指南针原理及作用（指南针的来历和发明）

引言：罗盘与航海史

指南针的应用是原始航海时代地结束，预示着计量航海时代的来临。

——李约瑟（中国科学院外籍院士、科学史学家）

在原始航海时代，指南针还没有被发现应用。人们最早依靠天上的星星作为判断方向的工具。太阳的东升西落指明了东西向，而北半球的人们在正午时看到的太阳是正南方，又指明了南北方向。

那么夜晚如何辨别方向呢？北半球的人们很早就注意到了重要星象——北斗七星的指北功能，并将其作为定方向、定季节、定时辰的标尺。

北斗七星形态与季节变化

有经验的水手，能根据北极星和基础三角法得到离赤道的距离。这个距离的度量就是“纬度”。

只需要简单地假设北极星在北极的正上方，再测量北极星与地平线的夹角就可以得到纬度。

基础三角法测量北极星仰角

很多简单的设备都可以完成这项工作，比如星盘、木头或金属制作的简易仪器都可以精确地测量天体角度。举个例子，如果北极星仰角为40°，那么所处的位置就在北纬40°。

在赤道看到的北极星基本在地平线附近，因此赤道为0°；在北极看到的北极星在天空的正上方（粗略假设），北极星仰角为90°，因此北极的纬度为90°。

基础三角法的几何原理

在中世纪，欧洲的航海家们往往需要去往南半球。在那里，北极星隐藏在地平线之下，没法用来确认位置。而南极的上方也没有一颗对应的星体，最接近的替代星体是南十字星，因此它也被水手们用来在南半球确认纬度。

只有在南半球才能看到的南十字星

既然两极都有可以判定纬度的星体，我们能不能在赤道也找到一颗星体作为判定的依据呢？答案是肯定的，人们发现能通过测量太阳与地平线的角度来测定纬度。但是值得注意的是，我们可以近似假设北极星和南十字星分别在两极天空的正上方，但是太阳并不会一直照射在赤道上。

由于地球自转轴相对于地球公转面是倾斜的，随着季节变化，太阳相对于赤道的位置会发生改变，这种改变被称为赤纬（declination），赤纬的存在会导致太阳在天空中的轨迹在一年里的每一天都会发生规律性的变化，那么使用这样一个变动的恒星来测量纬度是否真的可靠呢？

地球公转示意图

八世纪的一名穆斯林天文学家玛莎安拉（Msha’allah）发明了在正午时通过测量太阳与地平线倾角来确定纬度的方法。要想在地球上任何地方用这个方法精确地测定纬度，还需要一份赤纬表列出一年中每一天太阳与赤道的夹角。

七个世纪后的1473年，20岁的西班牙人Abraham Zacuto才开始在《万年天体历》中编写这套赤纬表，五年后才完成这项工作。又过了十八年，赤纬表才得到普及。

纬度测量有多种手段，经度测量才是大麻烦。公元2世纪的希腊数学家希帕克斯曾提出，一份地图应该包括东西向彼此平行、从赤道到极地的纬线，以及南北向穿过纬线彼此并不平行的经线。这些经线在赤道处间距最大，在两极汇聚。这样地球就被纬线和经线包裹起来，地表的任何位置都能被这个网格精准地表示出来。

经纬线示意图

三个世纪后，制图师克劳迪厄斯.托勒密（Claudius Ptolemy）创作了《地理学》（Geography），自2世纪中期开始，书中所绘地图一千年都未被超越。以如今的眼光看来，这份地图极其不准确，尤其是对地球周长严重低估，才导致哥伦布登上新大陆时以为到达了亚洲。

