岑天慶

(中山市華僑中學(xué),廣東 中山 528400)

科技史研究與一般歷史研究略有不同，因?yàn)椴荒苤匦伦哌M(jìn)歷史，所以學(xué)術(shù)界主要采用王國(guó)維先生的二重證據(jù)法，即：古文獻(xiàn)之間以及與古文物相互印證的研究方法. 科技史要對(duì)其涉及的科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究，科學(xué)研究的核心是要進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，而科學(xué)實(shí)驗(yàn)最本質(zhì)的特征是具有重復(fù)性. 所以用科學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)古代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)或科技發(fā)明，遠(yuǎn)比通過(guò)古文獻(xiàn)之間相互印證得到的推測(cè)結(jié)論可靠和有說(shuō)服力. 本文以對(duì)《武經(jīng)總要》和《夢(mèng)溪筆談》古文獻(xiàn)本意的解讀和分析為基礎(chǔ)，充分從中獲取關(guān)于指南魚(yú)和指南針制法的信息，如實(shí)按照古文獻(xiàn)的要求，實(shí)事求是地進(jìn)行復(fù)原實(shí)驗(yàn). 通過(guò)相關(guān)物理知識(shí)和認(rèn)知邏輯分析，探索古代指南魚(yú)、指南針制法科學(xué)問(wèn)題的秘密，揭示其歷史真相.

1 我國(guó)古代關(guān)于指南魚(yú)制法的記載及過(guò)往研究

北宋時(shí)期，曾公亮在《武經(jīng)總要》(1040—1044)中記載：用薄鐵葉剪裁，長(zhǎng)二寸，闊五分，首尾銳如魚(yú)型，置炭火中燒之，侯通赤，以鐵鈐鈐魚(yú)首出火，以尾正對(duì)子位，蘸水盆中，沒(méi)尾數(shù)分則止，以密器收之. 用時(shí)，置水碗于無(wú)風(fēng)處平放，魚(yú)在水面，令浮，其首常向午也. 這是學(xué)術(shù)界普遍公認(rèn)和接受的我國(guó)最早發(fā)明指南針的記載.

20世紀(jì)40年代，王振鐸認(rèn)為：《武經(jīng)總要》指南魚(yú)未記載磁化方法，可能是撰者直接引文未加思索，或有意保密；熟鐵矯頑性較低，指南魚(yú)當(dāng)用薄鋼葉制作；淬火只是加強(qiáng)鋼鐵硬度，與獲得磁性毫無(wú)關(guān)系；正對(duì)南北方向淬火是為了附會(huì)五行理論；“密器”可能內(nèi)置磁石，保存指南魚(yú)的同時(shí)繼續(xù)磁化[1].

1992年，李強(qiáng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：地磁場(chǎng)的熱剩磁效應(yīng)非常弱，不足以驅(qū)動(dòng)魚(yú)形鐵片指南. 他用鋸條做了模擬實(shí)驗(yàn)，分別用家庭火爐、電爐加熱到約700 ℃淬火，兩端表磁或測(cè)不到或極小，插在泡沫塑料上，浮于水面，沒(méi)有指南跡象；用磁石摩擦磁化，鋸條兩端表面磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.6×10-3～1.8×10-3T，指南效果顯著. 文章還提到中國(guó)歷史博物館曾用中碳鋼制作魚(yú)形浮子，電爐加熱到700 ℃淬火，首尾磁感應(yīng)強(qiáng)度為4×10-4～1.1×10-3T，無(wú)指極性. 李強(qiáng)判斷：中高碳鋼高溫淬火獲得的熱剩磁不足以克服水的表面張力而指極；磁石摩擦可以輕易使鋼片具有指極性. 藉此認(rèn)為《武經(jīng)總要》記述的指南魚(yú)制法是先通過(guò)高溫淬火獲得少量磁性，然后放在置有磁石的盒內(nèi)封存，不斷傳磁，與近代“養(yǎng)針?lè)ā贝篌w一致[2].

