中国古代磁学的发展与成就

中国古代磁学的发展与成就中国古代磁学发展的主要特征是，以磁石吸铁性、指极性的发现和对其本性的探索为先导，理论与实践相结合，有自成体系的连贯性。（磁石：以四氧化三铁为主要成分，磁铁矿）磁石吸铁性的记载磁石有一个区别于别种矿石的显而易见的特性，就是它的吸铁性。磁石吸铁性的发现年代很早，它同静电学里的“琥珀拾芥”现象一起，通常被古代人联系起来比喻事物的本性。由于磁石具有吸铁的特性，因此它也容易被人们发现。古代人把磁石的这种特性比喻做母子相恋，认为“石，铁之母也。以有慈石，故能引其子；石之不慈者，亦不能引也。”(《吕氏春秋·季秋纪·精通篇》高诱注)因此，汉初以前，都是把“磁石”写成“慈石”。《淮南子·说山训》和《览冥训》中还提到“慈石能引铁，及其于铜则不行也”，“而求其引瓦则难矣”。从现代物理学知识知道，磁石之所以能够吸铁，是由于铁的导磁系数远远比一大。铁被磁石的磁场作用后，会感应出很大的附加磁场，也就是说铁本身也成为一个强磁体，因而能被磁石吸引。而铜、金等大多数的金属和非金属，都是一般的弱磁性物体，它们的导磁系数都十分接近于一(略大于或小于一)，因此这些物体不能被磁石吸引。对于这一问题，宋代的陈显微和俞琰曾经作了探讨，认为磁石所以吸铁，是有它们本身内部的原因，是由铁和磁石之间内在的“气”的联系决定的(“神与气合”，“皆阴阳相感，隔碍相通之理”)。明末的刘献廷(1648—1695)在他的《广阳杂记》一书中也认为磁吸铁是由于它们之间具有“隔碍潜通”的特性。刘献廷还在他的书中记述了磁屏蔽现象：“或问余曰：‘磁石吸铁，何物可以隔之？’犹子阿孺曰：‘惟铁可以隔之耳’”。刘献廷并且把铁的这种磁屏蔽作用理解为“自然之理”。这种力图用自然界本身来解释自然现象的观点是唯物主义的。考虑到当时的科学水平，也只能作出这样解释。对磁石指极性的应用古代中国人不但在认识磁石方面走在世界前列，而且在应用磁石方面有很多发明创造。我们在前面提到的战国中期著名的纵横家鬼谷子曾说：“郑子取玉，必载司南，为其不惑也。”（《鬼谷子·谋篇》）这是磁石指极特性的最早记载。古代中国人利用磁石的这种特性，采取琢玉工艺手段，将磁石制成光滑的磁勺，把它放在刻着方位的铜盘上，这就是最早的指南器——“司南”。郑子进山采玉，携带司南，可以不迷失方向。到了北宋时期，中国人最先发明了人工传磁技术。这顶发明最早记载，见于北宋著名科学家沈括（1031年－1095年）所著的《梦溪笔谈》卷廿四《杂志一》：“方家以磁石磨针锋，则能指南。然常微偏东，不全南也。”这是公元1086年的事。在西方，公元1200年古约特才记载用天然磁石摩擦铁棒作指南针；比中国晚了一个多世纪。另外，这条记载说明沈括观察到了地磁偏角。这是世界上关于地磁偏角最早记载。西方是在1492年哥伦布横渡大西洋发现新大陆时才观察到地磁偏角，比中国晚了4个多世纪。中国人发明了指南针之后不久，便将指南针应用到航海事业上。宋代朱彧在《萍洲可谈》中追记其父朱服在北宋元符、崇宁间（1098年－1102年）驻广州的见闻：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针。”这是世界航海使用指南针的最早史证。后来，指南针经过阿拉伯传到欧洲，西方才有航海使用指南针的记载。公元前227年，燕太子丹派遣荆轲以献樊于期首级和督亢地图为名，行刺秦王。在宫殿上，“图穷匕首见”，秦王嬴政险遭不幸。秦统一全国以后，在公元前218年、公元前216年，秦始始嬴政又连续遭到刺客的袭击。这不能不引起他的警惕。在修建阿房宫的时候，秦始皇根据“磁石召铁”的原理，叫工匠给他设计一种磁石门。据一本专门记载秦汉宫庭古蹟轶事的《三辅黄图》说：“阿房宫……以慈石为门，怀刃者止之。”