专家释疑：天然磁石勺能指南吗

黄兴制作的磁性勺子

磁铁矿

王振铎制作的黄兴磁勺供应图

我们的记者胡

前一段时间，由于“张衡候风地动仪从历史教科书中删除”这一自己的目标，又一次引发了关于恢复古代科技史上技术发明的讨论。中国科学院科学史研究所的副研究员黄兴也收到了许多类似的“质疑”。新浪，一个早期的指南针，会从历史教科书中消失吗？他很快完成的博士后项目是“对自然磁石勺——新浪的实证研究”。

新浪是否真的存在于历史中，以何种形式存在，在科学史领域存在争议。黄兴认为，不进入教科书不是学术研究应该努力解决的问题。在历史文献不足、考古资料不足的情况下，科学的实证研究是解决这一问题的重要途径。

纠纷漩涡中的“新浪”

指南针是中国古代科技领域的一项重要原创发明。科学史上研究人员首先关心的是它何时出现。

晚唐时期，段的《酉阳》,以及同时期的几篇文献记载了使用磁化针来点穴。进入北宋，指南针记录变得更加丰富。根据北宋沈括的《孟茜笔谈》，“方家可以用磁铁磨尖他们的针，然后他们可以引导他们。”还介绍了水浮、转钉、转碗唇和悬挂四种方法。朱昱的《周萍柯坦》记载了指南针在航海中的用途。

然而，研究人员对这种理解并不满意。在秦朝的文献中，有许多关于磁铁相互吸引、排斥和吸收铁的记录。在唐朝以前，有磁性指向工具吗？它们看起来像什么？近百年来，学者们一直在探索这个问题。

1928年，年轻的历史学家张荫麟提出，东汉王充《论石亨郢篇》中记载的“司南”很可能是东汉发明的最新磁指针。

1945年，中国博物馆学家、科学技术史家王振铎先生提出了“磁铁勺——铜领土”的新浪恢复计划。

之所以称之为“磁铁勺”，是因为王振铎对《论衡》中的一句话的理解，比如放在地上，引导勺柄的“磁铁勺”。王振铎还用天然磁铁制作了许多磁性勺子，其中大部分可以作为精确的向导。

这项工作在当时引起了很大反响。今天，新浪最常见的长勺图片就是来自于此。然而，这个计划也受到了质疑。首先，考古界到目前为止还没有发现任何古代磁性勺子的物品，这只能通过文献来证实。然而，早期文献中关于“新浪”的论述很少，“新浪”一词的具体指称并不明确。

有些学者提出，“新浪”在一些古代文献中指的是南车，还有一些可以解释为北斗、官位、权力、命运等。就这一点而言，学术界长期以来没有达成共识。

此外，国家博物馆不再展出当年王振铎制作的磁勺。也有人对王振铎制作的磁勺“新浪”模型提出质疑，如磁勺在地磁场的作用下能否被引导旋转，在制作过程中是否使用了现代制作技术。

1987年，中国科学院自然科学史研究所研究员林对王振铎的磁勺进行了定向测试，证明其中两个磁勺具有良好的定向性。然而，其他研究人员还不能再用天然磁铁来制作磁性勺子。也没有解释为什么王振铎的磁性勺子可以作为指南，而其他人不能，导致这个问题没有令人信服的答案。

2014年，刚刚到中国科学院自然科学史研究所进行博士后研究的黄兴，接受了中科院自然科学史研究所所长张百春的课题，用实验的方法再次还原磁指针。这也是对王振铎康复计划科学性的进一步判断。

为什么磁性勺子能成为有效的向导？如果我们能做到，古人能做到吗？用磁铁制造指点设备的可行计划是什么？哪一个与古代记录最一致？唐代以前有没有磁指向装置的可能，有没有历史依据或否定的证据？

黄兴认为，如果这些问题能够逐一解决，不仅可以证实古代文献的记载，而且可以解释汉代自然磁指器存在的可能性。

实证研究的过程

在张柏春给黄兴的研究思路中，最关键的一步是找到一个具有足够剩余磁化强度的磁体，因为它关系到修复体的指向性能。显然，黄兴的第一项工作是寻找天然磁铁。

磁铁到底是什么需要澄清。黄兴发现，过去的研究根据化学成分来定义磁铁矿和磁铁矿，这是错误的。

定义的标准应该恢复到古代的情况，也就是说，根据矿石的表面物理性质，可以被古人直接观察到。他解释说，只有具有显著剩余磁化强度并能吸引矿石碎片的铁矿石才被认为是磁铁。只有少数磁铁矿、磁赤铁矿和磁黄铁矿符合这一标准。磁体在高温下缓慢冷却时，其剩磁是由热剩磁效应获得的。它的磁化过程已经经历了数百万年。一些研究使用带电线圈来模拟地磁场，并在常温下磁化任何铁矿石，这当然不能代表天然磁铁。