50年代，劉秉正提出《武經(jīng)總要》指南魚(yú)的磁化利用了地磁場(chǎng)的熱剩磁效應(yīng). 他認(rèn)為：鐵片被燒紅后，溫度可能達(dá)到鐵的居里點(diǎn)(770 ℃)以上變?yōu)轫槾朋w；沿南北放置，是被地磁場(chǎng)磁化，冷卻后形成熱剩磁；鐵片“沒(méi)尾數(shù)分”表明磁化角度順應(yīng)了地磁傾角，可最大限度利用地磁強(qiáng)度. 他還用縫衣針做了多次試驗(yàn)，插軟木塞浮于水上，能指南北；蘸水和緩慢冷卻效果相同，前者更快捷[3].

黃興對(duì)劉秉正、李強(qiáng)制作指南魚(yú)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了評(píng)述，稱(chēng)按照文獻(xiàn)記載加工制作了可浮在水面魚(yú)形鐵片，質(zhì)量約0.45g[4]. 但對(duì)制作和實(shí)驗(yàn)過(guò)程沒(méi)有說(shuō)明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果能否指南沒(méi)有明確的結(jié)論.

對(duì)于條形薄鐵片正對(duì)南北方向淬火能否獲得磁性及條形薄鐵片制作指南魚(yú)用水浮法實(shí)驗(yàn)?zāi)芊裰改?，劉秉正與王振鐸、李強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相反，形成的結(jié)論也大相徑庭. 從其古文獻(xiàn)中有關(guān)指南魚(yú)制作和使用的翔實(shí)描述看，曾公亮應(yīng)該既是其見(jiàn)證者也是其實(shí)踐者，其作用主要是指導(dǎo)在軍事上的實(shí)際應(yīng)用，古人應(yīng)是在不斷重復(fù)驗(yàn)證和實(shí)踐中形成和得到的結(jié)論，不應(yīng)懷疑其記錄和描述的真實(shí)可靠性. 只有如實(shí)按照古文獻(xiàn)的記述制作，并進(jìn)行系統(tǒng)、規(guī)范、全面而又耐心細(xì)致地復(fù)原實(shí)驗(yàn)，才能發(fā)現(xiàn)其中的秘密及找到其中的原因，真正解決問(wèn)題和形成可靠的結(jié)論.

2 指南魚(yú)的制作過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 制作的指南魚(yú)鐵片和鋼片， 木板和用于磁化的天然磁石

古文獻(xiàn)中對(duì)指南魚(yú)制作的長(zhǎng)和寬是確定的，對(duì)薄鐵片的厚度描述不明確，但通常厚度如薄鋸條在0.7mm以上才有實(shí)用價(jià)值. 為了進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，剪裁長(zhǎng)為67mm、寬為17mm(長(zhǎng)二寸寬五分)、厚分別為0.9mm和1.6mm薄鐵片及厚為0.7mm薄鋸條鋼片各2塊，其中1塊保留為條形，另1塊用砂輪打磨成魚(yú)形(圖1). 加工完成后，分別用其與打磨留下的鐵粉接觸，發(fā)現(xiàn)均不能吸取鐵粉，說(shuō)明沒(méi)有直觀磁性，用高斯計(jì)測(cè)量發(fā)現(xiàn)所有樣品表面最大磁感應(yīng)強(qiáng)度均只有5×10-4～1.5×10-3T的殘余剩磁.

將長(zhǎng)為67mm、寬為17mm的薄鐵片磁化后，直觀磁性能勉強(qiáng)吸取1根細(xì)針，在液化氣灶上加熱至通紅，經(jīng)澆水冷卻后發(fā)現(xiàn)直觀磁性消失，說(shuō)明在液化氣灶加熱，溫度能達(dá)到居里溫度以上. 將厚為0.9mm的魚(yú)形薄鐵片和厚為0.7mm的魚(yú)形薄鋼片在液化氣灶上加熱至通紅后，沿南北方向放置澆水冷卻. 如何使薄鐵片浮于水面上，古文獻(xiàn)中沒(méi)有說(shuō)明. 通常認(rèn)為在魚(yú)的肚皮部分凹下去些，象小船，可以浮在水面上. 但筆者認(rèn)為此制法不真實(shí)，首先其并沒(méi)有古文獻(xiàn)依據(jù)，其次這樣制作的指南魚(yú)很輕很薄，加工和能讓其浮于水面極其困難.

