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指南針，讀作zhǐ nán zhēn，古代叫司南，主要組成部分是一根裝在軸上的磁針，磁針在天然地磁場(chǎng)的作用下可以自由轉動(dòng)并保持在磁子午線(xiàn)的切線(xiàn)方向上，磁針的南極指向地理南極(磁場(chǎng)北極)，利用這一性能可以辨別方向。
常用于航海、大地測量、旅行及軍事等方面。物理上指示方向的指南針的發(fā)明有三類(lèi)部件，分別是司南、羅盤(pán)和磁針，均屬于中國的發(fā)明。據《古礦錄》記載最早出現于戰國時(shí)期的磁山一帶。
指南針是中國古代勞動(dòng)人民在長(cháng)期的實(shí)踐中對磁石磁性認識的結果。作為中國古代四大發(fā)明之一，它的發(fā)明對人類(lèi)的科學(xué)技術(shù)和文明的發(fā)展，起了無(wú)可估量的作用。在中國古代，指南針起先應用于祭祀、禮儀、軍事和占卜與看風(fēng)水時(shí)確定方位。
產(chǎn)生背景
地球是一個(gè)大磁體。地球的兩個(gè)極分別在接近地理南極和地理北極的地方。地球表面的磁體，當可以自由轉動(dòng)時(shí)，就會(huì )因磁體同性相斥、異性相吸的性質(zhì)指示南北——這個(gè)道理，古人不夠明白；但這類(lèi)現象，古人已經(jīng)發(fā)現。
磁現象的發(fā)現
先秦時(shí)代的中國勞動(dòng)人民已經(jīng)積累了對磁現象的認識，在探尋鐵礦的時(shí)候，常常遇到磁鐵礦，即磁石（主要成分是四氧化三鐵——化學(xué)式FeO別名氧化鐵黑、磁鐵、吸鐵石，為具有磁性的黑色晶體，故又稱(chēng)為磁性氧化鐵）。《管子》的數篇中早已記載了這些發(fā)現：“山上又磁石者，其下有金銅。”《山海經(jīng)》中也有類(lèi)似的記載。磁石的吸鐵特性很早被人發(fā)現，《呂氏春秋》九卷精通篇就有：“慈招鐵，或引之也。”古人稱(chēng)“磁”為“慈”。古人把磁石吸引鐵看作慈母對子女的吸引。并認為：“石是鐵的母親，但石有慈和不慈兩種，慈愛(ài)的石頭能吸引他的子女，不慈的石頭就不能吸引了。”漢以前古人把磁石寫(xiě)成“慈石”，是慈愛(ài)石頭的表達。到了西漢，有一個(gè)名叫欒大的方士，他利用磁石的特性做了兩個(gè)棋子的東西，通過(guò)調整兩個(gè)棋子極性的相互位置，有時(shí)兩個(gè)棋子相互吸引，有時(shí)相互排斥。欒大稱(chēng)其為“斗棋”。他把這個(gè)新奇的玩意獻給漢武帝，并當場(chǎng)演示。漢武帝驚奇不已，龍心大悅，竟封欒大為“五利將軍”。
發(fā)明歷史
戰國時(shí)期
據《古礦錄》記載最早出現于戰國時(shí)期的磁山一帶。指南針的前身是中國古代四大發(fā)明之一的司南。
據1982年3月，《光明日報》報道：磁山（在今河北省邯鄲市武安）是我國四大發(fā)明之一指南針的發(fā)源地。據《古礦錄》記載：《明史地理志》稱(chēng)：“磁州武安縣西南有磁山，產(chǎn)磁鐵石。”又《明一統治》稱(chēng)：“磁州武安縣西南有磁山，產(chǎn)磁鐵石。”又《古礦錄》記載：《明一統治》稱(chēng)：磁山，在縣西南30里，土產(chǎn)礦石，州名取此。磁山，指南針的故鄉。
觀(guān)點(diǎn)之一
王振鐸的相關(guān)觀(guān)點(diǎn)，指南針的發(fā)明至早不逾于 宋代，此種觀(guān)點(diǎn)在其一系列的研究成果都有所體現。如在《司南、指南針與羅經(jīng)盤(pán)(上)》一文中所述：“自周末至李唐，古人所稱(chēng)述之‘司南’或稱(chēng)‘指南’為一種辨別方向之儀器，其物便于攜帶及測驗，宛如指南針之用矣。王振鐸認為在唐朝已經(jīng)出現了便于攜帶的類(lèi)指南針儀器，但絕不是指南針。王振鐸把此種物件看作是指南針的過(guò)渡形式。王振鐸未明確論斷指南針發(fā)明的具體時(shí)問(wèn)，由于缺乏材料，出于科學(xué)嚴謹性方面考慮，所以未輕易論斷。他在《司南、指南針與羅經(jīng)盤(pán)(中)》中說(shuō)：“(指南)魚(yú)法固早于(指南)針?lè )s半個(gè)世紀，然此二者先后相互之關(guān)系，仍有待史證之發(fā)現而說(shuō)明也。”正是在此情況下說(shuō)的。另外，在同一篇論文中又說(shuō)：“中國古代，藉縫紉之鋼針，經(jīng)人工傳磁，而成人造磁體之指南針，其史證之發(fā)現，至今尚未見(jiàn)有早于十一世紀以前者。”