四、从针碗说起
所谓“针碗”是专供放置磁针的瓷碗。当该碗内置水，磁针及其载体灯草就可以漂浮在水面上。近几十年出土了许多这样的文物。
1957年在河北邯郸峰峰矿区属于宋元时期的磁州窑遗址中出土了绘有“王”字的瓷碗和残片，“王”字的写法是三大点中贯一细竖。1959年河北省文化局文物工作队的《观台窑址发掘报告》对1957年的发现地层、碗形和断为元代的文物做了记述与讨论。1958年，在旅大市（现旅顺、大连）甘井子地区金元墓葬中同样出土了“王”字碗，而且碗外底有“针”字样（见图5-7）。在江苏丹徒也有类似文物出土。1975年，又在磁县南开河村的东漳河故道上发现了六艘元代沉船，沉船内也有相似的“王”字瓷碗。王振铎对这些文物的研究表明，这就是历史上的针碗，“王”字实乃磁针及其载体的描画。
图5-7 针碗：①旅大甘井子金元墓葬出土；②吉林双辽辽金墓出土
尚需补充的是，1992年和1993年，在吉林双辽辽金墓葬中还出土了“王”字碗及其残片（见图5-7）。报道称，该碗圆唇，白釉，壁外釉不及底，碗内底纹饰如图5-7之②所示，腹内中部饰两道弦纹，口径19.4厘米，底径7.2厘米，高8.4厘米。同墓还出土有晚至崇宁（1102—1106年）、建炎（1127—1130年）时期的铜钱，故断代为辽金时期。
从以上出土文物可见，针碗分布于江苏至吉林的广大地域，在时间上从两宋之际到元代。那么，针碗内的重要部件磁针以及有关的磁偏角等物理知识是怎样在中国发展起来的呢？
从以天然磁石制作司南到以磁化感应方法制作指南针，在科学方法和科学认识上都是一个巨大进步。由司南向指南针过渡究竟是在哪个历史时期呢？
如前所述，生活于7世纪的唐代苏恭已发现磁石“能连十针”，以磁感应现象自觉地制造磁化钢针已为期不远。生活于8世纪的韦肇还称制造司南以“充玩好”。虽然如此，9世纪时的段成式（803—867年）却在其《酉阳杂俎·续集·寺塔记上》中描述了可能是指南针雏形的东西：“有松堪系马，遇钵更投针。”“勇带磁针石，危防丘井藤。”磁石与钢针在此以“磁针石”之名同时出现。段成式说，将马系于松树上，找到一钵或一碗以便投下“针”。虽然这些文字记述并不明朗，但可推断，唐代大概是由司南向指南针过渡的孕育阶段；唐宋之际、五代时期完成了这一过渡⑰。因此，入宋之后，有关指南针的文献记载突然丰富起来。
成书于宋代庆历元年（1041年）的杨惟德《茔原总录》是迄今所发现的确切记载了指南针的最早文献。它记述了地磁偏角，但缺乏对指南针造法的叙述。对磁偏角的记载，表明指南针的使用到当时可能已有百年历史了。紧随其后的是曾公亮的《武经总要》，它成书于庆历四年（1044年）或此前几年。其中记述了以地磁场磁化钢铁片（指南鱼）的方法，在《武经总要》之后约半个世纪，沈括的《梦溪笔谈》问世（完稿于1086年之后几年），以磁体磁化钢针的方法、指南针的置放方法，在该书中得以详细记载。此后，关于指南针的文献日益增多。集中于同一朝代问世的有关文献之多，以及它们之间的时距之短，致使我们难断各种指南针及其磁化法哪一个先诞生。
我们从曾公亮关于指南鱼的造法谈起。他在《武经总要前集》卷十五中写道：
若遇天景曀霾，夜色瞑黑，又不能辨方向，则当纵老马前行，令识道路；或出指南车及指南鱼，以辨所向。指南车法世不传。鱼法：用薄铁叶剪裁，长二寸阔五分，首尾锐如鱼形，置炭火中烧之，候通赤，以铁钤钤鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止。以密器收之。用时，置水碗于无风处，平放鱼在水面令浮，其首常南向午也。