采用最原始最樸素的方法. 取長(zhǎng)為56mm、寬為39mm、厚為8mm、質(zhì)量為5.348g杉木板1塊，將以上制作的魚(yú)形薄鐵片和薄鋼片分別放在杉木板中央. 在直徑為18cm大碗中加入半碗水，在無(wú)風(fēng)和周?chē)鸁o(wú)鐵磁性材料的情況下，將杉木板和其上的魚(yú)形薄鐵片浮在碗中央的水面上. 開(kāi)始魚(yú)形薄鐵片并沒(méi)有明顯的運(yùn)動(dòng)跡象，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)開(kāi)始極緩慢地旋轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸變快，并逐漸趨于南北方向，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)回轉(zhuǎn)后，魚(yú)形薄鐵片最后穩(wěn)定在南北方向上. 這樣就如實(shí)按照古文獻(xiàn)，采用古人最可能使用的漂浮方法，完成了2個(gè)指南魚(yú)的復(fù)原并成功進(jìn)行了指向?qū)嶒?yàn). 也與宋代《事林廣記》記載用木頭做指南魚(yú)的方法相吻合：用1塊木頭刻成魚(yú)的樣子，像手指那樣大，指南魚(yú)就做好了. 把指南魚(yú)放到水面上，魚(yú)嘴里的針就指向南方.

為了更準(zhǔn)確地進(jìn)行觀察和實(shí)驗(yàn)，在碗口上沿直徑在南北方向放1根木棍，將魚(yú)形薄鐵片沿東西方向放置與木棍垂直，用手指輕壓薄鐵片中央，目的是讓魚(yú)形薄鐵片靜止并防止其向碗邊浮移. 將手指輕輕抬起后，發(fā)現(xiàn)魚(yú)形薄鐵片在10s內(nèi)沒(méi)有明顯的運(yùn)動(dòng)跡象，隨后開(kāi)始極緩慢地旋轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸變快，當(dāng)與木棍平行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到最快，然后轉(zhuǎn)動(dòng)又開(kāi)始變慢，當(dāng)薄鐵片與木棍夾角約為30°時(shí)開(kāi)始回轉(zhuǎn)，其過(guò)程約60s. 再經(jīng)過(guò)約120s反復(fù)回轉(zhuǎn)后，魚(yú)形薄鐵片穩(wěn)定在與木棍平行的南北方向上. 用魚(yú)形薄鐵片和薄鋼片多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，情況基本相同. 將其沿180°或任意方向浮在碗中央的水面上，只要不靠到碗邊，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，樣品均能在水面上穩(wěn)定指向南北方向(圖2).

圖2 用水浮法制成能穩(wěn)定指南的指南魚(yú)

圖3 厚1.7 mm薄鐵片做水浮法實(shí)驗(yàn)

將正對(duì)南北方向蘸水淬火的魚(yú)形薄鐵片和薄鋼片與鐵粉接觸，發(fā)現(xiàn)均不能吸取鐵粉，說(shuō)明仍沒(méi)有直觀磁性，用高斯計(jì)測(cè)量發(fā)現(xiàn)表面最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為5×10-4～1.5×10-3T. 由此筆者推測(cè)：用另外3塊薄鐵片和1塊薄鋼片做水浮法實(shí)驗(yàn)，同樣可以有效指南. 與沿任何方向蘸水淬火無(wú)差別，均不能增強(qiáng)磁性. 經(jīng)過(guò)多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果正如預(yù)期，制成條形的薄鐵片或薄鋼片不需要磁化或正對(duì)南北方向蘸水淬火，直接用水浮法實(shí)驗(yàn)，只要不靠到碗邊，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，就能穩(wěn)定指南. 將其余4塊樣品加熱后，沿任意方向放置澆水冷卻后，發(fā)現(xiàn)均沒(méi)有直觀磁性，用高斯計(jì)測(cè)量表面最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為5×10-4～1.5×10-3T，磁性幾乎無(wú)差別，與加熱前的磁性也幾乎無(wú)差異. 另外用厚1.7mm的薄鐵片做水浮法實(shí)驗(yàn)，效果明顯好于厚為0.9mm的薄鐵片和厚為0.7mm的薄鋼片，指南所用時(shí)間明顯縮短(圖3). 但用厚為0.4mm的薄鐵片做同樣實(shí)驗(yàn)，效果較差，不能準(zhǔn)確指南. 說(shuō)明直接將魚(yú)形薄鐵片浮在水面上的方法不可行.

