黃興制作的磁石勺

天然磁石

王振鐸制作的磁石勺  黃興供圖

■本報(bào)記者 胡珉琦

前段時(shí)間，因?yàn)?ldquo;張衡候風(fēng)地動(dòng)儀被歷史教材刪除”的烏龍事件，再次引發(fā)了對(duì)復(fù)原古代科技史上的技術(shù)發(fā)明一事的討論。中科院科學(xué)史所副研究員黃興收到不少類似的“疑問(wèn)”，早期的指南針——司南是否也會(huì)從歷史教科書中消失？而他完成不久的博士后課題正是“天然磁石勺‘司南’實(shí)證研究”。

司南在歷史上是否真的存在，以什么形態(tài)存在，科學(xué)史界時(shí)有爭(zhēng)議。黃興認(rèn)為，進(jìn)不進(jìn)教科書不是學(xué)術(shù)研究該糾結(jié)的問(wèn)題。在歷史文獻(xiàn)記載不夠詳細(xì)和考古資料不足的情況下，科學(xué)的實(shí)證研究是解決這一問(wèn)題研究的重要途徑。

爭(zhēng)議漩渦里的“司南”

指南針是我國(guó)古代科技領(lǐng)域的重大原創(chuàng)性發(fā)明，科學(xué)史研究者首先關(guān)心的是，它究竟出現(xiàn)在什么時(shí)候。

晚唐段成式的《酉陽(yáng)雜俎》及同時(shí)期的多部文獻(xiàn)記載了利用磁化的針來(lái)指向。進(jìn)入北宋，指南針的記載更加豐富。北宋沈括《夢(mèng)溪筆談》記載：“方家以磁石磨針鋒，則能指南。”又介紹了水浮、指甲旋轉(zhuǎn)、碗唇旋定、縷懸四種方法；朱彧《萍洲可談》記載將指南針用于航海。

然而，研究者并不滿足于這個(gè)認(rèn)識(shí)。在先秦文獻(xiàn)中，有不少關(guān)于磁石可以互相吸引、排斥和吸鐵的記載。在唐代之前，有沒(méi)有磁性指向工具，可能是什么樣子的？在這個(gè)問(wèn)題上，學(xué)者們有近百年的學(xué)術(shù)探索。

1928年，青年歷史學(xué)家張蔭麟提出，東漢王充《論衡·是應(yīng)篇》“司南之杓，投之于地，其柢南指”中記載的 “司南”很可能是東漢最新發(fā)明的磁性指向器。

1945年，中國(guó)博物館學(xué)家、科技史學(xué)家王振鐸先生提出“磁石勺—銅質(zhì)地盤”的司南復(fù)原方案。

之所以稱之為“磁石勺”，是因?yàn)橥跽耔I基于對(duì)《論衡》中那句話的理解——如勺之司南，投放于地盤之上，勺柄指南。王振鐸還用天然磁石制作了多件磁石勺，大都可以準(zhǔn)確指南。

這一工作在當(dāng)時(shí)引起巨大的反響。如今，人們最常見(jiàn)的那幅畫著長(zhǎng)勺的“司南”圖像就來(lái)自于此。但這一方案也受到不少質(zhì)疑。首先，考古界至今未發(fā)現(xiàn)古代磁石勺實(shí)物，只能依靠文獻(xiàn)考訂。可偏偏早期關(guān)于“司南”文獻(xiàn)記載都只有寥寥數(shù)語(yǔ)，“司南”一詞的具體指代不明確。

有學(xué)者提出有的古代文獻(xiàn)中的“司南”指的是指南車，有的可解釋為北斗、官職、權(quán)力、命運(yùn)等。就這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，學(xué)界長(zhǎng)期未達(dá)成共識(shí)。

再者，國(guó)家博物館不再展出當(dāng)年王振鐸制作的磁石勺，有人對(duì)王振鐸制作的磁石勺“司南”模型實(shí)物也提出了疑問(wèn)，諸如磁石勺是否可以在地磁場(chǎng)作用下指南轉(zhuǎn)動(dòng)，制作過(guò)程中是否使用了現(xiàn)代的制作技術(shù)等。

1987年中科院自然科學(xué)史研究所研究員林文照對(duì)王振鐸的磁石勺作了指向測(cè)試，證明其中兩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；也沒(méi)有講明白為什么王振鐸的磁石勺可以指南，而別人的不行，導(dǎo)致這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有令人信服的答案。

