目前网络上的“司南”图片均为美化模型，不代表真正的“司南”就是如此，因此呼吁谈司南时用线图模拟表示 图片来源：黄兴（左）网络（右）

有关司南的各种争议

关于指南针的起源和演变的学术探讨已有百年历史。20世纪初时，国内外学者将“指南车”与指南针混淆，认为传说中的黄帝时期就有了指南针，先秦文献中提到的“司南”、“指南车”具有指向功能。

20世纪20年代初日本学者发现，汉唐文献只记载了的磁石吸铁，并未说明指向，到宋代《梦溪笔谈》才记载了磁针指极和地磁偏角等内容，因此提出了指南车不是磁性指向装置，指南针应是宋以后的发明。但我国学者否定了这种推论，他们认为，确切的文献记载只能作为指南针发明时间的下限，还可以继续向前探索。

虽然今天指南车被研究出是机械结构并复原成功，但仍有学者认为司南是指指南车。图片来源：网络

到目前关于指南针的起源存在“秦汉磁石勺说”和“唐末磁针说”两种观点。争议最大的也是前者，最初在1928年由当时的青年历史学家家张荫麟提出：东汉王充《论衡·是应篇》记载“司南之杓，投之于地，其柢指南”中的“司南”可能是东汉最新式的磁性指向装置，并找到佐证如《韩非子》、《鬼谷子·谋篇》等所记载的“司南”可能也是磁性指向器。

到了40年代中期，科技史家、文物复原专家王振铎提出了“磁石勺+青铜地盘”的“司南”复原方案——我们常见的那把勺子。事实上，王振铎用天然磁石制作了多枚磁石勺，其中有数枚确实可以指南。他的成果发表在1948年的《中国考古学报》。1952年科学史家李约瑟来华曾与王振铎讨论过他的复原模型，还在专著中描述了他看过演示，效果理想。

由于尚未见到考古实物，王振铎表示姑且以这种方案来代替。这一复原工作在国内外引起了极大的社会反响，最著名的属1953年发行《伟大的祖国》邮票，第一枚展现的就是勺状司南，而这一图案后来被辞典、教材引用，被奉为中国古代先进科技的标志之一。

1953年发行的《伟大的祖国》邮票中第一枚图形就是“司南” 图片来源：网络

在巨大的影响之下，学者们也纷纷提出质疑。他们在学术上质疑的最主要的原因是，无法确定古书记载的“司南”究竟是不是磁性指向装置。有人认为王充《论衡》中的司南是北斗七星，其他古籍中的“司南”可能代指官职、权力、法律等，都源自对北斗的延伸。另有人通过考证，认为“杓”、“柢”是指南车的横杆部件，“司南”还应是指南车。近来有人提出了“原始水浮指南针”的复原方案，认为“司南”是原始的水浮指南针。

另一方面是对磁石勺制造工艺和指向可行性的质疑。比如，磁石勺是否真能在地磁场作用下转动？王振铎的复原使用了当代铣床等工具，古人是否有能力对磁石进行加工？

更为关键的是，除了王振铎，其他人都未能成功做出可以指南的磁石勺。而且长久以来，鲜有人见过王振铎的复制品，甚至连国家博物馆的工作人员都表示没见过（原型只在80年代展出过一小段时间），后来陈列的展品都是用充磁的金属制成，以至于开始怀疑王振铎当年是否真的制作了磁石勺。

用充磁“造假”还有一件大事，成了否定磁石勺“司南”是磁性指向装置的证据：1952年，时任中国科学院院长郭沫若代表考察苏联科学院，想把司南作为国礼相赠，就委托了中科院物理所的钱临照先生制作，但没能成功。不得已用钨钢勺磁化的方法制成了“司南”，以致后来“司南”的复原模型也是合金制成，最终导致“司南”几十年来在社会上争议不断。

寻找磁石，实验复原

司南究竟是不是磁石勺，它能指南吗？

给出新解答的人是中科院自然科学史研究所副研究员黄兴。2014年，刚刚博士毕业的他来到中科院自然科学史研究所进行博士后研究。他的合作导师，自然科学史研究所所长张柏春研究员交给他一个课题：用科学实验方法研究古代指南针，这项课题的重要研究内容之一就是验证磁石勺能否指南。

中科院自然科学史所副研究员黄兴在2018年中科院公众科学日为听众讲解司南的来龙去脉 图片来源：rmzxb.com.cn

黄兴的研究并没因缺少历史文物而受到阻碍，作为一名专业的科学史研究者，他表示，“没有文物还有文献，没有文献我们能做实验”，即从实证的角度来探究古代技术的可能性。

从前人文献开始，黄兴仔细梳理了各家的学术观点和实验过程，意识到要制作能指南的磁石勺，必须要得到其原材料“磁石”，而且是强度足够高的磁石。

能表现出强力磁性的天然磁石并不多见 来源：Flora Italiana

什么是磁石？中西方古代文献中都记载了能相互吸引、排斥、吸铁的石头，外观上这种磁石还“长毛”——磁石上会吸附岩石碎屑。根据现代岩石磁学理论，磁石是古人对多类具有显著天然剩余磁性（NRM）铁矿石的统称，包括磁铁矿（Fe3O4）、磁赤铁矿（γ-Fe2O3）和磁黄铁矿（Fe1-xOx）等，而且是三种矿物中少部分才能显示出明显的磁性。这些铁矿石在长期的高温成矿过程中，在地磁场中不断降温获得了热剩余磁性，具有很强的稳定性，远胜于摩擦磁化得到的等温剩磁。

