三、从铁矿遗址说到司南
颇有趣的是，大约4万年前的山顶洞人利用赤铁矿作颜料和装饰品。赤铁矿（Fe2O3），古称代赭石，别名须丸、血师。它如此早地进入人类生活之中，预示了中国人日后有关冶铁技术、指南针等方面的发明与发现。因为在选取铁矿中自然会遇上磁铁矿（Fe3O4，古称慈石、玄石），而它是制造指南针的原料。
从考古发掘报告可知，在我国进入铁器时代之前，从商至春秋时期的冶铜遗址中，铜矿与铁矿常混合在一起，铜渣中的氧化铁含量极高，有的高达40%左右。在江苏六合程桥一号墓出土了春秋晚期人工铸造的铁条、铁块。多处春秋战国时期铁器的发现，预示中国此时从铜器时代向铁器时代过渡。磁铁矿及其吸引其他铁类物质的现象，完全有可能在此时期被人们所发现。人们称磁铁矿为“慈石”（《管子·地数》），正是在战国时期。西汉为我国铁器时代开始的岁月。考古界发掘了许多属于此时期的冶铁遗址。1959年发现的河南巩县（今巩义市）铁生沟汉代冶铁遗址，面积达1万多平方米，出土大量炼炉、铁料、炉渣与矿石。1960年在河南鹤壁发现的汉代冶铁遗址中有13座椭圆高炉。1975年在郑州古荥镇发现的汉代冶铁遗址达12万平方米，有两座炼铁炉基、大积铁块、矿石堆、炉渣堆、陶范以及与冶铁相关的各种重要设施的遗迹。无须再多列举考古发掘的遗址，从这些例子中，人们不难想到，中国人发现磁石的物理特性，并在世界上最早发明指南针，是和冶铁业的先进发达密切相关的。
磁铁具有彼此吸引和排斥的性质，条形磁铁还有指极性，即指向地磁南北两极方向的特性。
《管子·地数》根据人们开采矿山的实践，曾对各种矿藏并生的现象有所陈述，它指出：“上有慈石者，下有铜金。”人们将磁铁矿称为“慈石”，其原因是它的吸铁现象“如母之招子焉”。《吕氏春秋·季秋纪·精通篇》说：“慈石召铁，或引之也。”汉代高诱对此注曰：“石，铁之母也。以有慈石，故能引其子。石之不慈者，亦不能引也。”磁铁的吸引性质确是最早被人们发现的矿石特性之一。
鉴于在某些地方盛产磁石，因此古代中国人将这些地方称为“慈州”“慈山”。以矿名命名地名，成为古代中国地名学的一个特征。在欧洲，称磁石为magnet。按照古罗马诗人卢克莱修的说法，magnet一词来源于Magnesia。据说是在小亚细亚靠近Magnesia的地方发现了磁铁矿的缘故。欧洲人是以地名命名矿名的。在这方面，中西二者真是相异其趣。
任一条形磁铁都具有两极：南极和北极。异性的两极接触，则相互吸引；同性的两极接触，则互相排斥。汉代方士对磁石的这一特性有较深入的了解。他们将磁石做成小长方形棋子，表演斗棋术。《史记·封禅书》记述了胶东方士奕大向汉武帝献斗棋术，“棊自相触击”——“棊”“棋”，古今相通；“触”，接触，是磁铁异性极相互吸引造成的；“击”，打击，是磁铁同性极彼此排斥形成的。汉淮南王刘安主编的《淮南万毕术》将前者描述为“慈石提棊”，将后者描述为“慈石拒棊”。一“提”，一“拒”，很好地表现了磁石两极的彼此作用。
自从本草药物学家将磁石入药之后，磁石的物理特性受到更广泛地注意。刘宋时雷斅按照磁感应强度试图将其分类，他说：
一斤磁石，四面只吸铁一斤者，此名延年沙；四面只吸得铁八两者，号曰续采石；四面只吸得五两以来者，号曰磁石。⑨
在本草药物学家看来，不同吸铁能力的磁石有不同药性，对它们进行分类是对症下药的需要。他们的分类法可以看作现代磁性材料分类之肇始。尤其值得注意的是，唐代苏恭在《唐本草注》中说：
磁石中有细孔，孔中黄赤色。初破好者能连十针，一斤铁刀亦被回转。⑩
在这里，人们已将磁石与铁针相联系，表明指南针的发现和应用为时不远。再则，苏恭指出“初破好者”的磁石才有他所记述的磁场强度，若磁石一而再地被切割、雕琢，就有可能失去其磁性。这在加工磁铁的工艺过程中，是应当引起人们注意的。
发现磁石吸铁、吸针，也就是发现了磁感应现象。与此同时，人们也发现了磁石不能吸引的物质。《淮南子·览冥训》说：“若以慈石之能连铁也，而求其引瓦则难矣。”同书《说山训》又写道：“慈石能引铁，及其于铜，则不行也。”
魏时曹植还发现磁石不吸引黄金⑪。铜与金都是抗磁性物质，它们的磁化率为负值，因此不被磁铁吸引。《淮南子·说山训》的记述可以看作是对抗磁性的最早发现。砖瓦的结构成分比较复杂，或许它是磁化率远小于1的弱性物质，磁体对它的吸引力不足以克服它的重力，因此吸不动它。
磁石的作用可以在相当一段空间距离内发生，而不必相互接触。这种现象被晋代人称为“磁石吸铁，隔阔潜应”⑫。这是关于电磁“超距作用”的最早叙述。事实上，磁体周围存在着一定强度的磁场。