這是以北宋時(shí)沈括《夢(mèng)溪筆談·雜志一》與《夢(mèng)溪筆談補》為根據而加以論斷的。這兩篇文章中記載了此種人工傳磁而成人造磁體的指南針。另外王振鐸在此篇文章中批判了英人維烈亞力(Alexanderwylie)所著(zhù)《中國研究》中所指的唐朝僧一行已經(jīng)注意到了磁針所指方向與北極之差的錯誤理解。最后鄭重地提出論斷：“按中國磁針偏向之記載，尚未發(fā)現史證有早逾《夢(mèng)溪筆談》者，存中記其‘微偏東’，寇宗爽記謂‘偏東’，即指磁針之偏角而言。”這便是王振鐸由于材料所謂限制而不能對中國磁偏角的發(fā)現時(shí)間有一個(gè)確切的認識。關(guān)于指南針的發(fā)明時(shí)代，王振鐸只是給出了一個(gè)大致的推測，在《司南、指南針與羅經(jīng)盤(pán)(中)》中，王振鐸說(shuō)：“指南針之發(fā)明時(shí)代，以《萍洲可談》海舶用磁針及沈括謂方家制磁針，信其創(chuàng )始必早。”指南針的發(fā)明應當是一個(gè)很漫長(cháng)的時(shí)間中，慢慢地改進(jìn)的結果，而不同時(shí)期的形式，也應以不同的形式出現，王先生也只能給出一個(gè)時(shí)間區間。
觀(guān)點(diǎn)之二
李約瑟的觀(guān)點(diǎn)，順序的磁偏角，先向東后偏西，體現在中國堪輿羅盤(pán)的設計的同心圓，這些同心圓一直存留至當代。勿容置疑，磁羅盤(pán)在中國用于堪輿目的很久以后，才被用于航海。但是航海羅盤(pán)確是中國人的發(fā)明，它可能發(fā)生在十一世紀以前的某個(gè)時(shí)期或更早的時(shí)期。”李約瑟在此段中對指南針，磁偏角、羅盤(pán)等問(wèn)題論述的清楚，雖然有些論斷過(guò)于武斷，但是對中國指南針的發(fā)明問(wèn)題，做出了一個(gè)總結性的論斷。
潘吉星先生在王振鐸先生與李約瑟先生研究的基礎之上加以總結，但可以明顯看出他比較同意李先生的觀(guān)點(diǎn)，對于李約瑟先生所提到的幾個(gè)材料在《中國古代四大發(fā)明——源流外傳及世界影響》一書(shū)作了詳細地論述與闡述。但同時(shí)也和李約瑟先生一樣，在有些問(wèn)題上過(guò)于武斷，明顯的證據不足，讓人難以信服。
如他在書(shū)中所述：“但從司南儀到指南針中間經(jīng)歷了幾個(gè)技術(shù)過(guò)渡，這些過(guò)渡發(fā)生在魏晉南北朝至唐代。”他這種論斷性的結論沒(méi)有太多的材料支持。但此結論在大體上是沒(méi)有錯的。潘吉星先生和李約瑟先生一樣把崔豹《古今注》中的“蝌蚪，蝦蟆，(青蛙)子也，一名懸針，一名玄魚(yú)。”作為“從勺到針”的過(guò)渡來(lái)看。他說(shuō)：“將在空中的磁針與方位盤(pán)配合，在晉南北朝曾經(jīng)用過(guò)，確能指南，從而實(shí)現了李約瑟先生說(shuō)的from the spoon to the needle(從勺到針)的過(guò)渡。”潘吉星先生在同一本書(shū)中也對水羅盤(pán)的出現時(shí)問(wèn)做出了論斷。他說(shuō)：“有證據顯示，9世紀唐代堪輿羅盤(pán)制造者已經(jīng)做出了這決定性的一步。”在同一頁(yè)中，他再一次強調說(shuō)：“晉南北朝開(kāi)始對司南作技術(shù)改進(jìn)，而在唐代后期完成從司南向羅盤(pán)的轉變，北宋人享受這些技術(shù)成果并使之發(fā)揚，歷史的發(fā)展脈絡(luò )應是如此。”進(jìn)一步對指南針的發(fā)展脈絡(luò )做出了闡述。潘吉星在李約瑟先生研究的基礎之上，吸收了王振鐸先生的部分觀(guān)點(diǎn)，對指南針的發(fā)明時(shí)間與過(guò)程重新作了一個(gè)界定，雖然依然有部分不妥之處，但總體來(lái)說(shuō)，是科技史上的一個(gè)進(jìn)步。麗另外一些學(xué)者，或是沒(méi)有新材料而做出驚人的論斷，或是材料不足，僅憑某一材料片段做出新的論斷，但總體來(lái)說(shuō)均未能讓眾人信服，影響亦不是很大。”而把指南針起源論斷于 唐代。姑且不論此論斷的正確與否，單依此材料根本不能得出此種論斷。
觀(guān)點(diǎn)之三