表1是某次水浮法實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)記錄.

表1 某次水浮法實(shí)驗(yàn)記錄

此外筆者購(gòu)買(mǎi)1包10枚的普通針和1包10枚的普通鋼針，發(fā)現(xiàn)均沒(méi)有任何直觀磁性，不能吸取鐵粉. 將所有針?lè)謩e插在泡沫塑料上，浮于水面，發(fā)現(xiàn)所有普通針和普通鋼針均會(huì)快速轉(zhuǎn)動(dòng)，在10s內(nèi)大體指南，30s內(nèi)穩(wěn)定指南(圖4). 說(shuō)明水浮指南針比水浮指南魚(yú)靈敏. 但受外界因素影響較大，指南針容易漂移和晃動(dòng)，不如指南魚(yú)穩(wěn)定. 將針在液化氣灶上加熱至通紅并沿任意方向放置澆水冷卻后發(fā)現(xiàn)，其直觀磁性和水浮法實(shí)驗(yàn)結(jié)果與加熱前基本無(wú)差異.

圖4 水浮普通針和普通鋼針

用表面最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為5×10-2～6×10-2T的蹄形磁鐵分別磁化厚為0.9mm的條形薄鐵片和厚為0.7mm的條形薄鋼片樣品，5h后，發(fā)現(xiàn)薄鋼片表面最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.5×10-2～2×10-2T，直觀磁性能吸取厚為0.7mm的魚(yú)形薄鐵片；而薄鐵片表面最大磁感應(yīng)強(qiáng)度只有4×10-3～8×10-3T，直觀磁性只能勉強(qiáng)吸取1根細(xì)針. 說(shuō)明薄鐵片也能被磁化，只是磁化后的剩磁較弱. 再用其做水浮法實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)磁化薄鋼片的靈敏度與水浮指南針相當(dāng)，磁化薄鐵片達(dá)到穩(wěn)定指向所需時(shí)間則明顯縮短.

取沒(méi)有任何直觀磁性不能吸取鐵粉的長(zhǎng)二寸的鋼鋸條，將其在表面最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為8×10-3～1×10-2T天然磁石磁性最強(qiáng)處摩擦磁化，發(fā)現(xiàn)鋸條直觀磁性能吸取微量鐵粉，兩端表面磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.2×10-3～1.8×10-3T，做水浮法實(shí)驗(yàn)指南效果明顯改善，在10s內(nèi)大體指南，30s內(nèi)穩(wěn)定指南. 用天然磁石磁性最強(qiáng)處摩擦薄鐵片，則實(shí)驗(yàn)效果沒(méi)有明顯變化.

3 對(duì)過(guò)往研究的評(píng)價(jià)和關(guān)于指南魚(yú)研究的結(jié)論

從以上復(fù)原實(shí)驗(yàn)和對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，可以對(duì)關(guān)于指南魚(yú)的研究和實(shí)驗(yàn)作如下分析和評(píng)價(jià)：