15世纪，人们依据托勒密对人类所至的世界的描述所绘制的地图，此时北美大陆还没被发现（来源：Wikipedia）

经度测量如此困难，使得中国罗盘的引入拯救了整个航海事业。这个由中国古代人民发明出来的神奇又简单的小玩意经由阿拉伯传入欧洲，并很快被水手们掌握用来定方向。

罗盘的出现让水手们摆脱了天气的限制，

在看不见星空的夜晚也能确定位置和航行

那么罗盘是如何被发明的呢？

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起源与发展：司南和罗盘

指南针的起源可追溯到我国战国时期（黄帝时期的指南车利用的是齿轮传动），当时有一种称为“司南”的指南器具，那就是指南针的雏形。东汉王充在《论衡》中对司南形制作了描述：“司南之杓，投之于地，其柢指南”。“司”的意思是掌管，司南就是专门掌管南方的装置。司南的形状像一只勺子，把它放在地盘（“地”指的是一个具有24个方位刻度的地盘，即罗盘）上，勺把的顶端就会指向南方。

王振铎复原的汉代司南

汉代的司南由青铜地盘和磁勺组成。地盘内圆外方，中心圆面下凹，制作光滑，圆外盘面铸八天干、十二地支和四卦，三者穿插排列。从战国至隋唐一千多年间，司南一直是主要的指向仪器，利用它占卜天象和历算也是功能之一。

北宋时期，人们发现了人工磁化的方法，人工磁体开始代替天然磁石，磁针代替了磁勺。人工磁体是利用地磁感应法或摩擦传磁法制成的。沈括在《梦溪笔谈》中总结了指南针的四种制作方法，即水浮法、指甲法、碗唇法、缕悬法，还归纳了指南针的两大体系——旱罗盘和水罗盘。

最早被应用于航海的指南针是水浮针法的指南针，它是水罗盘地最早形式。徐兢在《宣和奉使高丽图经》一书中指出，这种指南针叫“指南浮针”。

在航海舟船上使用指南针的记载，最早见于1119 年朱彧所著的《萍洲可谈》，“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针”。最早的航海罗盘是用一剪成鱼状的薄片铁叶经磁化塞入木制鱼中，使南极在鱼首，北极在鱼尾，并置水碗于无风处平放，鱼在水中泛浮，其首所指，即为南极，是为“指南鱼”。

其中，图1-十八世纪初航海用旱罗盘；图234-清代航海罗盘（中国航海博物馆藏）

南宋时，将磁针与划分方位的装置组成的仪器称之为盘针、经盘、地螺，后来才改称为罗盘。水罗盘从诞生之日起一直使用到明代，郑和下西洋时期使用的罗盘依旧是水罗盘，直到明嘉靖年间出现了一种支轴式的航海罗盘，指南针被固定在支轴上，这种新式罗盘被称作“旱罗盘”，并逐渐代替了水浮式的罗盘。

旱罗盘的磁针支点固定，比水罗盘优越，但当恶劣天气来临时，船舶剧烈晃动颠簸造成观测不准或无法观测。18 世纪时，中国航海家利用中国古代先民发明的平衡环装配罗盘，使罗盘有了平衡性，免受大风颠簸的干扰。

临川出土执罗盘陶俑和中国港口博物馆藏执罗盘陶俑

南宋墓出土陶俑和中国港口博物馆藏陶俑所持旱罗盘中间的磁针形状与水浮磁针不同，其中央有一明显圆孔，应当是轴承结构。

中国的磁针和罗盘先后经由陆水两路西传，曾给人类的文明的进程带来重大的影响。以前史学界认为磁针在水中的水罗盘与指南针一脉相承，是中国的发明，但旱罗盘是欧洲所发明，16世纪才经由日本船传入中国。而今临川的罗盘证明：旱罗盘的发明权也应属于中国。

航海指南针发明后，作为印度洋主要航行者的阿拉伯人最先得到指南针。欧洲人又从阿拉伯人手中得到了指南针。到了哥伦布发现美洲大陆时，指南针早已成为哥伦布航海最重要的技术保证。马克思评价航海指南针“打开了世界市场并建立了殖民地”。可见航海指南针在人类发展史上的重要作用。