在成都民間收藏族的藏品中，發(fā)現了一件極具學(xué)術(shù)研究?jì)r(jià)值的玉(石)器，它是由七塊玉(石)板拼接而成，正面是圖形，反面是古文字，特別是在第4塊玉(石)板上的中間，有一個(gè)圓形圖案，其上放置了一個(gè)類(lèi)似半個(gè)“地球”的東西。在這個(gè)“地球”的頂部(北極)有一個(gè)直徑4cm的小洞，其中插有一支玉(石)的指南針，在圓形圖案上還有“東”、“南”、“西”、“北”四個(gè)古文字。依據現有學(xué)科專(zhuān)業(yè)知識分析，這四個(gè)古文字與我們今天在進(jìn)行地質(zhì)填圖時(shí)所使用的羅盤(pán)上的“東”、“南”、“西”、“北”的方位字一樣，除東字外，其余“南”、“西”、“北”三個(gè)字均與甲骨文不同。在三星堆玉(石)器上發(fā)現指南針很重要，那種認為指南針最早出現在 春秋戰國時(shí)代的觀(guān)點(diǎn)由此會(huì )被徹底推翻，文獻中曾提及的黃帝發(fā)明指南車(chē)一事，但至今只是推測，未見(jiàn)考古實(shí)物，而三星堆地區玉(石)器上指南針的發(fā)現把中國指南針的發(fā)現史推到了伏羲時(shí)代。三星堆發(fā)現的指南針是玉(石)的，不會(huì )轉動(dòng)，是象征性的。
早期形制
在中國的方位文化中經(jīng)歷了從天文學(xué)方法定位再以磁學(xué)方法制成司南，最后由司南演變成指南針的三個(gè)階段，隨之而來(lái)的是測定方位技術(shù)的不斷完善。
司南
圖1—司南模型(王振鐸復原)
記載司南的最早的文獻是《鬼谷子》，其中寫(xiě)道：“鄭人之取玉也，必載司南之車(chē)，為其不惑也。”(謀篇)從《鬼谷子》中的記載可以看出，鄭人去“取玉”，必須要帶上司南，就是為了避免方向的迷失。
在提到司南的文獻中，王充的記述是最重要的，他明確指出：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”(是應篇)其中的“杓”是指勺子。具備這種“指南”性能的司南，應是磁性指向器。但是，這里的“地”是指古代械盤(pán)中的“地盤(pán)”。械盤(pán)是秦漢時(shí)期發(fā)明的，用于游戲或占卜。在“地盤(pán)”的四周刻有24個(gè)方位，中心刻有象征北斗七星的標志。中國現代著(zhù)名的科技史家和文物復制專(zhuān)家王振鐸曾依據這些記載成功地復原了漢代的司南(如圖1所示)。
圖1司南模型(王振鐸復原)勺形司南尚無(wú)實(shí)物出土，但漢代畫(huà)像石上，有類(lèi)似勺形司南形象的畫(huà)面(如圖2所示)，這表明王充的記載應該是可信的。在這幅石像中，可看到，畫(huà)面主體是魔術(shù)師和雜技演員在表演，上面一行人是貴族觀(guān)眾，右上角的小方臺上放著(zhù)一個(gè)疑似司南的長(cháng)柄匙(見(jiàn)畫(huà)面外小插圖)，一個(gè)人在跪著(zhù)觀(guān)察它。
磁體定向裝置的出現，就使人從靠觀(guān)察天體定向的被動(dòng)性轉向靠地磁定向的主動(dòng)性。人類(lèi)最早的磁體定向裝置，是以天然條狀磁石制成的司南，它出現后在中國戰國末期(前三世紀)而在漢代得到進(jìn)一步的發(fā)展。司南儀的出現具有重要歷史意義，因為它是以與天文定向原理截然不同的磁學(xué)原理制成的新型導向裝置，在任何天氣條件下都能晝夜工作，迅速指出方向，操作簡(jiǎn)便易于攜帶。
最初，“司南”指測影的表桿。如《韓非子·有度篇》說(shuō)，“故先王立司南，以端朝夕。”“端朝夕”即正東西，引申為確定東西南北方向。“立司南”來(lái)源于殷商甲骨文中的“立中”和戰國時(shí)的“立朝夕”，它們的意思都是立表以測日影。
磁勺
磁勺是一種天然磁石琢成的勺形指向器，當它被發(fā)現的時(shí)候，其狀取法北斗七星，名稱(chēng)則沿用“司南”。古文“司南”可以推定為磁勺的至少有《鬼谷子》、《論衡》、《玄覽賦》、《飄賦》四項記載。《宋書(shū)·禮志》引《鬼谷子》曰：“鄭人取玉，必載司南，為其不惑也。”《鬼谷子·謀篇》至遲成書(shū)于西漢，或許是先秦之書(shū)，其中關(guān)于“鄭人取玉，必載司南”的傳說(shuō)，暗示了磁勺與玉器業(yè)的聯(lián)系，甚難加工的磁勺應是玉工高手的杰作。
東漢王充的的《論衡·是應篇》說(shuō)：“司南之勺，投之于地，其柢指南。”句中的“地”一般解釋為“地盤(pán)”，也可能是“池”字誤寫(xiě)。這句話(huà)應釋為：勺狀的司南，放在“地盤(pán)”上（或投入盛有適量液體（如水銀）的容器中），它的勺柄必然自動(dòng)指向南方。
