中国古代“四大发明”中指南针为世界航海发现创造了条件，但有关其始祖——司南的争议一直存在，中学教科书中的司南真能指南吗？
编者按：
日前，一则关于“张衡地动仪从教材中删除”的新闻曾引发热议。其实除了张衡地动仪，很多中国古代科技成就都入选了中学课本，有一些也产生过争议。张衡地动仪的复制品为何不能预测地震？指南针的始祖“司南”到底能不能指南？蔡伦是造纸术的发明人还是改进者？让我们一起来考证一下。（更多精彩内容请看“中学课本里的中国古代科技”专题：http://t.cn/E515waP）
文/记者 刘辛味 图文编辑/陈永杰
新媒体编辑/吕冰心 供图/黄兴
采访专家:
黄兴 （中科院自然科学史研究所副研究员、《中国古代指南针科学认知与实证研究》项目负责人）
中国古代“四大发明”中，指南针一直受到高度关注。早在先秦时期，人们就发现了磁石可以互相吸引、排斥和吸铁；有学者认为先秦两汉文献中记载的“司南”有可能是磁性指向工具，即指南针的始祖。指南针的发明时代，现在明确可以追溯到唐代。北宋起，指南针被用于航海事业，并传入欧洲，为世界航海发现创造了条件。这也是我国现行的中小学课本中的内容。
▲目前网络上的司南图片均为美化后的模型，会让人误以为真正的司南外观就是如此。
但是关于“司南”的争议一直存在，例如：“司南”到底是不是磁性指向工具？“司南”是不是勺状？教科书中的“司南”真的能指南吗？尤其近年来又成为人们关注的热点。如今，这些问题有了最新的解答。
多数学者认为，确切的文献记载只能作为指南针发明时间的下限，还可以继续向前探索。当时青年历史学家张荫麟提出，东汉王充《论衡•是应篇》记载“司南之杓，投之于地，其柢指南”中的“司南”可能是东汉最新式的磁性指向装置。
1945-1947年，科技史家、文物复原专家王振铎又向前推进了一步，提出了“磁石勺+青铜地盘”的“司南”复原方案，也就是我们常见的那把勺子。王振铎用天然磁石制作了多件磁石勺，其中有数枚确实可以指南。王振铎表示在未发现考古实物之前，姑且以这种方案来代替。这一复原工作在国内外都引起了极大的社会反响。
1953年发行的《伟大的祖国》邮票中第一枚就是司南，后来课本、辞典等都介绍了这种复原方案。“勺状司南”图形被奉为中国古代先进科技的标志之一。
▲1953年发行的《伟大的祖国》邮票中第一枚就是司南（图片来自网络）
由于尚未见到考古实物，学者们对“司南究竟是什么”也有不同的观点。有人认为王充《论衡》中的司南是北斗七星，其他古籍中的“司南”可能代指官职、权力、法律等，都源自对北斗的延伸。另有人通过考证，认为“杓”、“柢”是指南车的横杆部件。还有人提出了“原始水浮指南针”司南复原方案。
另一方面是对磁石勺制造工艺和指向可行性的质疑。比如，磁石勺是否真能在地磁场作用下转动？王振铎的复原使用了当代铣床等工具，古人是否有能力对磁石进行加工？很重要一点是，除了王振铎，其他人都未能制作成功可以指南的磁石勺；由于很多人没见过王振铎的复原实物，甚至怀疑王振铎当年是否真的制作了磁石勺。
1952年，时任中国科学院院长郭沫若代表考察苏联科学院，想把司南作为国礼相赠，就委托了钱临照院士制作，但未能成功，最后选择用钨钢勺磁化的方法制成了磁勺。这让很多人对磁石勺能不能指南的疑虑更大了。
2014年，刚刚博士毕业的黄兴来到中科院自然科学史研究所进行博士后研究。他的合作导师自然科学史研究所所长张柏春研究员交给他一个课题：用实验方法研究古代指南针。验证磁石勺能不能指南是其中的重要内容。
黄兴的工作并没因缺少历史文物而受到阻碍，他说，“没有文物还有文献，没有文献我们能做实验。”即从实证的角度来探究古代技术的可能性。从前人文献开始，黄兴仔细梳理了各家的学术观点和实验过程，意识到要制作能指南的磁石勺，必须要得到其原材料“磁石”，而且是强度足够高的磁石。
黄兴还来到王振铎后人家中，真正见到了当时王振铎制作的磁石勺。现在还留有3枚。经过测试，其中的2枚确实可以指南。这就澄清了所谓王振铎磁石勺“司南”不存在的误解。对于当初用司南作为国礼相赠一事，黄兴说：“虽然这件事是口述相传，但包括钱临照院士都没否定磁石勺“司南”的方案，没做成功的原因很可能是所用磁石强度不足，而王振铎之前制作的磁石勺很小，品相也不够美观。”
▲王振铎制作的磁石勺
