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天然磁石勺能指南吗

2018-11-09 09:21来源:《中国科学报》

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  黄兴制作的磁石勺

  天然磁石

  王振铎制作的磁石勺 黄兴供图

  ■记者 胡珉琦

  前段时间,因为“张衡候风地动仪被历史教材删除”的乌龙事件,再次引发了对复原古代科技史上的技术发明一事的讨论。中科院科学史所副研究员黄兴收到不少类似的“疑问”,早期的指南针——司南是否也会从历史教科书中消失?而他完成不久的博士后课题正是“天然磁石勺‘司南’实证研究”。

  司南在历史上是否真的存在,以什么形态存在,科学史界时有争议。黄兴认为,进不进教科书不是学术研究该纠结的问题。在历史文献记载不够详细和考古资料不足的情况下,科学的实证研究是解决这一问题研究的重要途径。

  争议漩涡里的“司南”

  指南针是我国古代科技领域的重大原创性发明,科学史研究者首先关心的是,它究竟出现在什么时候。

  晚唐段成式的《酉阳杂俎》及同时期的多部文献记载了利用磁化的针来指向。进入北宋,指南针的记载更加丰富。北宋沈括《梦溪笔谈》记载:“方家以磁石磨针锋,则能指南。”又介绍了水浮、指甲旋转、碗唇旋定、缕悬四种方法;朱彧《萍洲可谈》记载将指南针用于航海。

  然而,研究者并不满足于这个认识。在先秦文献中,有不少关于磁石可以互相吸引、排斥和吸铁的记载。在唐代之前,有没有磁性指向工具,可能是什么样子的?在这个问题上,学者们有近百年的学术探索。

  1928年,青年历史学家张荫麟提出,东汉王充《论衡·是应篇》“司南之杓,投之于地,其柢南指”中记载的 “司南”很可能是东汉最新发明的磁性指向器。

  1945年,中国博物馆学家、科技史学家王振铎先生提出“磁石勺—铜质地盘”的司南复原方案。

  之所以称之为“磁石勺”,是因为王振铎基于对《论衡》中那句话的理解——如勺之司南,投放于地盘之上,勺柄指南。王振铎还用天然磁石制作了多件磁石勺,大都可以准确指南。

  这一工作在当时引起巨大的反响。如今,人们最常见的那幅画着长勺的“司南”图像就来自于此。但这一方案也受到不少质疑。首先,考古界至今未发现古代磁石勺实物,只能依靠文献考订。可偏偏早期关于“司南”文献记载都只有寥寥数语,“司南”一词的具体指代不明确。

  有学者提出有的古代文献中的“司南”指的是指南车,有的可解释为北斗、官职、权力、命运等。就这一点来说,学界长期未达成共识。

  再者,国家博物馆不再展出当年王振铎制作的磁石勺,有人对王振铎制作的磁石勺“司南”模型实物也提出了疑问,诸如磁石勺是否可以在地磁场作用下指南转动,制作过程中是否使用了现代的制作技术等。

  1987年中科院自然科学史研究所研究员林文照对王振铎的磁石勺作了指向测试,证明其中两件具有良好的指向性。但其他研究者未能用天然磁石再次制作磁石勺;也没有讲明白为什么王振铎的磁石勺可以指南,而别人的不行,导致这个问题没有令人信服的答案。

  2014年,刚到中科院自然科学史所进行博士后研究的黄兴接到合作导师、中科院自然科学史所所长张柏春选定的课题——以实验方法,再次复原磁石指向器。这也算是对王振铎复原方案的科学性作进一步的判断。

  为什么磁石勺可以有效指南?如果我们能做到,古人能否做得到?利用磁石制作指向器有哪些可行性方案?哪种最贴合古代记载?唐朝以前是否可能存在磁指向器,有没有历史依据或否定性证据?

  黄兴认为,如果这些问题都能被一一解决,不仅可以印证古文献的记载,还可以说明汉代存在天然磁石指向器的可能性。

  实证研究的过程

  张柏春在给黄兴提供的研究思路中,最关键的一步是找到足够剩余磁化强度的磁石,因为这关乎复原品的指向性能。显然,黄兴的首要工作就是寻找天然磁石。

  究竟什么是磁石,是需要澄清的。黄兴发现,过去研究依据化学成分来界定,将磁石与磁铁矿等同起来,这是错误的。

  界定的标准应该还原到古代情景下,即依据古人可直接观察的矿石的表观物理属性。他解释,那些能够吸引矿石碎屑的、极具有显著剩余磁化强度的铁矿石才算磁石;只有少部分磁铁矿、磁赤铁矿和磁黄铁矿满足这一标准。磁石的剩磁是从高温缓慢冷却时,通过热剩磁效应获得的,其磁化过程经历了数百万年。个别研究用通电线圈模拟地磁场,在常温下磁化任意铁矿石,这当然不能代表天然磁石。

  在研究开始的前半年时间里,黄兴都在做野外调查。

  根据古文献记载,天然磁石最大的外部特点就是表面会吸附很多矿石碎屑,看上去就像长了一层毛。几经周折,他最终在河北省张家口市龙烟铁矿区内找到了这种长相奇特的石头。

  那么,与古人可利用的磁石相比,这些磁石的剩磁到底如何?

