古代科学技术成就——指南针和其他物理学成就

严格地说，在古代世界中是没有近代意义的物理学的，但这并不是说物理学不是历史发展的产物。在物理学作为一门独立的科学形态出现之前，它同样经历了漫长的历史进程，甚至可以说它是与人类的活动相始终的。在中国悠久的文化史中，历代的人们积累了大量的经验性物理知识，并取得了许多辉煌的成就。指南针的发明就是一项具有划时代意义的伟大成就。

中国是世界上最早发现磁铁指极性的国家。大约在战国时期，人们就利用磁铁的指极性，发明了磁性指向仪器“司南”。东汉的王充说：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”20世纪三四十年代，中国著名的文博学家和科技史家王振铎研究并复原了司南，指出它是用天然磁铁磨制成杓状之物，投置于光滑的地盘（即罗经盘）上，其杓柄就会指向南方。（图17—3）由于天然磁铁加工后易失磁，本身又难以加工得小巧轻薄，故指向不太准确，没能被推广应用。

从司南到指南针，经历了一个漫长的演进过程。指南针究竟何时问世，现在尚无法确定。目前发现的关于指南针的早期文字记载，主要的有如下几条：

《茔原总录》卷一说：

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。

意思是说，要定东西南北四正的方向，必须取丙午向的针，然后在丙、午的位置，“中而格之”，找出正南的方向。亦即让针指丙午中间的方向，则午向就是正南方向。《茔原总录》是一部相墓书，撰于宋仁宗庆历元年（1041）。作者杨维德是当时的天文学家、星占学家和堪舆学家，大中祥符三年（1010）左右任司天监保章正，专司占候变异。这条记载中所说的针，虽没有明确指出是什么针，但从字里行间可以断定是磁针无疑，说明当时已把磁针与罗经盘配套，作为定向的仪器，并且已发现了地球的磁偏角，定为正南偏东75度。

《梦溪笔谈》卷二十四说：

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，指爪及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬为最善。其法取新纩中独茧缕，以芥子许蜡，缀于针腰，无风处悬之，则针常指南。其中有磨而指北者。予家指南、北者皆有之。

《梦溪笔谈》是北宋沈括所著，撰于公元1088—1095年间。这条记载明确指出指南针是方家（堪舆家）首先发明和使用的，用的是“磁石磨针锋”的人工磁化方法制成，并且记述了水浮、置指甲上、置碗唇上和悬丝等四种指南针的装置方法，以及各种方法的长处和缺陷，使人们对当时的指南针有较清晰的认识。（图17—4）文中所说的指南针“常微偏东”，说明沈括也已注意到磁偏角。

《本草衍义·磁石条》说：

磨针锋则能指南，然常偏东，不全南也，其法取新纩中独缕，以半芥子许蜡，缀于针腰，无风处垂之，则针常指南。以针横贯灯心，浮水中，亦指南，然常偏丙位。

《本草衍义》撰于公元1116年，为北宋药物学家寇宗奭所著。此记载与杨维德和沈括的记述基本一致。

从上述材料中，我们可以看到，指南针在11世纪时已是常用的定向仪器，有多种装置方法，并已由指南针发现了地球的磁偏角，从而也表明指南针至少已经行用了一段时期。由此可以推断，指南针至迟发明于11世纪初期。如果把指南针的发明时代上溯到10世纪时的唐末或五代，也是不无根据的。如王伋（王赵卿，约10世纪末）曾留有“虚危之间针路明”的诗句；佚名的《九天玄女青囊海角经》（约900年）中说：“今之象占，以正针天盘，格龙以缝针地盘”等。这里所说的“针路”、“正针”、“缝针”等，极可能就是用指南针与罗经盘配套定向的术语。