唐代的《元和郡县志》更具体地说：“秦磁石门，在咸阳东南十五里。东南有阁道，即阿房宫之北门也，累磁石为之。着铁甲入者，磁石吸之不得过。羌胡以为神。”磁石是可以隔着衣物吸引铁镍钴等金属的。阿房宫的磁石门是世界上第一个磁性警卫装置。这种磁性警卫装置在后世曾得到推广实用。防止身怀利刃的刺客混入皇宫，后代不仅在巍峨的宫阙中设置磁石门，甚至在野营的辕门口也安装磁石门。北周诗人庾信在《从驾观讲武》的诗中写道：“开营雁翼，门嫌磁石碍。”阿房宫的磁石门，可以算得上是世界科技史上的一大创举。可惜它只为封建帝王所垄断，没有丝毫社会性。《晋书·马隆传》记载，公元279年（晋武帝咸宁五年），凉州发生叛乱。晋武帝任命马隆为讨虏护军武威太守统兵征讨树机能。马隆预先派人将大量磁石放置在一条狭窄的夹道上，叫自己的将士们改穿犀甲，然后将叛军诱进夹道。由于叛军“负铁铠，行不得前”，被“留碍”在夹道上，如同中了孙悟空的“定身法”而晋军身披犀甲，任意冲杀，因此轻而易举大获全胜。可叛军却还蒙在豉里，对马隆“咸以为神”。这是将磁石运用于战争的著名范例。这项伟大创造，流传千古，明朝文人黄道周曾写下这样的四句赞词：“磁石旁拖，羌甲被束，我兵披犀，尽惊神速。”唐代，中国出现了白瓷。邢窑（今河北邢台）以产白瓷闻名全国。邢窑产的白瓷，洁白无瑕。陆羽在《茶经》中邢窑白瓷“类银”、“类雪”。而别处烧制的白瓷，往往带黑斑。这是为什么呢？清代朱琰在《匋说》中记载：古代烧制白瓷的时候，必先用磁石在釉水搅动，吸走铁屑，因为白瓷胎上贴有铁屑，火烧后就会留下黑斑。这种运用磁石吸铁特性过滤釉水的方法，已开创了现代磁法选矿的先河。中国古代也将磁石应用到医疗事业上。北宋何希影《圣惠方》（1046）记载：“治小儿误吞针：用磁石如枣核大，磨令光，钻作窍，丝穿令含，针自出。”这是将磁石做为器具的。磁石做为药物，在中医里应用得更为广泛。明代李时珍的《本草纲目》上《石部》列有“慈石”这位药物，并且记载：它主治“周痹风湿，肢节中痛，不可持物，洗洗酸痟，除大热烦满及耳聋”，有“养贤脏，强骨气”的功能，可以“益精除烦，通关节，消痈肿鼠瘘，颈核喉痛”，“治筋骨羸弱，补五劳七伤、眼昏……止金疮血。”李时珍介绍了自己给一位读书人治疗眼疾的事例。这位读书人常患眼病，渐渐感觉两眼昏花生翳。李时珍让他吃慈石朱砂丸，两个月便治癒了。李时珍的《本草纲目》里还搜集了一些用慈石治病的单方，如：“金疮出血，慈石末傅之，止痛断血”；“诸般肿毒，吸铁石三钱，金银藤四两，黄丹八两，香油一斤，如常熬膏，贴之”；“大肠脱肛”，“用慈石末，面糊调涂囱上，入后洗去”；“小儿惊痫，慈石炼水饮之”等等。在现代，磁性疗法已经发展成了一种专门的医疗手段，对眼疾和关节炎等病显示出良好的疗效。但这与古代中医学积累的丰富、宝贵的经验是分不开的。对磁性的认识我国古籍中有关人工磁化法的记载，基本上有两种。一种是如沈括所说的用天然磁石磨擦钢针的的方法。从现代观点来看，这种方法实际上就是以天然磁石的磁场的作用，使钢针内部的单元小磁体——“磁畴”由杂乱排列变为规则排列，从而使钢针显示出磁性来。之所以用钢针，是因为钢的剩磁力强，可以成为永磁体。另一种方法是利用地球磁场的作用使钢针磁化。《武经总要》所记载的指南鱼就属于这一种。“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。”从现在知识看，把铁叶鱼烧红是为了让铁鱼内部的分子动能增加，从而使分子磁畴从原先的固定状态变为运动状态。然后使侥红的铁叶鱼沿着地球磁场方向放置，为的是通过强大的地磁场迫使运动着的分子磁畴顺着地球磁场方向重新徘列(由无规则排列到规则排列)，这时铁鱼就被磁化了。最后由于我国地处地球的北半部，地磁场的方向应是北端向下，因此“蘸水盆中，没尾数分则止”，就是今铁叶鱼“正对子位”的鱼尾略为向下倾斜，使它在更大程度上被磁比。