2014年，剛到中科院自然科學(xué)史所進(jìn)行博士后研究的黃興接到合作導(dǎo)師、中科院自然科學(xué)史所所長(zhǎng)張柏春選定的課題——以實(shí)驗(yàn)方法，再次復(fù)原磁石指向器。這也算是對(duì)王振鐸復(fù)原方案的科學(xué)性作進(jìn)一步的判斷。

為什么磁石勺可以有效指南？如果我們能做到，古人能否做得到？利用磁石制作指向器有哪些可行性方案？哪種最貼合古代記載？唐朝以前是否可能存在磁指向器，有沒(méi)有歷史依據(jù)或否定性證據(jù)？

黃興認(rèn)為，如果這些問(wèn)題都能被一一解決，不僅可以印證古文獻(xiàn)的記載，還可以說(shuō)明漢代存在天然磁石指向器的可能性。

實(shí)證研究的過(guò)程

張柏春在給黃興提供的研究思路中，最關(guān)鍵的一步是找到足夠剩余磁化強(qiáng)度的磁石，因?yàn)檫@關(guān)乎復(fù)原品的指向性能。顯然，黃興的首要工作就是尋找天然磁石。

究竟什么是磁石，是需要澄清的。黃興發(fā)現(xiàn)，過(guò)去研究依據(jù)化學(xué)成分來(lái)界定，將磁石與磁鐵礦等同起來(lái)，這是錯(cuò)誤的。

界定的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該還原到古代情景下，即依據(jù)古人可直接觀察的礦石的表觀物理屬性。他解釋，那些能夠吸引礦石碎屑的、極具有顯著剩余磁化強(qiáng)度的鐵礦石才算磁石；只有少部分磁鐵礦、磁赤鐵礦和磁黃鐵礦滿足這一標(biāo)準(zhǔn)。磁石的剩磁是從高溫緩慢冷卻時(shí)，通過(guò)熱剩磁效應(yīng)獲得的，其磁化過(guò)程經(jīng)歷了數(shù)百萬(wàn)年。個(gè)別研究用通電線圈模擬地磁場(chǎng)，在常溫下磁化任意鐵礦石，這當(dāng)然不能代表天然磁石。

在研究開始的前半年時(shí)間里，黃興都在做野外調(diào)查。

根據(jù)古文獻(xiàn)記載，天然磁石最大的外部特點(diǎn)就是表面會(huì)吸附很多礦石碎屑，看上去就像長(zhǎng)了一層毛。幾經(jīng)周折，他最終在河北省張家口市龍煙鐵礦區(qū)內(nèi)找到了這種長(zhǎng)相奇特的石頭。

那么，與古人可利用的磁石相比，這些磁石的剩磁到底如何？

黃興用吸鐵測(cè)試的方法與古代文獻(xiàn)記載特別是南朝劉宋《雷公炮炙論》等記載的磁石吸鐵能力相比較，表明這批磁石處于中上等的層次。

過(guò)去，有觀點(diǎn)認(rèn)為，加工會(huì)使天然磁石的磁化強(qiáng)度大大減弱，導(dǎo)致磁石不能指向。磁石是否會(huì)退磁，能否用準(zhǔn)確的磁矩?cái)?shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明？黃興再次遇到了研究難點(diǎn)。

磁石的外形不規(guī)則、磁化不均勻，長(zhǎng)度約10厘米；還要在加工過(guò)程中多次測(cè)量其磁矩�，F(xiàn)有的測(cè)量磁矩裝置要么要求樣品為規(guī)則外形，要么樣品長(zhǎng)度必須小于1厘米。

經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)研，沒(méi)有找到可用的設(shè)備。黃興只能用最笨的辦法，自己動(dòng)手制作一個(gè)磁石磁矩測(cè)量裝置。從設(shè)計(jì)、制作、改進(jìn)、定型到性能測(cè)定，前后經(jīng)歷了一年的時(shí)間。好在，他終于完成了這個(gè)裝置，性能達(dá)到了研究的需求。

接下去是加工環(huán)節(jié)。同樣根據(jù)文獻(xiàn)記載，黃興認(rèn)為，先秦之前，古人已經(jīng)具備切割、琢磨石料的工藝，將磁石加工成勺狀并拋光底部都不存在技術(shù)困難，而且制作效率還逐步提高。于是，他仿照古代工藝，用電動(dòng)坨具和水冷的方式，低速摩擦切割，制作了多枚磁石勺。

經(jīng)過(guò)測(cè)量，黃興發(fā)現(xiàn)，磁石勺成型后短時(shí)間內(nèi)磁化強(qiáng)度略有降低（約20%）。他持續(xù)監(jiān)測(cè)了兩年多，磁石勺的磁化強(qiáng)度始終穩(wěn)定在這一水平。