除“磁石磨针锋”外，中国古代还发明了另一种人工磁化方法，即利用地球磁场的作用进行磁化。北宋曾公亮主编的《武经总要》中记载的指南鱼就是如此。其法是把薄铁片剪成鱼形，烧红后把尾部蘸入水中，使鱼尾指向正北方位，并且稍微向下倾斜，然后取出，鱼形薄铁片就被磁化，让它浮在水面，就成为可以指向的指南鱼。这种利用地磁场进行磁化的方法，是一个非常了不起的发现和发明，包含有丰富的科学道理。近代科学表明，磁铁的磁性是由磁畴的规则排列形成的，非磁铁由于磁畴排列杂乱无章而不具磁性。鱼形薄铁片烧红以后，内部磁畴活动加剧，沿南北方向放置，可以在强大的地磁场作用下，使磁畴顺着地磁场的方向排列。蘸入水中，则可以使磁畴的规则排列比较快地固定下来。至于鱼尾稍微向下倾斜，是由于地球磁场的磁倾角作用，可以增大磁化的程度，这也反映了当时中国已经发现了地球的磁倾角。欧洲人用同样的方法进行人工磁化，比中国晚了四百多年，磁偏角的发现是哥伦布在航海探险中于1492年发现的，而磁倾角的发现则还要更晚一些时候。

在物理学的其他分支中，中国古代同样不乏出色的成就：

力学方面，墨子已经得到了力 × 力臂=重 × 重臂的杠杆原理，对力、运动、静止、时空等概念，墨子也都有着精辟的论述。墨子认为，运动是由于物体受力的作用而发生，在空间中表现为位置的移动，在时间上表现为先后的变化；时间和空间既是连续的，又是由不可再分的时间基元“始”和空间基元“端”所构成的。墨子的这些力学成就，以之与古希腊物理学相比，毫不逊色。其他如利用摩擦而引起板振动的喷水鱼洗，利用类似于现代万向支架原理制作的被中香炉等，都是至今仍为举世所赞叹和惊异的杰出发明。

光学方面，墨子提出了光是直线传播的，并进行了小孔成像的实验，用光的直线传播解释了光通过小孔所形成的影像是倒像的道理。他对凹面镜、凸面镜和平面镜成像的原理也进行了比较系统的研究，已发现了凹面镜焦点的存面。虽然他把球心和焦点混淆在一起，但这些实验是世界上最早的光学实验，具有重大的科学意义。李约瑟曾把墨子光学与古希腊光学进行比较，指出墨子的光学研究“比我们任何所知的希腊为早”，“印度亦不能比拟”。后来，宋代的沈括和元代的赵友钦分别又对凹面镜和小孔成像原理进行较深入的研究，把中国古代的几何光学提高到一个新的水平。此外，汉代发明的透光镜，能够反射出铜镜背面的精美图像，是中国古代光学的一大发明，现在仍引起中外学者的关注。

声学方面，中国是首先发现声音共鸣现象的国家。早在春秋战国时期，人们就已发现了声音的共鸣现象，并加以利用。《墨子·备穴篇》中记载，为了侦知敌方是否挖地道攻城，可在城内沿城墙根每隔一定的距离挖一口井，井中放置大瓮，瓮口紧绷薄牛皮，派耳朵聪敏的人贴着瓮口监听。如敌方开挖地道，即可由井瓮发出的声音情况来判断敌方地道的方位，预作准备。这反映了当时已经发现了声波共鸣可使声音放大的现象，并加以巧妙地利用。又据《庄子·徐无鬼篇》记载，西周的鲁遽曾把二瑟置于二屋，一屋中拨弦，另一屋中相应的弦即随之振动，“鼓宫宫动，鼓角角动，音律同矣”。如果调一瑟中的某一弦，使它与五声中任何一声都不相当，那么弹动它时，另一瑟上的25根弦都会振动。这可说是世界上最早的共振实验。后来，沈括也进行了类似的实验。他在一根琴弦上放置一小纸人，弹动另一架琴上频率相应的弦，则弦上的纸人就会跳动；弹动其他的弦，则纸人不动。欧洲直到17世纪，方进行了相似的实验。关于声音的反射问题，中国也早就有所研究，现存北京天坛的回音壁、三音石和圜丘就是利用声音反射效应的杰作。（图17—5）音律学的研究，更是中国古代长期关注的问题，特别是明代朱载堉于1581年前后首创的十二平均律，以及十二平均律的计算公式，在世界音律学史上揭开了一个新的篇章，对近代音乐艺术的发展起了巨大的促进作用。