中国古代在磁学方面的成就

中国古代在磁学方面的成就（1）磁石吸铁性的发现及其早期应用 远在春秋时期，人们就已经认识磁石了。管子地数篇就有“上有慈石者，其下有铜金”的记载，明确提出磁石具有吸铁性的是吕氏春秋精通，其中记有“慈石召铁，或引之也”。这表明，早在春秋战国时期，关于磁石吸铁性的知识已经相当普遍，并已开始用于找矿了。西汉淮南子览冥训记载道：“若以慈石之能连铁也，而求其引瓦则难矣，物固不可以轻重论也。”淮南子说山训中有“慈石能吸铁，及其于钢则不通也”的记载。都是用磁性来对物质进行分类的一种尝试。在磁力的利用方面，中国古代也有不少生动的实例。史记封禅书中记载有方土栾大以磁石作棋子，使其“自相触击”。表明当时人们实际上已经运用了磁石同极相斥、异极相吸的原理，此外，人们已将磁石的吸铁性初步应用于防盗、防刺客、作战上。（2）司南、指南鱼的发明与地磁倾角的发现关于磁石的指极性的发现及其应用，在中国古代也是很早的。公元前四世纪的鬼谷子谋篇中就记有：“郑子取玉，必载司南，为其不惑也。”公元前三世纪的韩非子有度篇也记有：“故先王立司南，以端朝夕”。“以端朝夕”即正四方的意思。这些记述表明当时人们已发现了磁石指极的特性，并且发明了指示方向的司南。到了东汉，王充对司南作了比较具体的记述。论衡是应篇中写道：“司南之构，投之于地，其柢指南”。“杓”即勺子，是利用天然磁石琢磨成的勺形指南器；“地”是中央光滑的地盘；“柢”是勺的长柄，将磁勺放置在中央极光滑的方位盘中央，它就会自由转动起来，直至与地磁场的南北极相一致为止，勺的长柄则指向南方。 宋代曾公亮（9981078）编著的武经总要中记述了一种利用人工磁化方法制造的指南鱼：“鱼法，以薄铁叶剪裁，长二寸阔五分，首尾锐如鱼形，置炭火中烧之，候通赤，以铁铃铃鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收之。用时置水碗于无风处，平放鱼在水面令浮，其首常南向午也。”曾公亮所记述的虽纯系实践经验的总结，但今天看起来，是很符合科学原理的，使铁片加热到“通赤”（高于700，相当于居里点的温度），铁片的磁畴即行瓦解，变成顺磁体；然后再把铁鱼尾正对子位（即正北方）蘸水，使铁鱼冷却，磁畴又重新恢复了。但因铁鱼沿地磁场方向放置，受地磁场的作用而使其磁畴按地磁方向排列，鱼尾被磁化成北板，鱼首自然指向南极。淬火时“没尾数分”，即使鱼尾稍向下倾斜，接近地磁倾角方位，黄河一带的地磁倾角为4050，鱼体则更接近于地磁场的方向，使铁鱼磁化的有效磁场强度增大，磁化效果就会更好。把铁片剪成长条而首尾尖锐的鱼形，不但指向性好，而且还减小了磁体的退磁因数，有利于使用和保留磁性。从曾公亮这项记述可以看出，远在公元十一世纪前，中国就已发明了利用地磁场进行人工磁化的方法制造简易的指南器，并在实践中发现了地磁倾角的存在，实在是一项十分了不起的科学贡献。西方到十六世纪才发现地磁倾角，1600年，英国吉尔伯特（WGilbert）在其著的论磁一书中，才讲到红热铁片在地磁场方向冷却磁化的方法。 （3）指南针的制造与地磁偏角的发现 沈括在梦溪笔谈第437条记载道：“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。水浮多荡摇，指爪及唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬为最善。其法新纩（kuang，絮）中独茧缕，以芥子许蜡，缀于针腰，无风处悬之，则针常指南。其中亦有磨而指北者。余家指南、指北皆有之。”同书第588条又指出：“以磁石磨针锋，则锐处常指南，亦有指北者，恐石性亦不同南北相反，理应有异，未深考耳。”这是关于指南针最早的明确记载。上述记载说明，到了宋代，指南器的磁性已经跨过了司南和指南鱼两个阶段，发展为针形，成为一种更简便、更具有实用价值的指南仪器，它和现代磁针的形式已极为接近。这种使用天然磁石摩擦铁（钢）针使其磁化的人工磁化方法，直到十九世纪现代电磁铁出现以前，几乎所有磁针都是这样制成的。此外，值得指出的是：第一，沈括提出了磁针所指的方向“常微偏东，不全南”的现象，这说明沈括在实践中已经发现了地磁偏角，即磁子午线与地理子午线之间的角度。据考证，十一世纪，沈括经常居住的长江下区的地磁偏角一般不超过34，这样小的数值，在八百多年前的古代，如不经过长期的实验观察，是很难发现的，这是沈括在物理学上的一项重大贡献。至于西方，直到1492年意大利哥伦布在横渡大西洋的航行中才多次观测到地磁偏角的现象。其次，沈括通过实验总结出了四种放置指南针的方法，即水浮法、指甲旋定法、碗唇旋定法和缕悬法，沈括的这些实验给现代指南针装置以很大的启示，在近代制作罗盘和地磁测量仪器中，磁变仪、磁力仪的基本结构和原理采用的就是缕悬法；在航海和航空中使用的罗盘里也有以水浮磁针为基本装置的。最后，沈括在记述中还提到，经过磁石磨过的针尖“常指南，亦有指北者，恐磁性亦有不同”。这可以说是对磁石的两极性最早的认识，从当时的科学水平来说，把地球作为一个磁体来解释磁针的指极性的原因还没有可能，所以沈括只是笼统地说大概是由于磁石的性质有所不同的缘故。但又承认自己还搞不清楚其中的道理，这表现了他的严谨的、实事求是的治学态度。指南针是我国著称于世的四大发明之一，指南针一经发明，很快就被应用于航海。成书稍晚于梦溪笔谈的朱彧所著的萍洲可谈（1119年）卷2中记载道：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦则观指南针。”徐兢（10931155）在宣和奉使高丽图经（1123）中，也有“若晦冥则用指南浮针，以揆南北”的记载。到了元代，不论昼夜阴晴都用指南针导航了。罗盘放在专门的“针房”内，由最有航海经验的人来掌管。正是由于指南针在航海中的应用，才大大促进了中国古代航海事业的发展。明代伟大的航海家郑和（13711435）曾率领庞大的船队七次大规模远航，访问了亚非三十多个国家，最远到达红海和非洲东岸，有力地促进了中国和亚非各国的经济、文化交流。中国的指南针大约是在公元十二世纪末到十三世纪初，由海路传入阿拉伯，然后再传到欧洲，有力地促进了西欧各国从封建社会到资本主义社会的过渡。（4）中国古代关于磁的本性的认识磁石为什么能吸铁，而不能吸引其他金属（铜、金等）和非金属？东汉王充曾认为是“气性”相同，互相感应的结果。到了宋代陈显微和俞琰对这个问题做过研究。陈显微指出：“磁石吸铁，皆阴阳相感，阻碍相通之理，岂能测其端倪哉！”（古文参同契笺注集解卷上引陈显微语）。俞琰指出：“神与气和，隔阂相通，犹如磁石之吸铁也。”（同上，引俞琰语）。他们都是试图用中国古代的“元气说”去解释，认为磁石吸铁是因为铁和磁石之间存在着内在的“气”的联系，是“阴阳相感”“神与气和”，这种解释虽然模糊，但能够从铁和磁之间内在的“气”的联系去寻找