此后，梁元帝蕭繹的《玄覽賦》說(shuō)：“見(jiàn)靈烏之占巽，觀(guān)司南之候離。”唐韋肇的《飄賦》說(shuō)：“挹酒漿，則仰惟北（北斗）而有別；充玩好，則校司南以為可。”再次介紹了司南（磁勺）的功用和形狀。
磁勺的實(shí)物雖然迄今尚未發(fā)現，但與此有關(guān)的文物至少有兩件。一是瑞士蘇黎世的Rietberg博物館中所藏的一塊公元114年的東漢畫(huà)像石，其右上角有一人正在觀(guān)測一件可能是“司南之勺”的東西。二是那志良《玉器通釋》上冊著(zhù)錄的一件“司南佩”古玉器，此玉“長(cháng)不過(guò)寸許，一端琢成一個(gè)小勺，一端琢成一個(gè)圓形的小盤(pán)，中間有一個(gè)橫穿。”“司南佩”的制作年代不明，推測為唐代之物。
除了上述的表和磁勺之外，司南又是指南車(chē)、指南舟和報時(shí)刻漏的代稱(chēng)。晉人葛洪所作的《西京雜記》中提到的“司南車(chē)”即半自動(dòng)機械裝置指南車(chē)。《宋書(shū)·禮志》記載：“晉代又有指南舟。”南朝任昉的《奉和登景陽(yáng)山》詩(shī)吟道：“奔鯨吐華浪，司南動(dòng)輕枻。”詩(shī)中的司南即指皇家園池中的指南舟，可是，“指南舟”究竟怎樣導航，至今依然是一個(gè)迷。唐代大詩(shī)人杜甫的詠《雞》詩(shī)云：“氣交亭育際，巫峽漏司南。”意謂夜半零時(shí)正，詩(shī)人恰聞司南的報時(shí)之聲。
磁針的發(fā)明
指南針的發(fā)明應當是在一個(gè)很漫長(cháng)的時(shí)間中，慢慢地改進(jìn)的結果，而不同時(shí)期的形式，應以不同的形式出現。唐代堪輿家的活動(dòng)相當活躍，并開(kāi)始強調方向的選擇，尋找比磁勺更方便的指向器成了當務(wù)之急。于是指南鐵魚(yú)或者蝌蚪形鐵質(zhì)指向器及水浮磁針應運而生。
活動(dòng)于唐開(kāi)元年間（713—741年）的山西堪輿家丘延瀚，被后世堪輿家推崇為堪輿術(shù)三針（正針、縫針和中針）中最早出現的正針?lè )ǖ膭?chuàng )始人。明代雅好科技的寧獻王朱權則在其《神機秘籍》中說(shuō)：“針?lè )ü艧o(wú)所傳，自昔玄真始制。”玄真即唐代浙江金華道家張志和（約730—約810年），他的道號叫玄真子，所著(zhù)《玄真子》十二卷，殘存三卷。從這殘卷中知道他頗好物理，但未找到與指南針或針?lè )ㄖ苯佑嘘P(guān)的記載。然而，這個(gè)道號不禁使人聯(lián)想到舊題晉崔豹所作的《古今注》中把蝌蚪稱(chēng)為“玄針”。其文曰：“蝦蟇子，曰蝌蚪，一曰玄針，一曰玄魚(yú)，形圓而尾大，尾脫即腳生。”十世紀時(shí)馬縞的《中華古今注》中也有類(lèi)似的記載。這項記載似乎把磁針與指南魚(yú)的發(fā)明和應用從形狀和性能上聯(lián)系到了一起。
關(guān)于指南魚(yú)的制備方法，見(jiàn)于北宋曾公亮等利用前人資料編撰的《武經(jīng)總要》。《武經(jīng)總要》前集卷十五載其法曰：“用薄鐵葉剪裁，長(cháng)二寸，闊五分，首尾銳如魚(yú)形，置炭火中燒之，候通赤，以鐵鈐鈐魚(yú)首出火，以尾正對子位，蘸水盆中，沒(méi)尾數分則止，以密器收之。”這種方法利用地磁場(chǎng)使鐵片磁化，并知道魚(yú)形鐵片微向下傾斜對磁化有利，實(shí)際上已發(fā)現近代科學(xué)中所謂的磁傾角的影響。使用時(shí)，指南魚(yú)浮于水面，與水浮磁針的原理是一致的。
水浮磁針的制作方法首見(jiàn)于北宋沈括的《夢(mèng)溪筆談》卷二十四，其文曰：“方家以磁石摩針?shù)h，則能指南。”這種方家在實(shí)踐中總結出來(lái)的鋼針磁化法，經(jīng)過(guò)沈括之手公布于世，有力地促進(jìn)了磁針在堪輿和航海兩大領(lǐng)域中的應用和普及。指南針進(jìn)入到實(shí)用磁針的階段，對裝置方法的研究提到了議事日程。沈括全面研究和比較了“水浮”法、置“指爪”法、置“碗唇”法及“縷懸”法的優(yōu)缺點(diǎn)，認為“縷懸”法最佳。“其法取新纊中獨繭縷，以芥子許蠟，綴于針腰，無(wú)風(fēng)處懸之，則針常指南。”現代磁強計中懸掛的小磁鐵，就采用了此相似的方法。磁針指的精度，與司南及指南魚(yú)不可同日而語(yǔ)，故磁針的發(fā)明，很快導致了磁偏角的發(fā)現。
五代亂世的《管氏地理指蒙·釋中第八》曰：磁針“體輕而徑所指必端應一氣之所召，土曷中而方曷偏，較軒轅之紀，尚在星虛丁癸之躔”。軒轅黃帝時(shí)代的磁偏角，作者以為尚在“星（午）虛（子）丁癸”方向，而當時(shí)“針指坎離定陰陽(yáng)之分野，格偏壬丙探僭越之津涯”。偏角變?yōu)槟掀珫|15°。