1)王振鐸[1]認(rèn)為“指南魚(yú)正對(duì)南北方向淬火只是加強(qiáng)鋼鐵硬度，與獲得磁性毫無(wú)關(guān)系”的結(jié)論是正確的，但不相信《武經(jīng)總要》的記載，認(rèn)為“用薄鐵片制作指南魚(yú)不真實(shí)，只有用磁化鋼片制作的指南魚(yú)才能指南”的結(jié)論卻是錯(cuò)誤的. 李強(qiáng)[2]由于在文獻(xiàn)[1]觀念的影響下，為證實(shí)其推測(cè)和判斷的正確性而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而得到“用薄鐵片制作指南魚(yú)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有指南跡象”的錯(cuò)誤結(jié)論. 其用磁石摩擦磁化，鋸條兩端表面磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.6×10-3～1.8×10-3T，指南效果顯著，該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容真實(shí)可靠. 文獻(xiàn)[2]還提到中國(guó)歷史博物館曾用中碳鋼制作魚(yú)形浮子，電爐加熱到700 ℃淬火，首尾磁感應(yīng)強(qiáng)度為4×10-4～1.1×10-3T，無(wú)指極性. 由于沒(méi)有觀察足夠長(zhǎng)的時(shí)間，錯(cuò)失了發(fā)現(xiàn)指南魚(yú)能指南的現(xiàn)象.

2)劉秉正[3]相信《武經(jīng)總要》的記載，但沒(méi)有完全按照《武經(jīng)總要》中有關(guān)指南魚(yú)制作和使用的描述進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將針燒紅后按南北方向蘸水,然后將它穿入軟木塞上令浮于水上,果然可以指南北. 文獻(xiàn)[3]認(rèn)為鐵片被燒紅后，溫度可能達(dá)到鐵的居里點(diǎn)(770 ℃)以上變?yōu)轫槾朋w；沿南北放置，是被地磁場(chǎng)磁化了，其結(jié)論有誤. 由此證實(shí)制作指南魚(yú)能有效指南的結(jié)論也是不可靠的.

3)黃興[4]按照文獻(xiàn)記載加工制作了可以浮在水面的魚(yú)形鐵片，質(zhì)量約為0.45g. 0.45g僅是1枚粗針的質(zhì)量，如果按照文獻(xiàn)記載加工制作魚(yú)形鐵片，其厚度將小于0.1mm，薄如紙片，不符合事實(shí)常理.

由以上復(fù)原實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以得到如下結(jié)論：

1)如實(shí)地按照曾公亮在《武經(jīng)總要》有關(guān)指南魚(yú)制作和使用的描述，能成功進(jìn)行復(fù)原實(shí)驗(yàn)，證實(shí)其古文獻(xiàn)的記載是真實(shí)可靠且具有重復(fù)性.

2)由于地磁場(chǎng)弱，普通薄鐵片制成指南魚(yú)磁性也弱，且其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也較大. 在實(shí)驗(yàn)中，需要耐心細(xì)致地觀察足夠長(zhǎng)的時(shí)間，才能發(fā)現(xiàn)用水浮法指南魚(yú)有指南的效果，觀察時(shí)間是能否發(fā)現(xiàn)其有效指南的關(guān)鍵因素. 該問(wèn)題在古文獻(xiàn)中沒(méi)有特別說(shuō)明. 同時(shí)薄鐵片要有適當(dāng)?shù)暮穸?，這樣有利于增強(qiáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的磁力矩.

3)指南魚(yú)的制法與是否經(jīng)過(guò)磁化和正對(duì)南北方向蘸水淬火無(wú)關(guān)，薄鐵片按南北方向蘸水并不能被地磁場(chǎng)磁化獲得磁性.

4)指南魚(yú)是在其殘余剩磁與地磁場(chǎng)相互作用下指南的，但并不能由此認(rèn)為從《武經(jīng)總要》的記載中，古人發(fā)現(xiàn)了磁的指向極性，指南魚(yú)的發(fā)明與發(fā)現(xiàn)磁的指向極性無(wú)關(guān). 文獻(xiàn)中指南魚(yú)的制法與磁石吸引鐵的現(xiàn)象之間并沒(méi)有必然聯(lián)系，不能由此過(guò)度解讀文獻(xiàn). 但從指南魚(yú)制法要正對(duì)南北方向蘸水淬火，說(shuō)明古人認(rèn)為南北方向與其他方向不同，南北方向可能存在某種神秘力量的理念卻是正確的，指南魚(yú)制法正對(duì)南北方向蘸水淬火可能與這種神秘力量有關(guān)系. 正是在這種理念的指導(dǎo)和影響下發(fā)明了指南魚(yú)并發(fā)現(xiàn)其指向性，其發(fā)現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了在古代技術(shù)條件下，用鐵磁材料采用阻力矩最小的水浮法制作指向工具，對(duì)其后發(fā)明指南針有重要的啟示作用.

