中國古代“四大發明”中指南針為世界航海發現創造了條件，但有關其始祖——司南的爭議一直存在，中學教科書中的司南真能指南嗎？
編者按：
日前，一則關於“張衡地動儀從教材中刪除”的新聞曾引發熱議。其實除了張衡地動儀，很多中國古代科技成就都入選了中學課本，有一些也產生過爭議。張衡地動儀的複製品為何不能預測地震？指南針的始祖“司南”到底能不能指南？蔡倫是造紙術的發明人還是改進者？讓我們一起來考證一下。
採訪專家:
黃興 （中科院自然科學史研究所副研究員、《中國古代指南針科學認知與實證研究》專案負責人）
中國古代“四大發明”中，指南針一直受到高度關注。早在先秦時期，人們就發現了磁石可以互相吸引、排斥和吸鐵；有學者認為先秦兩漢文獻中記載的“司南”有可能是磁性指向工具，即指南針的始祖。指南針的發明時代，現在明確可以追溯到唐代。北宋起，指南針被用於航海事業，並傳入歐洲，為世界航海發現創造了條件。這也是我國現行的中小學課本中的內容。
目前網路上的司南圖片均為美化後的模型，會讓人誤以為真正的司南外觀就是如此。
但是關於“司南”的爭議一直存在，例如：“司南”到底是不是磁性指向工具？“司南”是不是勺狀？教科書中的“司南”真的能指南嗎？尤其近年來又成為人們關注的熱點。如今，這些問題有了最新的解答。
有關司南的各種爭議
多數學者認為，確切的文獻記載只能作為指南針發明時間的下限，還可以繼續向前探索。當時青年曆史學家張蔭麟提出，東漢王充《論衡•是應篇》記載“司南之杓，投之於地，其柢指南”中的“司南”可能是東漢最新式的磁性指向裝置。
1945-1947年，科技史家、文物復原專家王振鐸又向前推進了一步，提出了“磁石勺+青銅
地盤
”的“司南”復原方案，也就是我們常見的那把勺子。王振鐸用天然磁石製作了多件磁石勺，其中有數枚確實可以指南。王振鐸表示在未發現考古實物之前，姑且以這種方案來代替。這一復原工作在國內外都引起了極大的社會反響。
1953年發行的《偉大的祖國》郵票中第一枚就是司南，後來課本、辭典等都介紹了這種復原方案。“勺狀司南”圖形被奉為中國古代先進科技的標誌之一。
1953年發行的《偉大的祖國》郵票中第一枚就是司南（圖片來自網路）
由於尚未見到考古實物，學者們對“司南究竟是什麼”也有不同的觀點。有人認為王充《論衡》中的司南是北斗七星，其他古籍中的“司南”可能代指官職、權力、法律等，都源自對北斗的延伸。另有人透過考證，認為“杓”、“柢”是指南車的橫杆部件。還有人提出了“原始水浮指南針”司南復原方案。
另一方面是對磁石勺製造工藝和指向可行性的質疑。比如，磁石勺是否真能在地磁場作用下轉動？王振鐸的復原使用了當代銑床等工具，古人是否有能力對磁石進行加工？很重要一點是，除了王振鐸，其他人都未能製作成功可以指南的磁石勺；由於很多人沒見過王振鐸的復原實物，甚至懷疑王振鐸當年是否真的製作了磁石勺。
1952年，時任中國科學院院長郭沫若代表考察蘇聯科學院，想把司南作為國禮相贈，就委託了錢臨照院士製作，但未能成功，最後選擇用鎢鋼勺磁化的方法制成了磁勺。這讓很多人對磁石勺能不能指南的疑慮更大了。
磁石勺能指南
2014年，剛剛博士畢業的黃興來到中科院自然科學史研究所進行博士後研究。他的合作導師自然科學史研究所所長張柏春研究員交給他一個課題：用實驗方法研究古代指南針。驗證磁石勺能不能指南是其中的重要內容。
黃興的工作並沒因缺少歷史文物而受到阻礙，他說，“沒有文物還有文獻，沒有文獻我們能做實驗。”即從實證的角度來探究古代技術的可能性。從前人文獻開始，黃興仔細梳理了各家的學術觀點和實驗過程，意識到要製作能指南的磁石勺，必須要得到其原材料“磁石”，而且是強度足夠高的磁石。
黃興還來到王振鐸後人家中，真正見到了當時王振鐸製作的磁石勺。現在還留有3枚。經過測試，其中的2枚確實可以指南。這就澄清了所謂王振鐸磁石勺“司南”不存在的誤解。對於當初用司南作為國禮相贈一事，黃興說：“雖然這件事是口述相傳，但包括錢臨照院士都沒否定磁石勺“司南”的方案，沒做成功的原因很可能是所用磁石強度不足，而王振鐸之前製作的磁石勺很小，品相也不夠美觀。”