黄兴的主要工作是找到合适的磁石。首先要知道磁石是什么。根据岩石磁学理论，磁石是古人对多类具有显著天然剩余磁性（NRM）铁矿石的统称。这些矿石包括磁铁矿、磁赤铁矿和磁黄铁矿等。磁石是含铁矿石在长期的高温成矿过程中，在地磁场中不断降温获得了热剩余磁性，就成了磁石。热剩磁具有很强的稳定性，远胜于摩擦磁化得到的等温剩磁。
▲黄兴采集到的天然磁石样品
磁石究竟长什么样子？北宋文献中已经画出了是“长毛”的石头。
几经辗转，黄兴真找到了“长毛”的磁石，外形与文献记载非常相似，又用现代技术分析，他找到的磁石主要成分是磁赤铁矿（γ-Fe2O3）。那么这批磁石磁性如何？在经过吸铁测试，再与文献对比发现，黄兴找到的磁石与文献中的中上等磁石磁性相当。
▲北宋苏颂《本草图经》中描绘的慈州磁石
磁石勺能否指南取决于其磁矩的大小。磁石或磁石勺是不规则状，尺寸也超过现有设备的检测范围。黄兴用了近一年时间自行设计制作了一套检测装置。
▲黄兴制作的天然磁石磁矩测量装置
最终，黄兴仿照古代的加工方式打磨制作了多枚磁石勺，都有固定的指向，其中多枚可以指南，误差只有5%左右。检测发现，经过打磨会让磁化强度略有减小，但最终会稳定下来，指南效果完全不受影响。。
黄兴还对古代地磁场进行了考察，从前人已发表的数据中归纳了两千多年来北京、洛阳、天水的地磁场水平分量的演变曲线，发现其在秦汉唐时期处于最高点；现代与北宋强度相当，处于最低点。最高点是最低点的2倍。黄兴又制作了可以产生匀强磁场的大型的亥姆霍兹线圈模拟古代地磁场，将磁石勺放进去进行指向测试，发现定向速度明显加快，而且指向更精准。
▲黄兴制作的磁石勺
那么古人是否有技术将磁石切割成勺状？“从石器时代起，人们就开始加工石头；汉代钢铁技术已经基本成熟，创造出各种铁质工具，石刻艺术手法娴熟，古人制成勺状不成问题”，黄兴说道。
至于王振铎方案中所用的光滑地盘，原来认为这是为了减小摩擦力并辅助指示方向，但黄兴通过实验发现有无底盘并不重要。他采集到的天然磁石磁性远胜于王振铎所用磁石。他制作的磁石勺在硬一点的木质桌面上、水磨石地面上，甚至有微小颗粒的水泥地上都可以正常指南。《论衡》那句话所讲的“地”完全可以解释为地面。至于为什么古人会制成勺状，黄兴解释，从力学角度来看，勺底球型会把滑动摩擦变成滚动摩擦，摩擦力显著减小；而且重心较低，不易倾斜。勺柄则增加了勺体的转动惯量，可以让勺体晃动更长时间，来完成指向。“最适合的造型就是勺型。”
黄兴从实证角度，证明了天然磁石能够制成勺状能够指南，而且能长时间使用。但他也认为，“磁石勺方案贴合文献记载，技术上确实可行，是目前最佳的复原方案。但司南究竟是不是磁石勺，现在还没有判定性证据，有待进一步研究，不必急于肯定或否定复原方案。”
除了司南，黄兴在整个课题的研究过程中，还通过实验检测了北宋《武经总要》指南鱼的磁化机理，测试了其他磁石磁性指向方案，测试了铁质指南针的外形、材质与磁化性能的关系等，都取得了重要的新发现。
▲天然磁石勺周围的磁力线演示
科技史的研究是以过去的科技案例为研究对象，探寻科技发展的历史过程，总结科技与社会之间的规律性认识。指南针的制造技术如何诞生和演变，它在古代社会和文化中扮演什么样的角色？黄兴表示，“用更宽广的视野来看待古代磁性技术，可以让我们对指南针的认识更加有血、有肉，更丰满。”
黄兴认为，古代磁性技术与钢铁技术的形成有关，也与我国古代的宗教、巫术文化有很深刻的关系。战国时期从事占星、巫术的方士就利用磁石设计出了多种方术；秦代方士提出了磁石门方案，进一步博得了秦始皇的信任。西汉方士为汉武帝表演斗棋，一时获得了无比的荣宠；也将磁石应用于丧葬礼俗中……在此过程中，不断积累知识，最终发现了磁性指向技术；成为方士或风水先生们的必备工具。
黄兴说，“指南针集科学、历史、神秘、文化于一身，是一个独特的古代发明。”在常人眼中，指南针可能只是一把勺或者一枚针；但它也是一部内容丰富的历史故事，等着我们去进一步挖掘。
参考文献：
黄兴. 天然磁石勺“司南”实证研究[J]. 自然科学史研究, 2017(3):361-386.
黄兴. 中国指南针史研究文献综述[J]. 自然辩证法通讯, 2017(1):85-94.
戴念祖. 再谈磁性指向仪“司南”——兼与孙机先生商榷[J]. 自然科学史研究, 2014, 33(4):385-393.
专家释疑：天然磁石勺能指南吗[N].中国科学报, 2018.11.09