4 《夢(mèng)溪筆談》的記載及指南針制法的研究

繼《武經(jīng)總要》之后，北宋沈括在《夢(mèng)溪筆談》中關(guān)于指南針制法有翔實(shí)記載：方家以磁石磨針?shù)h，則能指南；然常微偏東，不全南也. 水浮多蕩搖，指爪及碗唇上皆可為之，運(yùn)轉(zhuǎn)尤速，但堅(jiān)滑易墜，不若縷懸為最善. 其法：取新纊中獨(dú)繭縷，以芥子許蠟綴于針腰，無(wú)風(fēng)處懸之，則針常指南. 其中有磨而指北者. 余家指南、北者皆有之. 磁石之指南，猶柏之指西，莫可原其理.

以上記錄說(shuō)明沈括同樣既是見(jiàn)證者也是實(shí)踐者. 這是學(xué)術(shù)界普遍公認(rèn)和接受的我國(guó)最早發(fā)現(xiàn)磁的指向極性和磁偏角，以及最早發(fā)明指南針的最重要古文獻(xiàn)證據(jù). 通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的解讀，其關(guān)于磁現(xiàn)象的任何一項(xiàng)研究和記載，均堪稱(chēng)物理學(xué)史上非常重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，代表當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)的最高水平. 由此可從中得到如下信息和研究結(jié)論：

1)雖然沈括并不明白磁石指向的原因，但在科學(xué)史上卻是最先明確記載發(fā)現(xiàn)磁的指向極性，并將磁與指向相聯(lián)系.

2)關(guān)于磁偏角這一重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，沈括是用磁針確定南北的方位與日晷確定南北的方位比較得到的結(jié)論[5].

3)明確記載古代方士術(shù)士手中存在強(qiáng)磁性的“方家磁石”，能磁化鋼針而非普通天然磁鐵礦石.

4)最先明確記載發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁性“方家磁石”能通過(guò)摩擦，在短時(shí)間內(nèi)快速磁化鋼針.

5)文中選用磁石磨針?shù)h是因?yàn)槠胀ㄡ槻⒉蝗卿?，只有針尖的部分是鋼，其余部分是鐵. 最早發(fā)現(xiàn)只有鋼磁化后才有強(qiáng)剩磁.

沈括總結(jié)制作指南針的4種方法：水浮法、碗邊旋定法、指甲旋定法和縷懸法. 從以上關(guān)于指南魚(yú)的復(fù)原實(shí)驗(yàn)可知：水浮法阻力矩小，其是否能有效指南與針是否經(jīng)磁石磁化無(wú)關(guān). 碗邊旋定法和指甲旋定法阻力矩更大，實(shí)踐中可操性差，不能成功復(fù)原指南針，幾乎沒(méi)有實(shí)用價(jià)值.

筆者對(duì)縷懸法作復(fù)原實(shí)驗(yàn)：取長(zhǎng)為4.3cm、直徑為0.7mm的普通針和鋼針各1枚，直觀磁性均不能吸取鐵粉，將細(xì)線一端系于針中央，另一端系于木棍中央，線長(zhǎng)約17cm. 為了減少風(fēng)的影響，將針?lè)湃胫睆綖?8cm的塑料桶中觀察，在桶口上將木棍沿直徑在南北方向放置. 穩(wěn)定后發(fā)現(xiàn)兩針均更靠近南北方向，但不能有效指南(圖5). 將兩針在天然磁石上摩擦，直觀磁性能吸取微量鐵粉，但定向?qū)嶒?yàn)結(jié)果沒(méi)有明顯改善.

