指南针指南的原理

指南针指南的原理

指南针是用以判别方位的一种简单仪器。指南针的前身是中国古代四大发明之一的司南。主要组成部分是一根装在轴上可以自由转动的磁针。磁针在地磁场作用下能保持在磁子午线的切线方向上。磁针的北极指向地理的南极，利用这一性能可以辨别方向。常用于航海、大地测量、旅行及军事等方面。

指南针的发明是我国劳动人民，在长期的实践中对物体磁性认识的结果。由于生产劳动，人们接触了磁铁矿，开始了对磁性质的了解。人们首先发现了磁石引铁的性质。后来又发现了磁石的指向性。经过多方的实验和研究，终于发明了可以实用的指南针。

地球是个大磁体，其地磁南极在地理北极附近，地磁北极在地理南极附近。

指南针在地球的磁场中受磁场力的作用，所以会一端指南一端指北。

我国“四大发明”之一的指南针，辗转传人欧洲后在航海大发现中发挥出不可替代的作用。但科学史家清楚，最早解答“指南针为何能够指南”问题的并不是中国人，而是英国科学家吉尔伯特。那么，中国发明指南针后对指南针理论作过什么样的探讨？吉尔伯特的理论是否及时传到了中国？明末清初的“西学东渐”，又对我国指南针理论的发展有过哪些影响？上海交通大学科学史与科学哲学系教授关增建从2003年起开始着手研究这些基本上还是空白的问题。

“中国最早的指南针理论，是建立在阴阳五行学说基础上的‘感应说’。”关增建介绍，11世纪中叶时我国大科学家沈括还对指南针感到匪夷所思，他的《梦溪笔谈》介绍了指南针的人工磁化方法、磁偏角的发现和指南针的架设方法，但对指南针为什么会指南却没有一点概念——“磁石之指南……莫可原其理！”随后，文人学者们从阴阳五行学说出发，结合当时人们对大地形状的认识，提出各种指南针理论。例如，最晚成书于宋代的《管氏地理指蒙》，首先提出如下逻辑：

“磁针是铁打磨成的，铁属金，按五行生克说，金生水，而北方属水，因此北方之水是金之子。铁产生于磁石，磁石是受阳气的孕育而产生的，阳气属火，位于南方，因此南方相当于磁针之母。这样，磁针既要眷顾母亲，又要留恋子女，自然就要指向南北方向。”

从近代物理学的观点来看，“蒙氏理论”完全异想天开，但从事物的属性出发解释其行为，在东西方科学史上都是常用的做法。我国古代阴阳学说昌盛，用阴阳学说阐释指南针指南及“常微偏东”的原理，是再自然不过的事情。特别是，’该理论认为磁石不同端面有不同属性，它们决定磁针的指向，这种说法很容易启发人们发现磁石的两极，并进一步联想到磁极与磁针指向之间的关系，从而为正确认识这一问题找到可能的途径。

南宋人的指南针原理，仍认为“指南针之所指，即阳气之所在”，只是围绕磁偏角现象，理论依据更多转向地理方位的坐标系统——中国古人认为地是平的、大小有限，这样地表面必然有个中心，过该中心的那条子午线就是唯一的南北方向。南宋人曾三异等认为，一旦测量地点不在这条南北线上，指南针所指向自然“少偏”。到明代，有人假托南唐人著作指出，指南正针由大地方位系统决定，而偏角则由天体方位划分系统所决定。关增建认为，这种说法“体现了传统指南针理论在阴阳感应学说和磁偏角的存在这一矛盾面前所表现出来的窘迫”。

明万历年间（公元1573～1620年），传教士来华，带来西方的指南针理论、地球学说以及相关科技知识。受其影响，中国学者开始从新的视角探讨指南针理论问题，在此过程中，阴阳五行的作用不断淡化，力学角度的分析不断增加，但吉尔伯特1600年提出的科学理论连西方学界都没统一，更谈不上人主东土。传教士中，1658年抵华的比利时耶稣会士南怀仁的指南针理论最系统，但他认为决定磁针指向的是地球的地理南北两极本身，理论仍然局限在古代科学的范围，而不像吉尔伯特认识到地球本身存在一个磁体。南怀仁理论在中国影响深远，直到19世纪中叶，我国仍有学者用它解释指南针问题。

现在人们已经知道，地球的两个磁极和地理的南北极只是接近。并不重合。磁针指向的是地球磁极而不是地理的南北极，这样磁针指的就不是正南、正北方向而略有偏差，这个角度就叫磁偏角。又因为地球近似球形，所以磁针指向磁极时必向下倾斜，和水平方向有一个夹角，这个夹角称为磁倾角。不同地点的磁偏角和磁倾角都不相同。成书于北宋的《武经总要》在谈到用地磁法制造指南针时，就注意利用了磁倾角。沈括在《梦溪笔谈》谈到指南针不全指南，常微偏东。指出了磁偏角的存在。磁偏角和磁倾角的发现使指南针的指向更加准确。