向。人工磁化指南针的剩余磁化强度较高,质量可以做得很小,这些缺点造成的影响尚可接受,故此一直有人认为悬吊或水浮的方式优于勺形方案。然其分析系基于从人工磁化铁磁性指南针得到的经验。磁石属于亚铁磁性物质,实际开路磁化强度很少高于30emu/g,以磁石为磁性构件,其质量和转动惯量都会显著大于人工磁化指南针*现代航海磁罗经采用多根条状磁体相隔一定间距平行排布,使所有磁体的两端均分布在一个圆上,这样在保持一定磁矩的前提下,减小了转动惯量,同时减小了铁质船体剩磁高阶自差对罗盘的影响。；悬吊或水浮法的不足之处会表现得比较明显,这在本文第5节的系列实验中都已证实。若以磁石为材料,指向器的外形设计和安装方式必不同于铁磁性指南针。

勺状方案有多个显著优点。首先,勺体所受转动阻力源于勺底的滚动摩擦力,平动阻力源于勺底的水平方向滑动摩擦力,较好地兼顾了准确性、响应速度和稳定性。其次,磁石勺的转动惯量可被用来辅助指南。即受外力触碰后,勺体获得较大的初始角动量,勺柄会长时间地保持上下摆动,勺底形成滚动摩擦,以便勺柄指南；若勺柄上下摆动时间不够,则勺体在未指南之前就停止转动,需要重新触动勺柄。指向试验表明,这一点对于在地磁水平分量较弱时期或磁化强度较低磁石勺的顺利指南起到了决定性作用。勺柄的存在有效增加了勺体沿勺柄所在垂直平面内的转动惯量。如果把勺柄做成两个、对称状分布会怎么样？在本文的铁勺盛放磁石和磁化铁勺方案就制作了这样的勺子,结果显示这样的设计将质量集中于转动中心,在同等质量下,其转动惯量小于单柄勺,不利于勺体维持摆动。虽然铁勺可以做得长一些以作弥补,而磁石勺的长度受磁石限定,只能在既定长度下尽可能实现较大的转动惯量。第5节的系列实验显示,其他勺状方案的有效磁化强度、外观效果都不及磁石勺方案。综合看来,磁石勺司南方案非常高明,可视为天然磁石指向器的最佳设计。

品读《论衡》中的记载：“司南之杓(或勺、酌),投之于地,其柢指南”。《说文解字》：“杓：枓柄也”,“酌：盛酒行觴也”,即主语为司南的柄,或勺状之司南；“投：擿也”(擿：古同“掷”),不是轻轻、稳当地摆放,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。整句可理解为：将司南掷在地上或将司南的柄拨向地面,它的柄或柄端就会指南。这12个字表达的含义和上文中指出的勺状磁石指南的用法高度相符,且描述到位、语言精练。这句话不是随便就能说出来的,而是经过了仔细观察、斟酌考量所作的描述。王充《论衡》中司南解释为勺状磁石制品是合理的。古人设计出此方案可能是基于一时灵感,也可能是不断摸索而得。

第二,地磁偏角的发现与磁石指向器的出现无必然关系。

有人可能会提出疑问,如果秦汉时使用了磁性指向器,为什么在该时期没有发现关于地磁偏角的记载？从道理上讲,古人没记载也不等于古人未发现。但本文的复原实验表明,应用磁石制品不支持发现地磁偏角。

天然磁石指向器是将已具有磁性的材料切割或组装成型,并按照其他方法预先测定好的地理南北向来标定方位,即先磁化后标定。其成品的指向必然与预先设定的方位相同。实际上它可以固定指向任何方位,如第4节的1号磁石勺、第5节“铜勺盛放磁石”；即制作工艺决定了依靠磁石制品无法发现地磁偏角。至于为什么选择指南,而不是其他方位,尚值得探讨,可能是沿用了圭表法日影指南北的惯例。

地磁偏角随时代和地区有所差别。如果同一件天然磁石指向器的使用范围跨越了地磁偏角有显著差别的时代或地区,其指向会与原定地理南北向发生偏差,这是否会导致地磁偏角的发现呢？根据古地磁学研究,近2000多年来,黄河及长江流域的地磁偏角范围为南偏西10°13′至南偏西23°26′,磁偏角发生显著变化的时间尺度为100～300年左右[70]。一件磁石指向器是否传世使用这么久是个疑问。即便可以,在尚不具备地磁偏角知识,且按照前述流程新制天然磁石指向器可以准确指向的情形下,人们只能认为之前的指向器变得不好用了。同时代各地的地磁方向差异很小,例如当代差异不超过5度[71]。这一角度与磁石指向器自身的误差级别相当,很难据此发现地磁偏角。即使发现了差异,同样也会被视为指向器出了问题。

铁磁性指南针的制作工艺不同于天然磁石,是先加工成形、后摩擦磁化,且长度超过直径的20倍以上,外形指向与磁极方向高度一致,必然指向地磁南北,从而引起地磁偏角的发现。目前所有关于地磁偏角的记录都在唐后期以后,且与“针”有关,如《管氏地理指蒙》、《梦溪笔谈》。因此,地磁偏角的发现受到了磁性材料和制作工艺的制约,唐末以前未发现地磁偏角并不能判定之前没有发明磁石指向器。恰好,地磁偏角的发现正预示着人工磁化指南针的出现。