北宋苏颂《本草图经》中描绘的磁石 供图：黄兴

黄兴来到史书中记载产磁石的地方寻找磁石，几经辗转，还真在河北省张家口市龙烟铁矿区发现了与文献相符合的“长毛”的磁石。为了确定磁石的成分，他用X射线衍射方法分析，得出结论主要成分为磁赤铁矿。

实际上，想要制作磁石勺，必须得有性能良好的磁石原料，这一点是其他人未能成功的主要原因。不仅对于今天的研究者如此，对于古人有同样的问题。磁石是勘探铁矿的显著表示，因此易开采的磁石资源消耗很快。黄兴认为，磁石逐渐稀缺也可能是磁针式指南针出现的原因之一。

那么这批磁石磁性如何？据《雷公炮炙论》记载，“夫欲验者，一斤磁石，四面只吸铁一斤者，此名延年砂。四面只吸得铁八两者，号绩未石。四面只吸得五两以来者，号曰磁石”（这里的斤根据南朝度量衡约为220g）。经过吸铁实验测试，再与古籍文献记载的磁石吸铁能力对比发现，黄兴找到的磁石与文献中的中上等磁石磁性相当。

黄兴采集到的磁石 供图：黄兴

磁石勺能否实现指南，实际上是指它能否实现在磁场下转动，这取决于其受力矩的大小，反映在磁学参量中是磁矩。由于收集到的磁石形状不规则，尺寸也超过现有设备的检测范围，黄兴用了近一年时间自行设计制作了一套磁矩测量装置，可以方便的在加工磁石勺时测量磁矩。了解了磁石的性能，再加上已知地理南北极，就可以人工标定好了方位（让勺把指南），在理论上就可以认为制成的磁石勺可以指南。

黄兴制作的天然磁石磁矩测量装置，可以测量任意形状，宽度在15cm之内的物体的磁矩大小。供图：黄兴

磁石勺能指南，效果不一般

万事俱备，黄兴动手开始制作磁石勺。他首先要解决的问题是，古人是否有技术将磁石切割加工成勺状？黄兴解释说，“从石器时代起，人们就开始加工石头；汉代钢铁技术已经基本成熟，创造出各种铁质工具，石刻艺术手法娴熟，古人制成勺状不成问题”。

他仿照古代的加工方式，使用绳砂、转式切割机切削磁石，用罗机和磨头打磨了勺窝，用砂纸和锉打磨了勺底，完全以和古代相当的工艺水平制作了多枚磁石勺。

实验发现它们都有固定指向，其中多枚无需人为触动勺体，磁石勺就能自动指南，误差只有5%左右。黄兴还研究发现，经过打磨会让磁化强度略有减小，为了进一步考查磁石勺的磁性，黄兴持续监测了两年多的时间，磁化强度虽略有降低但能保持稳定，指南效果完全不受影响。

黄兴制作的一枚磁石勺 供图：黄兴

至于王振铎方案中所用的光滑青铜地盘，原来被认为是为了减小摩擦力以辅助指示方向，并且古人有相当高超的青铜工艺，硬度足够，更能方便指南。

为了考虑地盘的硬度和粗糙程度对于转动的影响，黄兴做了大量的对比实验。但最终发现，有无底盘并不重要。他采集到的天然磁石磁性远胜于王振铎所用磁石。他制作的磁石勺在硬一点的木质桌面上、水磨石地面上，甚至有微小颗粒的水泥地上，只需稍微触碰使其启动，都可以正常指南。因此黄兴认为，《论衡》中 “投之于地”的“地”完全可以采用一般解释，就是室内的地面。

磁石勺指南（仅作为演示） 拍摄：黄兴

那为什么古人会把天然磁石制成勺状？黄兴认为，从力学角度来看，勺底球型会把滑动摩擦变成滚动摩擦，摩擦力显著减小；而且重心较低，不易倾斜。勺柄则增加了勺体的转动惯量，可以让勺体晃动更长时间来完成指向，“最适合的造型就是勺型。”

尽管制成了可指南的勺状“司南”，但对于一项学术研究来说，仍要考虑所有相关因素。今天制成的磁石勺能否在古代也适用？这就要考察古地磁场。黄兴考虑到地磁场总量和地磁倾角的波动极易被放大，可能对磁性指向效果产生重大影响，而且古地磁学研究表明地球磁场存在复杂的变化，这也是以前研究指南针的学者所忽视的问题。