由于堪輿術(shù)的神秘性，中國唐宋堪輿著(zhù)作在流傳中又相互影響，有所增刪，要從眾多早期堪輿著(zhù)作中理出磁針、磁偏角以至羅盤(pán)的發(fā)明、發(fā)現年代，誠非易事，然而，北宋司天監楊惟德于慶歷元年（1041年）奉命編撰的相墓大全《塋原總錄》卷一位磁偏角的發(fā)現訂定了下限。書(shū)中說(shuō)：“客主的取，宜匡四正以無(wú)差，當取丙午針，于其正處，中而格之，取方直之正也。”這里明確地記載了“丙午針”，即后世沈括在《夢(mèng)溪筆談》卷二十四中所說(shuō)的磁針“常微偏東，不全南也”。在西方，直到13世紀才知道磁針偏南。1429年哥倫布（ChristopherColumbus，1451—1506年）橫渡大西洋時(shí)，正式測到磁偏角現象。
中國發(fā)現了元代水浮法指南針瓷碗。1959年，在遼寧旅順甘井子元代墓葬中出土了兩件磁州窯白釉褐花大碗，大碗內底部彩繪兩個(gè)同心圓，圓內繪并排的三點(diǎn)，中間一線(xiàn)相連。乍看此圖形似一個(gè)不規則的“王”字，故被稱(chēng)為“王字紋碗”。碗外底圈足內又墨書(shū)一個(gè)“針”字。經(jīng)科技史學(xué)家王振鐸先生研究證實(shí)，這種碗就是航海時(shí)指示方向所用的針碗。它的使用方法是這樣的：針碗的水面上漂著(zhù)穿在浮漂上的磁針，碗內底的“王”字形標志則有助于標明方向。先將“王”字中的細道與船身中心線(xiàn)對直，如船身轉向，磁針便和該細線(xiàn)形成夾角，從而顯示航向轉移的角度。類(lèi)似的碗在江蘇丹徒照臨村元代窖藏和河北省磁縣漳河故道元代沉船內都有發(fā)現。
羅盤(pán)的發(fā)明與西傳
磁針問(wèn)世后，先后用于堪輿和航海。為了使用方便，讀數容易，加上磁偏角的發(fā)現，對指南針的使用技巧提出了更高的要求，方家首先將磁針與分度盤(pán)相配合，創(chuàng )制了新一代指南針——羅盤(pán)。不過(guò)有些場(chǎng)合，碗中的水浮磁針仍在使用，故沈括《夢(mèng)溪筆談》卷二十四稱(chēng)“水浮多蕩搖”。江蘇、河北和遼寧旅大曾出土元代的不帶刻度的指南針專(zhuān)用針碗。當航船還在使用浮針加針碗時(shí)，堪輿羅盤(pán)卻遠遠地跑到了前面。
考古資料表明，堪輿家選擇墓穴采用二十四向表示法大約始于唐末。南唐何溥主持建徽城，看風(fēng)水時(shí)也用二十四向表示法。何溥所撰的《靈城精義》“理氣章正訣”中說(shuō)，“地以八方正位，定坤道與輿圖，故以正子午為地盤(pán)，居內以應地之實(shí)。”天以十二分野，正躔度之次舍，故以壬子丙午為天盤(pán)，居外以應天之虛。”作者、時(shí)代不明的《九天玄女青囊海角經(jīng)》“理氣篇”中有一段幾乎相同的文字，兩者應同出一源。
羅盤(pán)
中國的磁針和羅盤(pán)先后經(jīng)由陸水兩路西傳，曾給人類(lèi)的文明的進(jìn)程帶來(lái)重大的影響。以前史學(xué)界認為磁針在水中的水羅盤(pán)與指南針一脈相承，是中國的發(fā)明，但旱羅盤(pán)是歐洲所發(fā)明，16世紀才經(jīng)由日本船傳入中國。而今臨川羅盤(pán)證明：旱羅盤(pán)的發(fā)明權也屬于中國。
最初形制
磁石指極性與磁性指向器的最初形制
對于磁石吸鐵性的認識和應用，傳說(shuō)，秦皇宮的磁石門(mén)可防止身帶鐵刃的刺客進(jìn)入。文獻中對磁石吸鐵現象多有記述，如戰國時(shí)期成書(shū)的《呂氏春秋》、西漢時(shí)期成書(shū)的《淮南子》和東漢王充的《論衡》，這些作者都提到磁石吸鐵現象，玳瑁和琥珀等物體能吸引某些輕小物體的現象。王充指出，這些現象是“感應”(一種超距作用的看法)的作用，但似乎并不知道電感應和磁感應的區別。指南針是用天然磁石制成的，要發(fā)明指南針，就要研究磁石的指極性。
磁化技術(shù)和磁偏現象的記述
北宋時(shí)磁化技術(shù)取得了突破，這些技術(shù)加速了磁性指向器的普及，并且導致指向器形制新的演變。
指南魚(yú)的磁性是很弱的，作為一種“天然的”缺陷，圓形的魚(yú)首也使它的指向精度受到限制。雖然這種簡(jiǎn)易的磁化技術(shù)使指南魚(yú)的制作容易了許多，但它的形狀造成與勺形司南有類(lèi)似的缺陷。