圖5 用未磁化的針做縷懸法復(fù)原實(shí)驗(yàn)

將兩針在表面最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為5×10-2～6×10-2T的蹄形磁鐵磁極上摩擦后，發(fā)現(xiàn)直觀磁性能吸取同樣大小的細(xì)針，定向?qū)嶒?yàn)發(fā)現(xiàn)針能快速轉(zhuǎn)動(dòng)指南，穩(wěn)定后發(fā)現(xiàn)兩針均能有效指南. 但不如指南魚(yú)穩(wěn)定，易受外界干擾而晃動(dòng)(圖6).

圖6 用磁化后的針做縷懸法復(fù)原實(shí)驗(yàn)

以上復(fù)原實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：在天然磁石上摩擦普通針或鋼針，雖然磁性略有增強(qiáng)，但用縷懸法不能有效指南，不能復(fù)原指南針.

圖7是鐵磁性材料初始磁化曲線和磁滯回線. 從磁化曲線可以看出，鐵磁性物質(zhì)從退磁狀態(tài)受外磁場(chǎng)磁化時(shí)，其磁化過(guò)程可分為3個(gè)階段：

圖7 鐵磁性材料初始磁化曲線和磁滯回線

1)起始磁化階段. 當(dāng)外磁場(chǎng)H很小時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁化強(qiáng)度M隨H增大，在這一階段，與外磁場(chǎng)方向成銳角的磁疇能量低，磁疇擴(kuò)大；而與磁場(chǎng)方向成鈍角的磁疇縮小. 磁疇大小的變化通過(guò)疇壁的可逆遷移過(guò)程實(shí)現(xiàn)，磁化是可逆的. 去掉外磁場(chǎng)不保留磁性.

2)急劇磁化階段. 隨著外磁場(chǎng)H增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁化強(qiáng)度M都迅速增大. 在這一階段，磁疇壁隨磁疇的增大而快速移動(dòng)，與磁場(chǎng)方向成鈍角的難磁化的磁疇轉(zhuǎn)向夾角較小的易磁化方向. 當(dāng)外磁場(chǎng)H增大到一定強(qiáng)度時(shí)，所有自旋磁矩通過(guò)磁疇壁的跳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)動(dòng)到與磁疇成最小夾角的易磁化方向，稱(chēng)為磁疇壁的巴克豪森跳躍. 磁化是不可逆的，去掉外磁場(chǎng)后還保留部分磁性.

3)飽和磁化階段. 隨著外磁場(chǎng)H進(jìn)一步增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁化強(qiáng)度M的增大逐漸變緩. 在這一階段，發(fā)生磁疇轉(zhuǎn)動(dòng). 磁疇由易磁化方向轉(zhuǎn)動(dòng)到與外磁場(chǎng)一致的方向. 這時(shí)撤去外磁場(chǎng)，磁疇由與外磁場(chǎng)一致的方向又轉(zhuǎn)動(dòng)到易磁化方向.

由初始磁化曲線可知，用普通天然磁石磁化普通針或鋼針，仍在起始磁化階段，磁化是可逆的，去掉外磁場(chǎng)后剩磁只是略有增加. 選取2塊實(shí)驗(yàn)過(guò)程斷裂的普通條形磁鐵進(jìn)一步作磁化鋼針實(shí)驗(yàn). 取1塊直觀磁性能勉強(qiáng)吸取1根小鐵釘?shù)臈l形磁鐵，用高斯計(jì)測(cè)量其兩端最大磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為1.2×10-2T和2.5×10-2T，發(fā)現(xiàn)用其同樣不能明顯磁化鋼針. 說(shuō)明用磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到天然磁石2倍的普通條形磁鐵仍不能磁化鋼針，仍在起始磁化階段,磁化是可逆的.

取另1塊直觀磁性能吸取1根較大鐵釘?shù)臈l形磁鐵，用高斯計(jì)測(cè)量?jī)啥俗畲蟠鸥袘?yīng)強(qiáng)度分別為2.5×10-2T，3.5×10-2T，磁性達(dá)到普通天然磁石3倍左右，發(fā)現(xiàn)用其能磁化鋼針，直觀磁性可吸取同樣大小的細(xì)針，說(shuō)明突破了磁疇壁的巴克豪森跳躍，磁化是不可逆的，進(jìn)入了急劇磁化階段. 普通蹄形磁鐵最大磁感應(yīng)強(qiáng)度在6×10-2～7×10-2T，說(shuō)明選取磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度只要達(dá)到普通蹄形磁鐵最大磁感應(yīng)強(qiáng)度的一半就能磁化鋼針.