  黄兴用吸铁测试的方法与古代文献记载特别是南朝刘宋《雷公炮炙论》等记载的磁石吸铁能力相比较,表明这批磁石处于中上等的层次。

  过去,有观点认为,加工会使天然磁石的磁化强度大大减弱,导致磁石不能指向。磁石是否会退磁,能否用准确的磁矩数据来说明?黄兴再次遇到了研究难点。

  磁石的外形不规则、磁化不均匀,长度约10厘米;还要在加工过程中多次测量其磁矩。现有的测量磁矩装置要么要求样品为规则外形,要么样品长度必须小于1厘米。

  经过反复调研,没有找到可用的设备。黄兴只能用最笨的办法,自己动手制作一个磁石磁矩测量装置。从设计、制作、改进、定型到性能测定,前后经历了一年的时间。好在,他终于完成了这个装置,性能达到了研究的需求。

  接下去是加工环节。同样根据文献记载,黄兴认为,先秦之前,古人已经具备切割、琢磨石料的工艺,将磁石加工成勺状并抛光底部都不存在技术困难,而且制作效率还逐步提高。于是,他仿照古代工艺,用电动坨具和水冷的方式,低速摩擦切割,制作了多枚磁石勺。

  经过测量,黄兴发现,磁石勺成型后短时间内磁化强度略有降低(约20%)。他持续监测了两年多,磁石勺的磁化强度始终稳定在这一水平。

  就在采访现场,这些磁石勺接受指向测试时,只要用适当的力触动勺柄,勺体就会在地磁场力作用下转动,勺柄最终指向南方,偏差在正常范围之内。甚至在水磨石地面上、有些颗粒感的硬桌面上,也都可以准确指向。“所以,‘司南之杓,投之于地,其柢南指’中的‘地’完全可以解释为地面。”黄兴说,“王振铎所用磁石的剩磁还不是足够好,所以他不得不设计了光滑的青铜地盘,这也使得他受到了一定的诟病。”

  张柏春告诉《中国科学报》记者,为了使这项实证研究更完整,还须考虑到古地磁场的影响因素。

  指南针之所以能有指向性,是受到了地磁场在水平方向的分量的作用。后者取决于地磁场总量和地磁倾角。

  有意思的是,黄兴根据中科院地质与地球物理所等机构的实测文献发现,两千多年来,北京、洛阳、天水的地磁场水平分量都呈显著M形变化,峰值几乎是谷值的两倍多。公元前4世纪至公元6世纪初为高峰期,而北宋和现代则处于低谷期。而《论衡》成书的时代正处于高峰期。

  因此,黄兴制作了一个适用的大型亥姆霍兹线圈来模拟古地磁场,实测表明在汉代地磁环境下,磁石勺能够更加快速定向,指向更加精准。

  除此之外,针对磁石指向器是否必须是勺状,有没有其他可行方案等疑问,黄兴还尝试了悬吊、水浮和用其他勺体盛放磁石等多种方案。他表示,部分其他方案也是可行的;但从技术可行性和外观品相来看,勺状方案都是最优的。

  磁石应用起源的文化内涵

  值得一提的是,在这项研究开始前,黄兴曾找到王振铎的家人,看到了尚存的3枚磁石勺。在获得允许之后,他便对其进行了测试,其中较小的两枚是可以指南的。而其他研究者未能重复该实验,他认为,主要是因为没找到合适的天然磁石。

  “通过这项研究,我们可以认为,在汉代至唐代的资源、地磁环境和知识背景下,实现磁性指向并不存在困难,而且有多种方法可以实现。其中,从指向效果、外观品相和与文献的贴合度来看,‘磁石勺’可以被视为最佳的复原方案。”黄兴表示,“至于《论衡》中的‘司南’是否一定是磁石勺,汉代是否真实存在磁性指向技术,最终还需要等待古代遗物或者找到更翔实的古文献记载等证据。”

  科技史对于古代技术发明的研究,其实并不局限于这项技术本身。在他看来,每一项技术出现的背后,必定与其所在历史阶段的社会发展息息相关,研究者还关注究竟有什么智慧和文化内涵贯穿其中,从而更全面地还原当时的历史图景。

  黄兴还认为,公元前7世纪前后已经有关于磁石的许多记载,这与钢铁业的兴起密不可分。“到战国后期,方士们想尽办法把磁石制品包装成各种神器,设计方术,来‘忽悠’统治者。”

  除此之外,在民间,方士们还将磁性技术在内的各种方术与儒家学说相结合,与风水、丧葬等礼俗文化相结合,“从而构建了虚虚实实、玄而又玄的礼仪程序,充分满足事主们的心理需求”。

  相关论文信息:

  天然磁石勺“司南”实证研究.《自然科学史研究》第36卷第3期(2017年):361-386

  中国指南针史研究文献综述.《自然辩证法通讯》,第39卷第1期(2017):85-94

[责编:宋雅娟]

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