同樣，具有實(shí)用性的磁化技術(shù)，與曾公亮同時(shí)代的沈括在《夢(mèng)溪筆談》中也有記載。他寫(xiě)道：“方家以磁石磨針?shù)h，則能指南，然常微偏東，不全南也。”(卷24)這種形制易流行、且簡(jiǎn)單，磁化效果也相當好，特別是，它對指向器形制的改進(jìn)產(chǎn)生了另一個(gè)突破——針狀。用針指向，它的指向精度可以得到極大的提高。這樣，司南就衍變成了指南針，而且這種指南針也更容易普及了。無(wú)疑，這是磁性指向器形制的最重要的改進(jìn)。
由于指針指向精度得以提高，人們在使用指南針時(shí)很快就注意到，它所指的方向有時(shí)并非正南，這就是磁偏現象——“然常微偏東，不全南也”。
實(shí)際上，在寫(xiě)于慶歷元年(1041)的《塋原總錄》中，比沈括稍早些的楊維德已經(jīng)記載了指南針和磁偏角的存在．他寫(xiě)道：“匡四正以無(wú)差，當取丙午針。于其正處，中而格之，取方直之正也。”(卷1)這里說(shuō)的“針”就是磁針，而“丙午針”是指磁針在靜止時(shí)，針指的方位是24個(gè)方位中丙位和午位的結合部，也就是南偏東約7。5°。這與沈括的“微偏東”是一致的，但楊維德的說(shuō)法更早，描述也更精確些。
稍晚于沈括的寇宗夷在所著(zhù)的《本草衍義》也提到：“磁石??磨針?shù)h則能指南，然常偏東，不全南也。其法取新纊中獨縷，以半芥子許蠟綴于針腰，無(wú)風(fēng)處垂之，則針常指南。然常偏丙位。蓋丙為大火，庚辛金受其制，故如是，物理相感爾。”(卷5)這段話(huà)講到指南針的磁化，講到磁偏現象的發(fā)現，還講到指南針的架設問(wèn)題，以及利用五行學(xué)說(shuō)簡(jiǎn)要地解釋磁針指向的原因。在這里，寇宗夷所使用的是“水浮法”，這與沈括是有些不同的。這也說(shuō)明，在這時(shí)人們還在探索形制，一直在進(jìn)行著(zhù)不同的嘗試。早在晚唐時(shí)期成書(shū)的《管氏地理指蒙》，在這篇文獻中我們可以讀到：磁者母之道，針者鐵之戕。母子之性，以是感，以是通；受戕之性，以是復，以是完。體輕而徑，所指必端。應一氣之所召??。透過(guò)這段話(huà)，可以看到，它記述的磁偏角約為南偏東15°左右。這說(shuō)明，關(guān)于地磁偏現象的發(fā)現可能早于宋代。在另一篇早期文獻中提到地磁偏的是《九天玄女青囊海角經(jīng)》，這部書(shū)的成書(shū)時(shí)間約在10世紀下半葉。
與沈括大致同時(shí)代的王假(福建堪輿學(xué)派的創(chuàng )立者)也提到過(guò)磁偏角。在王僅的一首詩(shī)中，他寫(xiě)道：“虛危之間針路明，南三張度上三乘”。這里的前一句所提到的顯然是天體坐標的南北向，但通過(guò)觀(guān)察地磁羅盤(pán)會(huì )發(fā)現，南方星宿“張”的范圍是如此之廣，以至于兩個(gè)磁偏角及天體坐標的正南這3個(gè)“南方”方位均包含在其內。所以，他對磁偏角的涉及，具體數值還不能完全確定，但它的地磁偏現象的記載，說(shuō)明了風(fēng)水師是重視地磁偏現象的研究的。王僅是一位著(zhù)名的堪輿家，他的主要著(zhù)作寫(xiě)于1030—1050年間。
宋代曾三異在1189年寫(xiě)的《因話(huà)錄》提到，在地球表面上一定有某個(gè)區域，在那里磁偏角為零。曾三異的觀(guān)點(diǎn)很有見(jiàn)地，事實(shí)上也確實(shí)存在著(zhù)零磁偏角線(xiàn)。即使如此，他也只是提出了一種有價(jià)值的猜測。16世紀，明代人迸一步發(fā)現了在不同的地點(diǎn)磁偏角的大小也不同的結論；18世紀，才出現關(guān)于磁偏角的大小也隨時(shí)間的變化而變化的明確記載。
指南針架設方法與羅盤(pán)
指南針如何架設起來(lái)，沈括比較了4種不同的架設方法：
水浮多蕩搖。指爪及碗唇上皆可為之，運轉尤速，但堅滑易墜，不若縷懸為最善。其法取新纊中獨繭縷，以芥子許蠟，綴于針腰，無(wú)風(fēng)處懸之，則針常指南。這就是有名的沈括“四法”。沈括對前3種方法采取否定的態(tài)度，盡管“水浮法”是曾公亮已經(jīng)有過(guò)嘗試的方法．在《武經(jīng)總要》中記載的使用方法是將指南魚(yú)“平放水面令浮”，為此魚(yú)形的鐵葉可能是中間微凹的，這樣的結構使鐵魚(yú)像小船一樣漂浮在水面上。宗夷也提出了架設的方法，他指出：“以針橫貫燈心，浮水上，亦指南。”
沈括嘗試的四種安裝指南針的方法
