“磁石吸铁,间隔潜应”:谈谈我国古人对“磁”的理解

文章来源:健康时报 2019-08-06 12:03

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“四大发明”之中,指南针便利了人们的旅行,尤其使远距离的海上交通成为可能,促进了世界各地经济文化的交流,有力地加速了人类社会的进展。马克思把指南针和火药、印刷术三者,同称为“预兆资产阶级社会到来的三项伟大发明”。指南针正是根据物理学上的磁学原理创制出来的,它的发明说明了我国古代有着丰富的磁学知识。

 

一、对磁体的认识

磁体是指具有磁性的物体,它有天然的和人造的两大类。四氧化三铁就是一种天然磁体,它具有比较明显的磁性,因此比较容易被人们所发现。

我国远在春秋时期,随着生产的发展,人们需要更多的金属材料,因此矿产的采掘和冶炼工业得到了蓬勃的发展。矿工们在铁矿的开采与加工中,常常和磁铁矿打交道,逐渐认识到它那奇妙的吸铁性质,因而给予特别的注意。

在《管子》等先秦古书中,曾有“上有慈石者下有铜金”的记载。当时人们已觉察到磁石往往和铁矿储存在一块。

 

二、磁力的发现

在春秋战国时的著作中,便屡屡记载到磁体的吸铁性质了。如公元前三世纪的《吕氏春秋》上的“磁石召铁”,时代相隔不远的《鬼谷子》上的“磁石之取针”等都是。这个时候大概已经比较普遍地认识到磁性了,并且把它比作为慈爱的母亲对子女的吸引。

东汉的高诱在注释《吕氏春秋》时说:石是铁的母亲,但石又有慈和不慈的,慈爱的石,能吸引它的子女(铁),不慈的石则不能吸引。所以汉以前都把磁石写成“慈石”,就是“慈爱的石头”的意思。

 

后来人们不免也用磁石试着去吸引其他的金属或物体,结果如何呢?

西汉时期的《淮南子》一书写道:“若以慈石之能连铁也,而求其引瓦,则难矣”,“及其于铜则不通”。三国时有人也说:“慈石不受曲针”。所谓“曲针”,大约指的是金、银、铜之类金属的针,这当然是不受磁石吸引的。

这些记载,说明汉代已经认识到磁石只能吸引铁而不能吸引其他东西,这是一点前进。我们知道,磁体对铁只能是相吸,而磁体和磁体相近,情况就比较复杂一点。磁体总有两个极,一个叫做南极,另一个叫北极。凡是异性极相接近,互相吸引,凡是同性极相接近,则互相排斥。这个现象在西汉时期也被发见了。

 

当时有个“方士”名叫栾大,搞了两个磁体,样子很象是棋子,互相接近,据说不但能够相吸(“相抵”),还能够“相拒不休”,就是互相排斥。这就是所谓“斗棋”的把戏,他把这个把戏表演给汉武帝看,可把那皇帝逗乐了,因此获得一个“五利将军”的官位。

另外,在长期接触中,人们认识到磁体的磁性有强弱,有的磁体对铁的吸力大,有的小。公元五世纪,南北朝刘宋时代的著作《雷公炮炙论》里,按照吸铁重量的不等,把磁石分别命名。稍后,著名的医生、科学家陶弘景对此作了研究。他在《名医别录》中指出优质的磁石出产于南方,磁性很强,能连吸三根或四根铁针,就是使几根针首尾相连成一条线吸挂在磁体上。

 

他还指出,质量最好的磁石,甚至能连吸十根以上的铁针。陶弘景说这种优质的磁石能够吸住一、二斤重的铁刀。这不但指出了磁性有强弱之分,而且可以说是世界上关于磁力测量的最早的文字记载!

三、磁屏的发现

磁体只能对铁族物质(铁、镍、钻)有力的作用,这种作用力是任何物质所不能阻隔的。磁力的这一特点,宋代的陈显微已经指出过,他说磁力可以“隔碍相通”。张君房的《云笈七签》说得更明白,所谓“磁石吸铁,间隔潜应”。在西洋,这个事实迟至1600年才为医生吉伯所发现,晚于我国600年。

 

磁力能不能透过一切的物质呢?奇怪的是,只有铁族物质倒能够阻隔磁力的作用,譬如我们坐在火车车厢里打开收音机,是不能收到无线电广播的。这就是因为电台发射过来的电磁波,被车厢的铁皮所阻隔,这叫做“磁屏”作用。