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原理：地磁场

尽管哥伦布、达伽马等这些大航海家们在远航时都需要罗盘和系列配套的工具（星盘、测深板等），但是很长一段时间，大家都不知道其原理。

春秋时齐国著名政治家管仲在《管子》一书中记载：“上有慈石者，下有铜金。”，“慈石”就是磁石，“铜金”就是一种铁矿。

磁石有两个特性：一是吸铁性；二是极性。也就是说磁石有两极，能够指示南北。我们可以设想地球内部存在一磁铁，磁铁的中心正好和地心相重合。这样，无论在地球内部或是外部都存在许多的磁力线，在地球内部线从地球北极出发指向南极，在地球外部南极发出磁力线，最终都回到北极。因此能自由旋转的两极性磁铁能够指示南北。

而事实上，地球的这根“磁铁”并没有跟地球的自转轴重合，这也就意味着，地磁北极不与自转轴指向的地理北极重合，两者存在一个偏角（磁偏角）。也就是说，罗盘指的“北”，不是真正的“北”。早在北宋年间，我国学者沈括就在《梦溪笔谈》中记载与验证了磁针“常微偏东，不全南也”的磁偏角现象，比西欧记录早四百年。英国人罗伯特·诺曼（Robert Norman）发现一根磁针用绳子在半中间吊起来，跟水平形成一偏角，他将这称为磁偏角。

然而，那时候人们还是低估了磁偏角的复杂度，它还会随着时间的变化而移动位置，近代研究表明，磁极甚至发生过多次倒转。

来源：《近六千年间的磁极移动曲线》——魏青云

E言

指南针或指北针？

回归题目，为什么叫做“指南针”呢？主流看法认为，指南针的称呼沿用了战国时期利用天然磁铁矿石琢成的“司南”。在我国古代文化里，南为阳，北为阴，以“南”为南北方位之主，面向南方为尊位。“南面为王，北面而朝”的意思是面朝南方位的称帝王，面朝北方的则是朝拜君王的臣子，帝王就座议事都是面向南方。

我国古代大部分宫殿都是坐北朝南

在现代，世界通用的制图标准为“上北下南”，在大多数情况下，地图都是以正北方向作为参考方向绘制的（这可能也与大多数人口聚集在北半球有关）。因此，指南针也往往被称为指北针。

W言

展望：电子罗盘？量子罗盘？

此时正在读这篇文章的你，不妨找找手机里有没有指南针APP。智能手机能使用指南针功能可不是因为它里面塞了一个罗盘。

事实上，现代智能手机上的指南针功能应用的都是电子罗盘技术，随着微电子集成技术以及加工工艺、材料技术的不断发展。电子罗盘的研究制造与运用也达到了一个前所未有的水平。

电子罗盘按照有无倾角补偿可以分为平面电子罗盘和三维电子罗盘，也可以按照传感器的不同分为磁阻效应传感器、霍尔效应传感器和磁通门传感器。电子罗盘被广泛应用于导航系统、地下勘探、仿真系统、GPS、虚拟现实等领域。

磁阻效应示意

2018年11月, 英国帝国理工学院研究人员和M Squared公司携手, 研制出全球首款用于导航的量子加速度计, 这款导航设备被称为“量子罗盘”。它是不依赖全球定位卫星 (GPS) 的防干扰导航装置。

量子罗盘能测量极低温度 (接近绝对零度, 也就是零下273度) 下超冷原子的运动。冷原子的物质波干涉可以测出加速度的信息, 从而实现惯性导航。而且量子罗盘的导航精度非常高, 比目前依靠经典电路的电子罗盘精度要高几个数量级。

量子罗盘的主体构造（来源：知乎 待考证）

从指南针的发明与改进历程来看，这是一个不断加深认识和改进的系统工程，也需要一代代的科学家不断更新知识和改良。这前提是，我们要敢做敢想，敢于将思维延伸出去。

指南针作为我国古代四大发明之一，在人类发展史上起着极其重要的作用。然而在六百多年前，虽然我们拥有世界上最大的舰队，却没能成为航海大时代的引导者。我们失去了海洋，让给了葡萄牙、西班牙和荷兰等这些海洋霸主。今天，我们在海上顶着压力拼命补课，只为交上晚了几百年的作业。我们拥有着地球上最璀璨耀眼的文化，也一定要秉承着这种越挫越勇的精气神及对未知的求知欲和探索精神，复兴我华夏文明。