南宋時(shí)，指南針的架設問(wèn)題有了新的進(jìn)展。南宋陳元靚在《事林廣記》(成書(shū)于1100—1250年間)中記述了兩種指南針，即指南魚(yú)和指南龜。它們可看作“水針(水羅盤(pán))”和“旱針(旱羅盤(pán))”的先驅。水羅盤(pán)(也叫浮針羅盤(pán))是從《武經(jīng)總要》的指南魚(yú)到《事林廣記》的指南魚(yú)發(fā)展過(guò)來(lái)的，由于后者是木刻的，自然可浮在水面，似乎也不怕水面蕩搖，它已發(fā)展成為一種比較成熟的結構。此后，水針一直比較流行，加上進(jìn)一步的改進(jìn)，將磁針穿上小木條，取代了木頭刻的魚(yú)，使之更實(shí)用了。自然，“指南魚(yú)”這種形制也就消失了。《事林廣記》記載的“指南龜”，則是后世旱羅盤(pán)的先驅。它因為采用了竹釘支承，摩擦力小，旋轉靈活，因而也受到人們歡迎。后來(lái)人們將其發(fā)展成了樞軸支承式，這種形制就成了使用簡(jiǎn)便的旱羅盤(pán)。1985年5月，在江西臨川縣溫泉鄉朱濟南墓中出土了一件題名“張仙人”的俑，高22。2em，手捧羅盤(pán)。此羅盤(pán)樣的磁裝置結構與宋代水浮針不同，其菱形針的中央有一明顯的圓孔，說(shuō)明它采用的是樞軸支承的架構。這座墓下葬的時(shí)間為南宋慶元四年(1198)。可見(jiàn)在旱羅盤(pán)問(wèn)世不久，中國人已經(jīng)將其發(fā)展成樞軸支承式的了。
結語(yǔ)
旱羅盤(pán)后來(lái)經(jīng)阿拉伯傳人歐洲，在歐洲發(fā)展成熟起來(lái)。歐洲人又進(jìn)一步對這種旱羅盤(pán)做了改進(jìn)，使用起來(lái)很是方便。這種改進(jìn)雖然對磁的知識并未增加，甚至也未“改善”，但是卻對航海事業(yè)產(chǎn)生了積極影響。也就是說(shuō)，在發(fā)展航海事業(yè)的過(guò)程中，使磁技術(shù)的價(jià)值彰顯出來(lái)。從磁的吸鐵性和指極性知識看，在磁技術(shù)的發(fā)展早期，磁技術(shù)對生產(chǎn)發(fā)展和航海、堪輿的活動(dòng)是有價(jià)值的，而磁技術(shù)的改善就是圍繞著(zhù)這種需求發(fā)展的。在磁技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，人們也積累起些許磁學(xué)知識。這個(gè)積累過(guò)程是緩慢的，這當然是由于貌似簡(jiǎn)單的磁知識，它聯(lián)系著(zhù)對地(球)磁場(chǎng)的認識。這使問(wèn)題具有了某種復雜性，而破解這種復雜性還需要時(shí)間，需要某種天才；同時(shí)也期待著(zhù)高水平的精準實(shí)驗用。
在這些精準的實(shí)驗中，磁化技術(shù)中的兩種方法是很重要的。在這些磁化技術(shù)的發(fā)展中，古人所依據的科學(xué)原理，要么是不知道，要么是不符合現代的科學(xué)原理。所以，古人是黑暗中摸索著(zhù)前進(jìn)的，是在對經(jīng)驗中的領(lǐng)悟中發(fā)展著(zhù)的。在這些發(fā)明中，指南“針”形狀發(fā)明提高了指向的精度，也使磁偏角得以發(fā)現．針的形制無(wú)疑是具有重要意義的，推進(jìn)了對磁的認識，有益于磁知識的積累。大體上說(shuō)，磁性指向器的演變過(guò)程中，形制的不斷改進(jìn)是很重要的，就像汽車(chē)發(fā)明后，汽車(chē)的樣子也不斷發(fā)生變化，甚至是很大的變化，但這也是逐步演變的。磁性指向器的交流中，也包含著(zhù)磁知識的交流，這種交流促進(jìn)著(zhù)“磁學(xué)”知識的積累和發(fā)展。這直到近代才結出果實(shí)。
羅盤(pán)西傳
中國的磁針和羅盤(pán)先后經(jīng)由陸水兩路西傳，曾給人類(lèi)文明的進(jìn)程帶來(lái)重大的影響。史學(xué)界認為磁針浮在水中的水羅盤(pán)與指南針一脈相承，是中國的發(fā)明。1985年江西臨川南宋朱濟南墓出土的“張仙人”俑手持的旱羅盤(pán)證明：旱羅盤(pán)的發(fā)明權也屬于中國。
現代指南針
現代電子羅盤(pán)
現代人制作了各種電子指南針，智能手機普遍有這個(gè)軟件，電子羅盤(pán)也叫數字羅盤(pán)，是利用地磁場(chǎng)來(lái)定北極的一種方法，應用到手機上，其實(shí)就是電子指南針，電子羅盤(pán)一般用磁阻傳感器和磁通門(mén)加工而成。
電子羅盤(pán)