王振鐸製作的磁石勺
黃興的主要工作是找到合適的磁石。首先要知道磁石是什麼。根據岩石磁學理論，磁石是古人對多類具有顯著天然剩餘磁性（NRM）鐵礦石的統稱。這些礦石包括磁鐵礦、磁赤鐵礦和磁黃鐵礦等。磁石是含鐵礦石在長期的高溫成礦過程中，在地磁場中不斷降溫獲得了熱剩餘磁性，就成了磁石。熱剩磁具有很強的穩定性，遠勝於摩擦磁化得到的等溫剩磁。
黃興採集到的天然磁石樣品
磁石究竟長什麼樣子？北宋文獻中已經畫出了是“長毛”的石頭。
幾經輾轉，黃興真找到了“長毛”的磁石，外形與文獻記載非常相似，又用現代技術分析，他找到的磁石主要成分是磁赤鐵礦（γ-Fe2O3）。那麼這批磁石磁性如何？在經過吸鐵測試，再與文獻對比發現，黃興找到的磁石與文獻中的中上等磁石磁性相當。
北宋蘇頌《本草圖經》中描繪的慈州磁石
磁石勺能否指南取決於其磁矩的大小。磁石或磁石勺是不規則狀，尺寸也超過現有裝置的檢測範圍。黃興用了近一年時間自行設計製作了一套檢測裝置。
黃興製作的天然磁石磁矩測量裝置
最終，黃興仿照古代的加工方式打磨製作了多枚磁石勺，都有固定的指向，其中多枚可以指南，誤差只有5%左右。檢測發現，經過打磨會讓磁化強度略有減小，但最終會穩定下來，指南效果完全不受影響。。
黃興還對古代地磁場進行了考察，從前人已發表的資料中歸納了兩千多年來北京、洛陽、天水的地磁場水平分量的演變曲線，發現其在秦漢唐時期處於最高點；現代與北宋強度相當，處於最低點。最高點是最低點的2倍。黃興又製作了可以產生勻強磁場的大型的亥姆霍茲線圈模擬古代地磁場，將磁石勺放進去進行指向測試，發現定向速度明顯加快，而且指向更精準。
黃興製作的磁石勺
那麼古人是否有技術將磁石切割成勺狀？“從石器時代起，人們就開始加工石頭；漢代鋼鐵技術已經基本成熟，創造出各種鐵質工具，石刻藝術手法嫻熟，古人制成勺狀不成問題”，黃興說道。
至於王振鐸方案中所用的光滑地盤，原來認為這是為了減小摩擦力並輔助指示方向，但黃興透過實驗發現有無底盤並不重要。他採集到的天然磁石磁性遠勝於王振鐸所用磁石。他製作的磁石勺在硬一點的木質桌面上、水磨石地面上，甚至有微小顆粒的水泥地上都可以正常指南。《論衡》那句話所講的“地”完全可以解釋為地面。至於為什麼古人會製成勺狀，黃興解釋，從力學角度來看，勺底球型會把滑動摩擦變成滾動摩擦，摩擦力顯著減小；而且重心較低，不易傾斜。勺柄則增加了勺體的轉動慣量，可以讓勺體晃動更長時間，來完成指向。“最適合的造型就是勺型。”
還原古代文明
黃興從實證角度，證明了天然磁石能夠製成勺狀能夠指南，而且能長時間使用。但他也認為，“磁石勺方案貼合文獻記載，技術上確實可行，是目前最佳的復原方案。但司南究竟是不是磁石勺，現在還沒有判定性證據，有待進一步研究，不必急於肯定或否定復原方案。”
除了司南，黃興在整個課題的研究過程中，還透過實驗檢測了北宋《武經總要》指南魚的磁化機理，測試了其他磁石磁性指向方案，測試了鐵質指南針的外形、材質與磁化效能的關係等，都取得了重要的新發現。
天然磁石勺周圍的磁力線演示
科技史的研究是以過去的科技案例為研究物件，探尋科技發展的歷史過程，總結科技與社會之間的規律性認識。指南針的製造技術如何誕生和演變，它在古代社會和文化中扮演什麼樣的角色？黃興表示，“用更寬廣的視野來看待古代磁性技術，可以讓我們對指南針的認識更加有血、有肉，更豐滿。”
黃興認為，古代磁性技術與鋼鐵技術的形成有關，也與我國古代的宗教、巫術文化有很深刻的關係。戰國時期從事占星、巫術的方士就利用磁石設計出了多種方術；秦代方士提出了磁石門方案，進一步博得了秦始皇的信任。西漢方士為漢武帝表演鬥棋，一時獲得了無比的榮寵；也將磁石應用於喪葬禮俗中……在此過程中，不斷積累知識，最終發現了磁性指向技術；成為方士或風水先生們的必備工具。
黃興說，“指南針集科學、歷史、神秘、文化於一身，是一個獨特的古代發明。”在常人眼中，指南針可能只是一把勺或者一枚針；但它也是一部內容豐富的歷史故事，等著我們去進一步挖掘。
文/北京科技報記者 劉辛味
出品：科普中央廚房
新媒體編輯/張玲