羅盤

由于磁性指向工具常常被置于一個標有方位的地盤之上，因此早期指南針也被稱為“羅盤”。

今天的社會生活也許不會讓人感到指南針的必要性。但正是在指南針的指引下，歐洲新興的資產階級在海外開辟了一個又一個貿易市場，使近代世界聯(lián)成一體。正是在指南針的指引下，哥倫布發(fā)現(xiàn)了美洲大陸，大大開闊了歐洲人的視野。航行需要辨向，但在茫茫的大海上、在一望無際的大沙漠中、在人跡罕至的深山老林里，人們只能憑太陽和北極星辨向。若是烏云遮住了星空和太陽，人們就會手足無措。古代中國人發(fā)明的指南針解決了這一問題，尤其為海上遠航創(chuàng)造了條件。

遠古時期中國有所謂“指南車”，它通過齒輪傳動使運動車子上某物保持固定指向。指南車純粹是一種機械裝置，與指南針沒有什么關系（除了均為指向工具外）。指南針的基本原理是磁針的指極性。中國人早在公元前3世紀的戰(zhàn)國時期就已認識到這一點?！俄n非子·有度》中提到“先王立司南以端朝夕”，表明那時已經有了磁性指向工具，而且被稱為“司南”。公元1世紀初東漢王充在《論衡》中有關于司南的詳細記載：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”表明司南的形狀象一把湯匙，有一根長柄和光滑的圓底。司南由磁石制成，靜止時長柄所指方向為南方。司南可能是最早期的指南針。由于磁性指向工具常常被置于一個標有方位的地盤之上，因此早期指南針也被稱為“羅盤”。

天然磁石在強烈震動和高溫時容易失去磁性，而司南與地盤接觸的摩擦力又太大，所以指向效果并不很好。在司南之后，人們又進一步探索性能更穩(wěn)定、攜帶更方便的磁性指向工具。公元1044年左右，北宋曾公亮和丁度在他們的軍事著作《武經總要》中提到了指南魚。這是一種用人造磁鋼片做成的魚形指向標。磁魚是這樣制造的：先用高溫使鐵片內部磁疇激活，置于地磁場中排序，再迅速冷卻使磁疇的有序排列固定。這種方法很符合物理學規(guī)律，但所得磁性較弱。指南魚浮在水上，可以自由轉動。

指南針的制造技術在沈括（1031－1095）的《夢溪筆談》中最早得到系統(tǒng)闡述。沈括指出，在磁石上磨過的小鐵針具有較穩(wěn)固的磁性，因此應采用這種人造磁針代替了天然磁石制造指向工具。沈括討論了磁針裝置的四種方法，即“水浮”、置“指爪”、置“碗唇”、“縷懸”。他認為，“水浮”法雖應用較廣，但“水浮多蕩搖”是一重大缺陷。置“指爪”和“碗唇”方法是指將磁針放在指甲或碗邊，這樣做雖然摩擦力很小，但太不穩(wěn)定。只有“縷懸”法是比較好的。它是用細線將磁針懸吊，在無風的地方指向效果很好。南宋時期的陳元靚在其《事林廣記》中介紹了他制造的指南龜：木刻的指南龜內部裝上磁石，底部用一根極尖的竹針支撐，使其可以自由轉動。這種指南龜日后發(fā)展成旱羅盤。

沈括在制造指南針的過程中還發(fā)現(xiàn)了“磁偏角”。他在書中寫道：磁針“常微偏東，不全南也”。這是磁學史上一個極其重要的發(fā)現(xiàn)，歐洲人直到400年后才有關于這一現(xiàn)象的記載。

指南針發(fā)明之后即開始在宋代的航海業(yè)中發(fā)揮作用。成書于1119年的《萍洲可談》中記錄了中國海船上使用指南針的情況：海員起初還只是在陰雨天使用，但到了宋代末期以及元代，不論晝夜陰晴都使用指南針導航，實現(xiàn)了全天候航行。

宋元時期，中國的對外貿易和海上交通十分發(fā)達。廣州、泉州、寧波、杭州都是對外港口。中國的船只遠達大西洋沿岸，指南針正是這些遠航水手傳給阿拉伯和波斯的。通過他們，中國發(fā)明的航海羅盤為歐洲人所熟悉。13世紀初，歐洲開始有在航海中使用指南針的記載。

指南針的發(fā)明使中國的航海事業(yè)在中世紀達到了世界最高水平。早在公元842年，李鄰德就曾駕駛木帆船從寧波啟程沿海岸北上，經山東、遼寧和朝鮮到達日本。次年，李處人開辟了由日本嘉值島直達浙江溫州的新航線。1281年，鄭震率商船從泉州出發(fā)，經3個月到達斯里蘭卡。以后多次在印度洋上航行。明代鄭和（1371－1435）于15世紀初七下西洋（指南洋群島和印度洋一帶），所率艦隊大小船只達200多艘，人員達兩萬多，其規(guī)模之大遠勝半個世紀之后的哥倫布和達·伽馬。哥倫布的隊伍橫渡大西洋時只有88人，分乘3只長19米的小船。達·伽馬也只有一百多人，4只船，而鄭和的船隊中長度超過100米的大船就有50多艘，足見當時造船技術之高明。當時使用的航海技術、航海儀器也是世界上最先進的。鄭和所用的航海儀器包括羅盤、測深器和牽星板。牽星板是為計算船舶夜間所在的地理緯度而觀測星辰（主要是北極星）地平高度的儀器。運用這些儀器，鄭和詳細繪制了航海地圖，其中記載了沿岸地形、停泊位置以及航向、航程、牽星記錄和水深等數(shù)據(jù)，是世界航海史上的杰作。