第三,古文献记载中“司南”、“针”等称谓的演变与古地磁演变高度相关,显示司南可能是磁性指向装置,地磁场变化可能对磁性指向器的演变起到一定影响。

前人研究偏重于解释和讨论文献中“司南”的具体含义。汉语词法灵活多变,“司南”一词适用性强,在早期的秦汉文献中为具体器物的名称；三国之后多以之喻人,如《三国志·蜀志·许靖传》：“文休倜傥瑰玮,有当世之具,足下当以为司南。”但作为器物名称仍然常见,如《大慈恩寺三藏法师传》：“所谓司南启路,而众惑知方”。具有此类演变方式的其他词语不胜枚举,如“指南”、“电灯泡”等,都是先存在一个本体,再不断衍生其他含义,衍生含义的出现不仅不能否定本体存在,反而说明这个本体已经为人所熟知,其含义已经升华成一个文化符号,因此我们应该从更广阔的视角来综合看待这个词语。

整理部分“司南”一词原创性记载(表8)和明清以前对人工磁化指南针的记载*文献[17]提出唐代戴叔伦《赠徐山人》：“针自指南天窅窅,星犹拱北夜漫漫”是对指南针的最早记载。闻人军先生指出《赠徐山人》亦见于《刘槎翁先生职方诗集》卷7,应为明代刘崧作品,系清人辑《全唐诗》时误录。今存《戴叔伦集》以明活字本为最早,讹误严重；明胡震亨做去补；清辑《全唐诗》照抄旧本；今蒋寅据诸家之说重做鉴别。见：戴叔伦著,蒋寅校注：《戴叔伦诗集校注》， 上海：上海古籍出版社,2010年，250页。,从文献计量学的角度,将这些文献的分布年代与地磁场水平分量进行了对比(图17)。年代定位使用成书时代或作者生活年代,地磁场以洛阳地区为主要参照,北京、天水地区作为辅助参照。

表8 唐及唐以前文献中“司南”的记载

续表8

图17 古文献记载与地磁场水平分量演变的比较

对比发现“司南”、“指南针”两个词的历史分布与地磁场水平分量演变之间存在显著对应。唐及唐以前正是地磁水平分量高峰期,也是“司南”的原创性记载(非引述)最丰富时期。此期间,用中等以上的磁石制备磁性指向器都会具有上好的可用性,而且存在多种制作途径。唐后期以降,“司南”一词多出现于对前代文献的引述文字之中,鲜有原创性语句,而人工磁化指南“针”的记载开始出现,且频率增加得很快；此期间,天然磁石制品的可用性降到最低,而人工磁化指南针性能优良得以广泛应用。诚然,相关词汇量有待增大,个别文献的年代有争议。但现有数据足以显示“唐代以前存在天然磁石指向器”有其成立的空间和迹象；唐末宋初的地磁水平分量衰退可能对指南针材料的变革起到一定推动作用。

7 结 语

对司南的研究凝结了近百年来持各种观点的数十位学者的群体智慧。希望本文的工作有助于大家对此形成一个阶段性的共识：即在先秦至汉唐期间的知识经验、工艺水平、可用资源和地磁环境等条件下,古人有能力且可以不费力地制造出多种具有良好可用性的天然磁石指向器；磁石勺是综合效果最佳的指向方案,且很好地贴合了文献记载；虽然古文献信息量少,尚缺乏考古支持,但现有资料对此并不排斥,并趋向于司南是磁石勺。诚然,历史是否如此,最终还需要明确的古代遗物或古文献记载等证据。

致谢本研究是作者博士后期间的部分成果,是在合作导师张柏春研究员的指导下完成的,复原实验均在中国科学院自然科学史研究所中国科技史综合实验室完成。中国科学院物理研究所吕力、胡凤霞、韩秀峰研究员,地质与地球物理研究所杜爱民研究员，自然科学史研究所林文照研究员对本研究进行了联合评估和鉴定,认为“该研究引用理论和数据科学、准确,自制装备设计合理、数据可信,结论可靠,为解决长期存在的学术争议提供了新的实验依据,达到了较高的学术水准。”戴念祖、华觉明、潘吉星先生,关晓武、韩琦、苏荣誉、韩毅研究员及冯立昇、潜伟、郭世荣、李延祥、厚宇德教授、李强副研究馆员、白欣副教授对本研究都给予指导和帮助,野外考察期间得到宣化县沈焕库、磁山博物馆馆长张海江等社会人士的热情帮助,审稿人亦对本文提出了宝贵意见,一并深表谢忱!

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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

黄兴,1981年生,河北宣化人,助理研究员,主要从事物理学史、冶铁史、机械史和技术史数字仿真研究。

中国博士后科学基金特别资助“中国古代指南针科学认知与实证研究”(项目编号：2016T90149)