这个奇特的规律,远在三百多年前就被发见了。清初一位名叫刘继庄的,在《广阳杂记》中记载着这样一件事:有人问他,什么东西可以阻隔磁石对铁的吸力。他的一位过房儿子名叫阿孺的代他回答说,只有铁可以阻隔。那人对此很感兴趣,回去就动手做试验,果然不差,十分高兴。第二次来说,他已经试过了,这是千真万确的。刘氏的这位世兄可是我国最早发现“磁屏”的人。

 

四、磁性的解释

我们的祖先并不满足于获得这些感性知识,他们要深入地去探讨磁力的本质,要给磁力提出一种理论的解释。

远在西汉时期,唯心主义哲学家董仲舒就提出过这个问题,但无法解释,只说“磁石取铁”,“奇而可怪”,那道理是人们所不能了解的(“非人所意也”)。到了东汉,唯物主义思想家王充,就富有创见地把“磁石引针”与“顿牟掇芥”两个现象紧紧地联系起来。这就是把磁现象和静电现象联系在一起,认为都是因为“气性”相同,互相感动的结果。

到了宋代就有人试着用古代的阴阳五行理论去解释,认为“磁石吸铁”是“阴阳相感”,是“神和气合”的结果。这些解释都是非常模糊的,也远远没有触到问题的本质,但是能够从铁和磁石之间内在的“气”的联系去寻找原因,这个思想还是可贵的。要真正解决磁现象的本质问题,在古代由于科学水平的限制是不可能的。

 

五、磁体的指极性

什么叫做磁体的指极性呢?就是说,把一根磁体支挂起来,当它静止时,必然有一端指在北向,叫做北极,另一端指在南向,叫做南极。磁体的磁性主要就集中在这两个极上。

我们的祖先大约在战国时代发现了磁体的指极性。当时的著作《韩非子·有度篇》里就有“先王立司南以端朝夕”的话。“司南”就是指南的意思,“端朝夕”就是正四方的意思。此后,在这方面有很多发明,到了明代的李豫亨记载过一件事:说一个姓汪的人,把一根普通的铁杖横着悬挂起来,用手一击,使之旋转,待静止后,铁杖必定指向南北。李氏自己也试验过,果然是真的。这里所说的实际上也是磁体的指极性问题。因为一根铁杖放到地球磁场里,久而久之受到感应,产生了磁性,成为磁体,因此表现出指极性来。

 

六、磁偏角和磁倾角的发见

地球的两个磁极和地理南北极只是“接近”,并不完全重合。因此,磁针事实上也并不完全精确地指向正南北方而略微有偏,这个角度叫做磁偏角。因为地球是球形的,所以在北半球,磁针的北极必向下倾斜,和水平方向成一夹角,这个夹角叫做磁倾角。不同地点有不同大小的磁倾角和磁偏角。

磁倾角的存在,远在北宋初年就发现了。那时的一本军事书《武经总要》(完成于1044年),在叙述人工磁化的时候就特别指出,被地磁场磁化的钢鱼,在加热之后,当浸到冷水时,要使鱼尾略向下倾。这是意识到我国的地磁力略有倾斜,故使鱼尾下倾,正对磁力,可以充分发挥地球磁力的作用,使钢鱼更好地被磁化。我国各地的磁偏角虽然十分微小,但在北宋时代竞也被发现了。

 

沈括的《梦溪笔谈》中十分明确地记载说,磁针能够指南,但“常微偏东,不全南也”。明白无误地说明了磁偏角是向东的。这是世界上关于磁偏角的最早记载。在后来的各个时期也都陆续有所记载。

至元明时代,甚至对不同地点磁偏角不同与同一地点不同时期有不同的磁偏角(这是因为地磁变化引起的)也有了发现,臂如明代的方以智就注意到我国的磁偏角使磁针偏东,罗马帝国的磁针则偏西,这不能不令人惊叹。

在欧洲,到了十三世纪才发现磁针指向并非正南北方,但当时他们多误解为磁针装置工艺上的缺点。到了1492年,哥仑布横渡大西洋,才真正发现了磁偏角,较我国迟了四百多年!

从上面的介绍可以看出,从公元前四世纪开始,我国就发现了磁石能够吸铁,而且只能吸铁。后来,还能对磁性的强弱作定量的测量。从汉代开始,发现了磁体互相接近时,可能相吸,也可能相斥。清初发见了铁的“磁屏”作用。磁体的指极性,远在战国时期就知道了,最晚在北宋就发现了磁偏角与磁倾角。

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