由此印證筆者關(guān)注到的類(lèi)似于吳魯衡羅經(jīng)老店強(qiáng)磁性的“天然磁隕石”在中國(guó)古代一直秘密存在[6-7]. 其磁性應(yīng)達(dá)到普通天然磁石3倍以上. 南北朝梁代陶弘景在《名醫(yī)別錄》中也有記載：優(yōu)良磁石出產(chǎn)在南方，磁性很強(qiáng)，能吸引3～4根鐵針，使幾根針首尾相連掛在磁石上. 磁性更強(qiáng)的磁石，能吸引十多根鐵針，甚至能吸住1～2斤刀器. 據(jù)黃興所述：經(jīng)多方考察在邯鄲武安、張家口赤城等地采集了數(shù)批磁鐵礦和磁赤鐵礦，后者表磁最高可達(dá)8×10-2T以上，遠(yuǎn)高于前人實(shí)驗(yàn)所用樣品[4]. 但并沒(méi)有提供相關(guān)實(shí)物直觀磁性的圖片. 根據(jù)筆者進(jìn)行過(guò)的各種磁鐵磁化鋼實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，磁性應(yīng)超過(guò)物理實(shí)驗(yàn)用的磁性較強(qiáng)的鐵氧體蹄形磁鐵(表磁最高小于7×10-2T)，表磁最高可以達(dá)到8×10-2T，其直觀磁性應(yīng)至少能吸取1把大剪刀. 如確有此種強(qiáng)磁性天然磁鐵礦石，可以肯定也極其稀少.

需要說(shuō)明的是沈括最早明確記載發(fā)現(xiàn)磁的指向極性和磁化現(xiàn)象，但并不能由此說(shuō)明此時(shí)中國(guó)古人才知道磁的指向極性和磁化現(xiàn)象，因?yàn)槲墨I(xiàn)中主要是介紹磁偏角和用縷懸法制作指南針. 東漢王充《論衡·是應(yīng)篇》有“司南之杓，投之于地，其抵指南”的記載，文獻(xiàn)只記錄了司南的使用過(guò)程，并沒(méi)有關(guān)于司南制法的信息. 說(shuō)明王充只是其見(jiàn)證者不是其實(shí)際制作者. 吳魯衡老店保存的“天然磁隕石”能長(zhǎng)期用于磁化普通鋼針，說(shuō)明用“天然磁隕石”磁化普通鋼勺能制成司南，說(shuō)明此時(shí)期中國(guó)古人可能已秘密用“天然磁隕石”磁化鋼勺發(fā)現(xiàn)了磁化現(xiàn)象和磁的指向極性.

參考文獻(xiàn)：

[1] 王振鐸. 司南指南針與羅經(jīng)盤(pán)(中)[J]. 中國(guó)考古學(xué)報(bào),1949(4):186-203.

[2] 李強(qiáng). 指南魚(yú)復(fù)原試驗(yàn) [J]. 中國(guó)歷史博物館館刊, 1992(18/19):179-182.

[3] 劉秉正. 我國(guó)古代關(guān)于磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)[J]. 物理通報(bào),1956(8):458-462.

[4] 黃興. 中國(guó)指南針史研究文獻(xiàn)綜述 [J].自然辯證法通訊，2017,39(1):85-94.

[5] 岑天慶,林國(guó)勝. 關(guān)于沈括發(fā)現(xiàn)磁偏角的思考[J]. 物理教學(xué),2014，36(11):73-74.

[6] 岑天慶,熊德永. 關(guān)于“勺形司南”是磁隕石或用磁隕石磁化制成的研究[J]. 物理教學(xué)，2015，37(8)：75-78.

[7] 岑天慶. 用磁鐵磁化復(fù)原“勺形司南”及定向?qū)嶒?yàn)研究[J]. 自然辯證法通訊，2017，39(2)：70-75.