電子羅盤(pán)可以分為平面電子羅盤(pán)和三維電子羅盤(pán)。平面電子羅盤(pán)要求用戶(hù)在使用時(shí)必須保持羅盤(pán)的水平，否則當羅盤(pán)發(fā)生傾斜時(shí)，也會(huì )給出航向的變化而實(shí)際上航向并沒(méi)有變化。雖然平面電子羅盤(pán)對使用時(shí)要求很高，但如果能保證羅盤(pán)所附載體始終水平的話(huà)，平面羅盤(pán)是一種性?xún)r(jià)比很好的選擇。三維電子羅盤(pán)克服了平面電子羅盤(pán)在使用中的嚴格限制，因為三維電子羅盤(pán)在其內部加入了傾角傳感器，如果羅盤(pán)發(fā)生傾斜時(shí)可以對羅盤(pán)進(jìn)行傾斜補償，這樣即使羅盤(pán)發(fā)生傾斜，航向數據依然準確無(wú)誤。有時(shí)為了克服溫度漂移，羅盤(pán)也可內置溫度補償，最大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移。
電子羅盤(pán)原理
三維電子羅盤(pán)由三維磁阻傳感器、雙軸傾角傳感器和MCU構成。三維磁阻傳感器用來(lái)測量地球磁場(chǎng)，傾角傳感器是在磁力儀非水平狀態(tài)時(shí)進(jìn)行補償;MCU處理磁力儀和傾角傳感器的信號以及數據輸出和軟鐵、硬鐵補償。該磁力儀是采用三個(gè)互相垂直的磁阻傳感器，每個(gè)軸向上的傳感器檢測在該方向上的地磁場(chǎng)強度。
磁偏角
地球表面任一點(diǎn)的磁子午圈同地理子午圈的夾角，即為磁偏角。磁偏角在同一地點(diǎn)也不是定值，每天早晚測定的磁偏角也有微小的差異，磁偏角具有長(cháng)期變化和周日變化的特性。氣象條件對磁偏角的影響也很大，尤其在雷電天氣下是不能觀(guān)測的。磁偏角受地磁環(huán)境影響比較顯著(zhù)，由于地磁的特性，磁子午線(xiàn)情況比較復雜，且互相不平行，直線(xiàn)愈長(cháng)，誤差越大。
指南詞義
“指南”的詞義有指導或準則之意，而“指南”來(lái)源于“司南”，兩者僅一音之轉。在漢至唐的文獻中，讀者可讀到諸如“事之司南”、“文之司南”以及人之司南等詞語(yǔ)。唐代以后，在社會(huì )科學(xué)中，“司南”一詞完全為“指南”所取代。唐代以后，“司南”（磁勺）奇跡般地銷(xiāo)聲匿跡，因是磁針已經(jīng)問(wèn)世。
磁子午線(xiàn)
磁子午線(xiàn)隨一年四季的變化而變化。其一，在春分，秋分這天，磁子午線(xiàn)與子午線(xiàn)，以及地球的經(jīng)線(xiàn)三線(xiàn)重合，指南針直指地球的南北方向極點(diǎn)，誤差只有0.08°地軸偏心率，可以忽略不計。其二，在夏至，冬至這天，磁子午線(xiàn)和子午線(xiàn)是不重合的并且偏磁角最大，最大偏差量為正負23.26°，也就是說(shuō)在地球南北極附近偏磁點(diǎn)最大，用地球的周長(cháng)除以365°角在正負23°，等于偏磁極點(diǎn)對應南北極點(diǎn)的距離(正負弧度公里)。
社會(huì )反應
指南針打開(kāi)了世界市場(chǎng)
指南針在航海上的應用對地理大發(fā)現和海上貿易有極大的促進(jìn)作用。指南針的發(fā)明源于中國古人如何定向問(wèn)題的研究，也表明古人對如何定向問(wèn)題的重視，為此，指南針被譽(yù)為中國古代四大發(fā)明之一。古代中國人將指南針用于軍事和航海的活動(dòng)，也被用于堪輿術(shù)，后來(lái)還輾轉傳入歐洲，在歐洲的航海活動(dòng)和地理大發(fā)現中，發(fā)揮了不可替代的重要作用。在航海技術(shù)發(fā)明中，指南針也是最重要的單項發(fā)明。
參考資料
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四大發(fā)明之指南針 · 央視網(wǎng)[引用日期2015-10-22]
[2]
張仙人俑與旱羅盤(pán)（文化史海拾零） · 人民網(wǎng)[引用日期2015-03-21]
[3]
電子羅盤(pán)是什么 · 太平洋電腦網(wǎng)[引用日期2015-03-21]
[4]
青海省第一測繪院關(guān)于《2013年度目標責任制》完成應用測繪新技術(shù)指標的報告 · 人民網(wǎng)[引用日期2015-03-21]
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這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
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