天然磁石勺周围的磁力线演示 供图：黄兴

黄兴从前人发表的数据中归纳出了2000多年来北京、洛阳、天水三地的地磁场水平分量的演变曲线，发现曲线呈M型变化，峰值几乎是低谷两倍。公元前4世纪至公元6世纪初为高峰期，《论衡》成书就在这段时间。而北宋与现代相当，处于低谷期。

磁场水平分量值 来源：《天然磁石勺“司南”实证研究》

黄兴又制作了可以产生匀强磁场的大型的亥姆霍兹线圈模拟古代地磁场，将磁石勺放进去进行指向测试，发现定向速度明显加快，而且指向更精准。这个实验让他想到，古地磁场的演变可能与磁性指向器的演变相关，人工磁化，性能更好的“指南针”之所以出现于宋代，不仅仅因为磁石的稀缺，还因为这时期地磁场水平分量弱。

勺状“司南”的复原成功，质疑王振铎方案也可不攻自破。事实上，黄兴在最开始研究时，就找到王振铎后人家中保存的磁石勺，现保留了3枚，经过测试还有2枚有效，这就澄清了所谓王振铎磁石勺“司南”不存在的误解。另一方面，因为王振铎的磁石勺很早之前就从国家博物馆撤展，人们见不到实物，才加重了疑虑和误解。

王振铎制作的司南 供图：黄兴

对于当初用“司南”作为国礼相赠，却用现代方法制作一事，黄兴说：“虽然这件事是口述相传，但包括钱临照院士在内都没否定磁石勺“司南”的方案。如果不可行，还作为礼物相赠，必授人以柄，贻笑大方。没做成功的原因很可能是所用磁石强度不足，而王振铎之前制作的磁石品相不够美观，不适合作为国礼。”

黄兴从实证角度，证明了天然磁石能够制成勺状能够指南，而且能长时间使用。但他也认为，“磁石勺方案贴合文献记载，技术上确实可行，是目前最佳的复原方案。但司南究竟是不是磁石勺，现在还没有判定性证据，有待进一步研究，不必急于肯定或否定复原方案。” “司南”到底指代的是什么，仍需要继续研究。同时，他也感谢我国几代学者，刘秉政、戴念祖、孙机等前辈，正是他们的争鸣推动了我国指南针起源历史的研究工作。

还原古代文明

黄兴的课题研究中还尝试了其他磁石指向器还原方案，如磁石水浮、悬吊、金属勺盛放磁石等，还通过实验检测了北宋《武经总要》指南鱼的磁化机理，测试了铁质指南针的外形、材质与磁化性能的关系等，取得了一系列重要的新发现。

实际上，科技史的研究是以过去的科技案例为研究对象，探寻科技发展的历史过程，总结科技与社会之间的规律性认识。通过对磁性指向器的研究，不仅能探寻磁技术的历史，更能发现它的社会意义和文化意义，黄兴说，“用更宽广的视野来看待古代磁性技术，可以让我们对指南针的认识更加有血、有肉，更丰满。”

黄兴认为，古代磁性技术与钢铁技术的形成有关，也与我国古代的宗教、巫术文化有很深刻的关系。

磁石的大规模记载始见于公元前7世纪前后，战国时期从事占星、巫术的方士就利用磁石设计出了多种方术来“忽悠”统治者。秦代方士提出了磁石门方案，进一步博得了秦始皇的信任。西汉方士为汉武帝表演斗棋，一时获得了无比的荣宠；方士还将各种方术与儒家学说相结合，与风水、丧葬等礼俗文化结合……在此过程中，不断积累知识，最终发现了磁性指向技术。方士们还发明了更好用的罗盘指南针，逐渐成了方士和风水先生的必备工具。

虽然万安罗盘应用于风水、占卜等活动，但其制作制作技术列入我国第一批国家非物质文化遗产名录的古代传统技艺，代表了中国古代的智慧。来源：网络

黄兴说，“指南针集科学、历史、神秘、文化于一身，是一个独特的古代发明。” 在常人眼中，指南针可能只是一把勺或者一枚针；但它也是一部内容丰富的历史故事，等着我们去进一步挖掘。

参考文献：

黄兴. 天然磁石勺“司南”实证研究[J]. 自然科学史研究, 2017(3):361-386.

黄兴. 中国指南针史研究文献综述[J]. 自然辩证法通讯, 2017(1):85-94.

戴念祖. 再谈磁性指向仪“司南”——兼与孙机先生商榷[J]. 自然科学史研究, 2014, 33(4):385-393.

孙机. 再论“司南”[J]. 中国国家博物馆馆刊, 2018, No.180(7):156-162.

专家释疑：天然磁石勺能指南吗[N].中国科学报, 2018.11.09

制版编辑：下雪

本文原载于《科技生活》2019年第1期，科学加APP

此次对内容又进行了一定补充

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