蘸人水中是为了使它迅速冷却，把分子磁畴的规则排列固定下来，同时也是淬火过程。最后“以密器收之”，可能是把指南龟放在天然磁石旁边，以形成闭合磁路，让它保持磁化或继续磁化。这称磁化法完全是凭经验得来的，但是它是磁学和地磁学发展的重要一环，比欧洲用同样磁化方法早了四百多年。我国关于地球磁场可以磁化铁物的记载，还见于明代的一些著作中，如方以智的《物理小识》卷八《指南说》的注中引滕揖的话：“铁条长而均者，悬之亦指南。”李豫亨的《青乌绪言》中也记有堪舆家悬铁条使它指向的方法：“近遇地师汪弄丸者，始知以铁杖不拘巨细，系绳悬之，以手击之旋，旋定必指南，即罗经法也，余试之良然。”磁偏角、磁倾角(地球磁场和水平面的夹角)和地磁场的水平分量(或地磁场的强度)称作“地磁三要素”。欧洲人对磁偏角的发现是在哥伦布海上探险途中的1492年，磁倾角的发现还要晚一些。而我国对磁偏角、磁倾角的发现都要早得多。《武经总要》所记述的制指南鱼法，是包含有一定的地磁学知识的。甚至有关磁倾角的知识也反映在这种磁化法中。既然指南鱼在磁化过程中要北端(尾部)向下倾斜，这就隐含着当时的人们已经意识到有个倾角的存在。北宋司天监杨维德于仁宗皮历元年(公元1041年)撰成的相墓书《茔原总录》说：“客主的取，宜匡四正以无差。当取丙午针，于其正处，中而格之，取方直之正也。”之所以“取丙午针”，就是由于磁针存在偏角的缘故。也就是说当磁针处于“丙午”方向时，方向盘的“午”才是地理的正南向。这是至今所发现的有关磁偏角的最早文献记载。沈括在记述用天然磁石磨擦钢针可以指南的时候指出：“然常微偏东，不全南也。”沈括在这里说的是“常微偏东”，而不是必微偏东。他在说到悬挂磁针的时候，也是说“针常指南”。稍后一些的寇宗奭，在他编的《本草衍义》中收录了沈括的话，但他去掉“微”字，而保留“常”字，写成“常偏东”，“常指南”、“常偏丙位”等等，足见沈、寇二人对“常”字不是随便用的。从后来的地磁学发展知道，磁偏角是随地点的变化而变化的，而同一地点的磁偏角大小又随时间的推移而不断改变。这些变化是由于地磁极不断变动所致。沈括在《梦溪笔谈》里之所以记为“常微偏东”，可能是由于他观察磁针指南是在一个比较长的时间里，同时也由于他观察磁针是在随身携带在各个不同的地点上，因此他所得到的各个偏角值大小不一样，多数是偏东的，但是也不完全是这样。欧洲人首次发现磁偏角随地点变化是在哥伦布由西班牙航往美洲的途中；而发现同一地点的磁偏角随时间变化是在1634年。这些发现都是比较具体而详细的。而沈括的记述却很笼统，但是我们可以认为，磁偏角是在不断变化的这一现象，在《梦溪笔谈》里就有所反映。到了南宋，磁偏角因地而异的情况有了更明确的记载，并且被应用到堪舆罗盘上，如前面已经提到的曾三异，他在《同话录》中说：“天地南北之正，当用子午。或谓今江南地偏，难用子午之正，故以丙壬参之。”这就是说，在地磁子午线和地理子午线一致的地方，用子午正针就可以了；而在我国东部沿海一带，地磁子午线和地理子午线有一夹角，就要参用丙壬缝针。到元明清时期，堪舆罗盘也都设有缝针，而且不同时期、不同地域所制的罗经盘的缝针方位也都不一致。这可以看成是我国古代关于偏角因时、地而变化的原始记录。从上面的介绍可以看出，我国古代关于磁学和地磁学的知识是相当丰富的，而指南针的发明，尤其是指南针在航海中的应用，更开世界磁性导航的先河。我国古代劳动人民以自己的辛劳和智慧为人类古代文明做出了巨大的贡献。近代中国物理发展相对落后的原因第一，满足于实际上的应用，忽视理论上的探讨，未能把对直接生产经验的总结提高到理论高度；第二，思辨性的思维方式排斥了严密的科学理论；第三，缺乏科学实验精神、未能运用实验方法，缺少近代科学实验的仪器等；第四，背离实践方向的格物学说