为人类航海保驾护航的指南针

唐文宗开成三年 （838年），日本和尚圆仁来中国求法。当时，他所乘坐的船在海上遭遇了连日阴雨。由于看不到日月星辰，就连经验丰富的水手也迷失了方向。大家七嘴八舌地出主意，有的说向北行，有的说向西北行，但谁也不能确定自己指的方向是否正确，更不知道此处距离陆地有多远。最后实在没办法了，只好在一处海况较好的地方下锚，等待天气转晴再继续航行。由于船上的食物和淡水有限，所以这种等待其实是很危险的。后来，这段艰辛的经历被圆仁写进了《入唐求法巡礼行记》一文中。

我们假设，这位圆仁和尚不是在唐代而是在宋代来中国求法，那么他的渡海过程可能就不会如此艰辛了。因为在唐代，船只航行靠的是牵星术来辨别方向，所以只要连日阴雨看不见日月星辰，就会迷失方向。到了宋代，已经可以用不受天气影响的指南针来为船只导航了。朱彧在《萍洲可谈》中写道：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针。”这是人类使用指南针为航船导航的最早的文字记录。

据史料记载，1101年至1103年间，朱彧的父亲朱服在广州做知州 ，朱彧亦随父来到广州。当时的广州是对外通商的大港口，不但有管理海船的市舶司，还有供海外商人居留的蕃坊。《萍洲可谈》记录了朱彧在广州的见闻。由此可推知，我国古人开始用指南针导航的时间不会晚于1103年。

之后，随着指南针在航海中越来越频繁地被使用，其地位也日渐重要。为了确保指南针能够正常运行，船上还会派专人负责看管。南宋《梦粱录》里就写道：“风雨冥晦时，唯凭针盘而行，乃火长掌之。”火长就是掌管指南针的人。

司南：指南针的前身

司南之所以被称为“司南”，是因為它的勺柄始终指向南方。《韩非子》中有“先王立司南以端朝夕”的记载，“端朝夕”即正四方、定方位的意思，由此可推之，早在战国时就已经有了司南。

那么，既然司南指南的特性早在战国时就被发现了，却为什么没能推广开来呢？这主要是因为司南存在三大缺陷：首先，制作司南的天然磁体不仅难以获得，而且容易在加工或使用中因为受击打、受热而失去磁性;其次，由于天然磁体的磁性较弱，所以勺底与地盘的接触处必须非常光滑，否则就会因为摩擦阻力大而难于旋转，达不到指南的目的;第三，司南的体积和重量较大，不便于随身携带。不过，司南虽然没能被古人广泛使用，但其指南的特性却催生了指南针。也因此，指南针被称为“指南针”，而非“指北针”。

沈括《梦溪笔谈》中的磁针装置法

勺的材质为硬度在5.5度至6.5度的整块天然磁石

静止时勺柄指向南，重心在勺底正中

地盘的材质为青铜，内圆外方，中间表面光滑，四周刻有干支四维，合成二十四向

水浮法

一枚穿着灯芯草的磁针漂浮在一碗水中，针尖指南。

碗唇旋定法

将磁针放置在碗口边缘，使其能够自由旋转，针尖指南。

指甲旋定法

将磁针放在手指甲上，使其能够自由旋转，针尖指南。

缕悬法

将一根蚕丝用蜡粘在磁针中部，悬挂在无风处，使其能够自由转动，针尖指南。

根据磁针的装置方法不同，指南针可分为水针和旱针两种。水浮法为水针，后三者为旱针。沈括认为：水浮法会因为水面晃动而影响指南效果;碗唇旋定法和指甲旋定法虽然针转动灵活，但容易掉落;缕悬法是较理想而又切实可行的方法。但有意思的是，不被沈括看好的水针，在元代及之后的时期却被广泛使用。

人工磁化法

当古人意识到天然磁石是多么不可靠时，就开始寻找它的替代品。三国魏人管辂所著的《管氏地理指蒙》中，明确提到将铁针磁化后可指南北。这也是古代文献中第一次明确提到了指南针。不过经后人考证该书实为唐人伪作，实际写作年代在9世纪至10世纪期间。也就是说，最迟在晚唐，人们已经懂得了如何进行人工磁化。古代的人工磁化法包括地磁法和摩擦法。地磁法是将烧红的铁片按南北方向放入水中，处于活跃状态的铁分子会顺着地球磁场的方向排列，从而达到磁化的目的。摩擦法是用天然磁石去摩擦缝衣针，以此改变铁针内部的分子排列，从而使其磁化。摩擦法比地磁法简单，磁化效果也更好，很快就得到了推广。

人工磁化法的出现，尤其是摩擦法的出现，直接推动了指南针的应用和发展。它为即将到来的宋元明航海时代奠定了物质基础。

在宋代，指南针还只是在阴天看不到日月星辰时作为补充工具使用，但随着制作工艺的进步，到元代，它已成为海上航行必不可少的导航工具。元代人出海时，不论阴天晴天都使用指南针来导航，还据此编制出针路（即航线），船行到什么地方，采用什么针位，一一标识得明明白白。

到了明初，中国古代航海史翻开了最辉煌的一页。航海家郑和七下西洋都能安全往返，与船队利用罗盘（即把指南针放置在方位盘上）导航是分不开的。从流传下来的《郑和航海图》可知，从船队出发地到苏门答腊北端，沿途航线都标有罗盘针路，之后的航程则用罗盘针路和牵星术相辅而行。可以说，没有罗盘就没有郑和下西洋所开辟的中国至东非航线。

中国人使用指南针导航后不久，往来的阿拉伯商船就学会了这种先进的导航技术。大约南宋孝宗淳熙七年（1180年），阿拉伯人将指南针传到了欧洲人手中。欧洲人很有创新精神，在1250年发明了更为先进的旱罗盘。旱罗盘由一个盒子和一枚磁针组成，盒内有刻度，磁针安在支轴上。平时磁针保持静止状态，当船舶转向时就用手转动盒子，调整方向。

什么，指南針不指北？

其实说指南针不指北有点儿冤枉，因为它所指向的地磁北极和地理北极（也就是我们平常所说的“正北”）不完全重合，两者之间存在着磁偏角。沈括在《梦溪笔谈》中就提到，用摩擦法磁化缝衣针时存在“乱象”——针尖不指南反指北，即使指南，也存在“常微偏东，不全南也”的现象。在沈括发现磁偏角现象的400年后，英国人罗伯特·诺曼发现，把绳子拴在一根磁针的正中间将磁针吊起来，磁针跟水平线形成了一个偏角，他将这个偏角称为磁偏角。1581年，他在自己的著作《新奇的吸引力》中发表了这一发现。现在，磁偏角的数值已经可以通过磁偏测量仪测量出来。