就在采訪現(xiàn)場(chǎng)，這些磁石勺接受指向測(cè)試時(shí)，只要用適當(dāng)?shù)牧τ|動(dòng)勺柄，勺體就會(huì)在地磁場(chǎng)力作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，勺柄最終指向南方，偏差在正常范圍之內(nèi)。甚至在水磨石地面上、有些顆粒感的硬桌面上，也都可以準(zhǔn)確指向。“所以，‘司南之杓，投之于地，其柢南指’中的‘地’完全可以解釋為地面。”黃興說(shuō)，“王振鐸所用磁石的剩磁還不是足夠好，所以他不得不設(shè)計(jì)了光滑的青銅地盤，這也使得他受到了一定的詬病。”

張柏春告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，為了使這項(xiàng)實(shí)證研究更完整，還須考慮到古地磁場(chǎng)的影響因素。

指南針之所以能有指向性，是受到了地磁場(chǎng)在水平方向的分量的作用。后者取決于地磁場(chǎng)總量和地磁傾角。

有意思的是，黃興根據(jù)中科院地質(zhì)與地球物理所等機(jī)構(gòu)的實(shí)測(cè)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，兩千多年來(lái)，北京、洛陽(yáng)、天水的地磁場(chǎng)水平分量都呈顯著M形變化，峰值幾乎是谷值的兩倍多。公元前4世紀(jì)至公元6世紀(jì)初為高峰期，而北宋和現(xiàn)代則處于低谷期。而《論衡》成書的時(shí)代正處于高峰期。

因此，黃興制作了一個(gè)適用的大型亥姆霍茲線圈來(lái)模擬古地磁場(chǎng)，實(shí)測(cè)表明在漢代地磁環(huán)境下，磁石勺能夠更加快速定向，指向更加精準(zhǔn)。

除此之外，針對(duì)磁石指向器是否必須是勺狀，有沒(méi)有其他可行方案等疑問(wèn)，黃興還嘗試了懸吊、水浮和用其他勺體盛放磁石等多種方案。他表示，部分其他方案也是可行的；但從技術(shù)可行性和外觀品相來(lái)看，勺狀方案都是最優(yōu)的。

磁石應(yīng)用起源的文化內(nèi)涵

值得一提的是，在這項(xiàng)研究開始前，黃興曾找到王振鐸的家人，看到了尚存的3枚磁石勺。在獲得允許之后，他便對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試，其中較小的兩枚是可以指南的。而其他研究者未能重復(fù)該實(shí)驗(yàn)，他認(rèn)為，主要是因?yàn)闆](méi)找到合適的天然磁石。

“通過(guò)這項(xiàng)研究，我們可以認(rèn)為，在漢代至唐代的資源、地磁環(huán)境和知識(shí)背景下，實(shí)現(xiàn)磁性指向并不存在困難，而且有多種方法可以實(shí)現(xiàn)。其中，從指向效果、外觀品相和與文獻(xiàn)的貼合度來(lái)看，‘磁石勺’可以被視為最佳的復(fù)原方案。”黃興表示，“至于《論衡》中的‘司南’是否一定是磁石勺，漢代是否真實(shí)存在磁性指向技術(shù)，最終還需要等待古代遺物或者找到更翔實(shí)的古文獻(xiàn)記載等證據(jù)。”

科技史對(duì)于古代技術(shù)發(fā)明的研究，其實(shí)并不局限于這項(xiàng)技術(shù)本身。在他看來(lái)，每一項(xiàng)技術(shù)出現(xiàn)的背后，必定與其所在歷史階段的社會(huì)發(fā)展息息相關(guān)，研究者還關(guān)注究竟有什么智慧和文化內(nèi)涵貫穿其中，從而更全面地還原當(dāng)時(shí)的歷史圖景。

黃興還認(rèn)為，公元前7世紀(jì)前后已經(jīng)有關(guān)于磁石的許多記載，這與鋼鐵業(yè)的興起密不可分。“到戰(zhàn)國(guó)后期，方士們想盡辦法把磁石制品包裝成各種神器，設(shè)計(jì)方術(shù)，來(lái)‘忽悠’統(tǒng)治者。”

除此之外，在民間，方士們還將磁性技術(shù)在內(nèi)的各種方術(shù)與儒家學(xué)說(shuō)相結(jié)合，與風(fēng)水、喪葬等禮俗文化相結(jié)合，“從而構(gòu)建了虛虛實(shí)實(shí)、玄而又玄的禮儀程序，充分滿足事主們的心理需求”。