在研究的前半年，黄兴在做实地调查。

根据古代文献，天然磁铁最大的外部特征是在其表面吸附了大量的矿石碎屑，看起来像一层毛发。经过多次波折，他终于在河北省张家口市龙岩铁矿区找到了这块奇石。

那么，这些磁铁的剩磁与古人的相比是什么？

将黄兴的吸铁试验方法与古代文献，特别是刘崧《论雷与枪》等南朝文献记载的磁铁吸铁能力进行比较，表明这些磁铁属于中上层阶级。

过去，有一种观点认为，加工会大大削弱天然磁铁的磁化强度，导致它们无法指向。磁铁会退磁吗？可以用精确的磁矩数据来解释吗？黄兴再次遇到研究困难。

磁铁形状不规则，磁化不均匀，长度约10厘米。磁矩应在加工过程中多次测量。现有的磁矩测量装置要么要求样品具有规则的形状，要么样品长度必须小于1厘米。

经过反复调查，没有发现可用的设备。黄兴只能用最愚蠢的方法自己制作磁矩测量仪。从设计、制造、改进、设置到性能测量，前后花了一年时间。幸运的是，他最终完成了该装置，其性能达到了研究要求。

下一步是处理。另外据文献记载，黄兴认为在先秦时期以前，古人已经有了切割和打磨石头的技术。将磁铁加工成勺子和抛光底部没有技术上的困难，生产效率正在逐步提高。因此，他模仿古代工艺，用电动工具和水冷以低速摩擦切割，并制作了几个磁性勺子。

经过测量，黄兴发现磁勺形成后，磁化强度在短时间内略有下降(约20%)。他连续监测了两年多，磁勺的磁化强度一直保持在这个水平。

就在面试现场，当测试这些磁性勺子的指向时，只要用适当的力触摸勺柄，勺体就会在局部磁场力的作用下旋转，勺柄最终指向南方，偏离在正常范围内。即使在水磨石地面和一些颗粒状硬桌面上，它也能被准确地指出。因此，“新浪瓢”中的“地”可以完全理解为“地”黄兴说:“王振铎使用的磁铁剩磁不够好，所以他不得不设计一个光滑的青铜场地，这也使他受到了一定的批评。”

张柏春告诉《中国科学》记者，为了使这一实证研究更加完整，还必须考虑古地磁场的影响因素。

由于地磁场的水平分量，指南针具有方向性。后者取决于总地磁场和地磁倾角。

有趣的是，黄兴发现，根据中国科学院地质与地球物理研究所等机构的实测资料，北京、洛阳、天水三地的地磁场水平分量在2000多年间呈现出显著的“M”型变化，峰值几乎是谷值的两倍。高峰期是从公元前4世纪到公元6世纪初，而北宋和现代处于低谷。《论衡》的创作处于鼎盛时期。

因此，黄兴制作了一个合适的大型亥姆霍兹线圈来模拟古地磁场。实际测量表明，在汉代的地磁环境下，磁勺能够更快、更准确地定位。

此外，黄兴还尝试了各种方法，例如悬浮、漂浮在水中以及用其他勺体来固定磁铁，以回答磁铁指针是否必须是勺形以及是否有其他可行的方法的问题。他说其他一些计划也是可行的。然而，从技术可行性和外观来看，勺形方案是最佳的。

磁学应用起源的文化内涵

值得一提的是，在研究开始之前，黄兴已经找到了王振铎的家人，并看到了剩下的3个磁性勺子。在获得许可后，他测试了它们，其中较小的两个可以被引导。然而，其他研究人员无法重复这个实验，他认为这主要是因为缺少合适的天然磁铁。

“通过本研究，我们可以认为，在汉唐时期的资源、地磁环境和知识背景下，实现磁指向并不困难，实现磁指向的途径也很多。其中，从指向效果、外观以及与文献的符合性来看，“磁铁勺”可视为最佳修复方案黄兴说:“至于《论衡》中的‘司’是否一定是磁勺，磁指技术在汉代是否真的存在，我们还需要等待古代遗物或找到更详细的证据，如古代文献。”

科学技术史上对古代技术发明的研究并不局限于技术本身。在他看来，每项技术的出现都必须与其历史阶段的社会发展密切相关。研究者还注意到智慧和文化内涵渗透其中，从而更全面地还原了当时的历史图景。

黄兴还认为，公元前7世纪前后有许多关于磁铁的记录，这与钢铁工业的兴起密切相关。到战国末期，炼金术士已经尝试了各种方法将磁铁产品包装成各种各样的人工制品，并设计出魔术来“愚弄”统治者

此外，在民众中，炼金术士还将包括磁性技术在内的各种炼金术与儒家思想、风水、丧葬等礼仪习俗文化相结合，“从而构建了一个虚拟与真实、神秘与神秘并存的仪式程序，充分满足了受害者的心理需求”

相关纸质信息:

天然磁铁勺“新浪”实证研究。《自然科学史研究》，第36卷，第3期(2017): 36386

中国指南针历史文献综述。《自然辩证法通讯》，第39卷，第1期(2017): 85-94

中国科学新闻(2018-109，第三版)