磁石虽不能吸引铜，但它可以透过铜板而吸引铜板上的铁屑。古代中国人虽对此未有明确记载，可是他们发现并提出：“磁石吸铁，隔碍潜通。”⑬也就是说，某些物质不能阻碍磁作用。这个认识可能起源于以磁石治疗耳聋等疾病。在病耳置磁石，不病的另一耳置铁砂，这虽然不能真正治好耳聋，但古代人由此认识到骨肉不能阻隔磁作用。他们认为这是“阴阳相感，隔碍相通之理”⑭。“隔碍相通”或写为“隔阂相通”。
那么，什么东西可以隔断磁作用而使它不相通呢？清初，人们终于发现了磁屏蔽现象。清代刘献廷在其《广阳杂记》卷一中写道：
磁石吸铁，隔碍潜通。或问余曰：“磁石吸铁，何物可以隔之？”犹子阿孺曰：“惟铁可以隔耳。”其人去复来，曰：“试之果然。”
刘献廷（1648—1695年），字继庄，号广阳子，顺天大兴（今北京）人。其著《广阳杂记》在其卒前成稿，后经他人编辑成书。他的侄子阿孺知道，铁可以隔断磁作用。虽未详述如何隔断，但经他人实验确有其事。我们知道，将铁放进带有厚壳的封闭的铁罩内，其外的磁铁就不能吸引它。这种现象今日称为“磁屏蔽”。1786年，法国物理学家库仑（C. A. de Coulomb，1736—1806年）报道了导体对它内部的屏蔽作用。但是，后来人们忘记了他在这方面的工作，竟将磁屏蔽与法拉第（M. Faraday，1791—1867年）的名字联系在一起。事实上，库仑的前辈，包括中国的刘献廷都在磁屏蔽上有所发现。刘献廷也许是最早的发现者。
古代人从铁矿藏地或冶铸之地拣集了大量天然磁石，用于医疗、建筑和战争之中。在医疗方面，以磁石炼水、泡酒、熬粥、缝制于枕内，而分别成为今日所谓的磁化水、磁化酒、磁粥、磁枕；将磁石粉入中药以医治各种疾病也早已有之。在建筑方面，秦始皇建造阿房宫，以磁石为门，防止怀刀刃铁甲者进入。在战争方面，《晋书·马隆传》载，晋大将马隆与羌戎战于西北地区，马隆曾以磁石累夹道，阻滞羌人进军。据清代朱琰《陶说》载，制造白瓷的陶瓷工人，往往用吸铁力大的上好磁石在釉水缸中旋转，以便吸除釉中氧化铁、氧化钛等杂质，从而提高瓷器的洁白度与透明度。
从磁石的拣集和运用中，经过一定程序的琢磨，古代人还将它做成了磁性指向器，称为“司南”。这是中国人运用磁石的又一项重大发现。
大家知道，地球是一个大磁体，它有南、北两极。在地球上悬吊一条形磁铁，受地球磁场的作用，磁铁的南极就指地磁北，北极则指地磁南。这也是指南针的基本原理。司南是原始的指南针。王充《论衡·是应篇》载：
司南之杓，投之于地，其柢指南。
按王振铎考证与复原，将天然磁石琢成圆底的瓢勺形状，放在古代栻占用的铜质光滑的地盘上，经旋动而静止时其柄指向南或北。《论衡》中的“地”指“地盘”，“柢”指勺柄。其复原模型如图5-6所示。
图5-6 王振铎复原的司南模型
这种磁性指向器理应极小，其外形类似勺子，其柄可能也是小小的细长形，未必如同生活中所用的勺一样大。除了司南的底部因需要转动而做得光滑外，其他处也可能比较粗糙。还有许多人担心，天然磁石经雕琢、打磨会失去磁性；却很少人同时考虑到，经过用力不大的雕琢，原本无磁性或磁性不大的磁石反而可能产生或加强其磁性。因为天然磁石的磁性有无、大小决定于其本身的磁畴排列。在敲打琢磨的过程中，容易使其磁畴排列从有序到无序，从而去磁；也有可能使其排列从无序到有序，从而加强磁性。
当然，司南的制造也可能追溯至战国时期。《韩非子·有度》曾说过“先王立司南以端朝夕”等语。大概从汉代或战国发明司南之后，直到唐代，人们曾不断地制造并使用司南。例如，梁元帝萧绎在其《玄览赋》中写道：
见灵鸟之占巽，观司南之候离。⑮
“灵鸟”与“司南”相对，同是指物；“巽”与“离”相对，同是八卦的两个方向：前者为东南，后者为正南。“观司南”表明，萧梁朝时期尚在使用这种磁性指向器。唐代吏部侍郎韦肇（生年不详，卒于766—780年间）在其《瓢赋》中也写道：
挹酒浆，则仰惟北而有别；充玩好，则校司南以为可。有以小为贵，有以约为珍。瓠之生莫先于晋壤，杓之类奚取于梓人。⑯
唐代有人忙于“校司南”以“充玩好”。“校”暗含制作之意，司南之所以要“校”，除了地磁偏角因素之外，尚有许多工艺技术上的问题。“杓之类奚取于梓人”是句双关语。“梓人”指木工。匏瓜是农民所种。司南类似由匏剖成的勺子，但是非梓人刀削之，而是由金工所为。这些文献，表明汉代之后，司南并未失传。有一些文章不同意王振铎生前依据《论衡》复原的司南，但这些文章的论据尚不充分，不足以推翻王振铎之说。
司南是以磁石直接制成的，下面我们将要谈及的指南针则是以磁感应原理做成的。