这段记载相当清楚、具体。需要说明的是以近代磁学知识去理解古人的记述。将“薄铁片”（或许钢片可能性更大，且更好）剪成鱼形片烧红，当炉温高于居里点（约700℃）时，钢铁磁畴完全被搅乱。而当它蘸水（即淬火冷却）时，磁畴排列重新形成。关键就在于其冷却时“尾正对子位”，也就是说钢铁片的冷却是按地球子午线方向，即地磁南北极方向冷却的，铁片的磁畴就都顺着地磁场方向排列，从而使铁片产生磁性，并且鱼尾对子位即地磁北极，相应地鱼尾就成了南极，鱼头成北极。冷却时铁片“没尾数分”，亦即斜插入水盆中淬火，这恰好利用了地磁倾角，增强了铁片的磁化程度。在理论上，曾公亮和他的同时代人都没有地磁场和地磁倾角的概念，但在实际中他们却充分利用了地磁场和地磁倾角。这样制成的磁化铁片，放入水碗后，自然其头指向地磁南，其尾指向地磁北。做成指南鱼后，所以要“密器收藏”，或将它置于木盒、铜盒之中，是为了免受外界磁铁、碰撞或打击等因素的影响，否则可能发生退磁。
曾公亮制指南鱼不可与南宋陈元靓制指南鱼相混淆，二者制法不同。陈元靓制造指南鱼、指南龟，是直接将磁针装入木形鱼或龟的腹内。他将木载体的指南鱼浮于水中，使其指定方向；将指南龟装于支钉之上，使钉尖撑于龟体的重心线上。如果水浮法是后来水罗盘的始祖，那么，支钉法就是旱罗盘的始祖。
图5-8至图5-10，是王振铎复制的各类指南鱼和指南龟。
图5-8 曾公亮制指南鱼（浮于水面者为钢铁片）
图5-9 陈元靓制指南鱼（木鱼腹内为条形磁铁）
图5-10 陈元靓制指南龟（木龟内为条形磁铁）
沈括在《梦溪笔谈》卷二十四《杂志》中关于指南针的制造及安装记述如下：
方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。水浮多荡摇；指爪及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬为最善。其法，取新纩中独茧缕，以芥子许蜡缀于针腰，无风处悬之，则针常指南。其中有磨而指北者。余家指南北者皆有之。
在沈括之后大约20年，成书于政和六年（1116年）的寇宗奭《本草衍义》又写道：
（磁石）磨针锋则能指南，然常偏东，不全南也。其法，取新纩中独缕，以半芥子许蜡缀予针腰，无风处垂之，则针常指南。以针横贯灯心，浮水上，亦指南，然常偏丙位。
寇宗奭除了具体补充沈括记述的水浮法之外，其余均因袭沈说。沈括的记述，不但表明人们充分掌握了以磁感应法制指南针，发现了地磁偏角，而且他和寇宗奭一起共同揭示了指南针的种种安装法（见图5-11）：水浮；置于指甲或碗唇上；缕悬。其中，缕悬法，即以单根蚕丝悬挂磁针的方法，在科学上极具价值。法国科学院曾于1777年悬赏征集船用罗盘的最佳设计方案。其时，法国罗盘普遍使用钉尖托针，或称轴托法，其工作性能极差，受海船颠簸影响极大。库仑以他的《关于制造磁针的最优方法的研究》一文和斯温登（J. H. van Swinden）共同获得了头等奖。库仑在该文中提出了丝悬指南针的方法，比沈括晚了600多年。他在这个问题上的研究，导致他在后来还发明了扭秤，用它测量静电和静磁的力。其实，丝悬法的最早发明权应当属于沈括。
图5-11 沈括和寇宗奭记述的四种指南针安装法：①指甲法；②水浮法；③缕悬法；④碗唇法
从沈括的记述中可见，他发现了指南或指北的磁针，即磁针的针尖端既可能是北极，也可能是南极。这是有关磁体极性的最早发现。对此现象，沈括承认自己“莫可原其理”；他也曾猜测，“恐石性（磁石的性质）亦不同”。这个猜测说对了一半；另一半即关于地球本身是个大磁体的看法，这要等到1600年英国吉尔伯特（W. Gilbert，1544—1603年）通过磁针和磁化小球的实验才得以发现并证实。
地磁偏角的发现不始于沈括。所谓地磁偏角，是地磁子午线与地理子午线之间的偏差，它是地磁的南、北两极与地理上的南、北两极不完全在同一个位置上造成的。地理子午线为地球的正北、正南的连线；而磁针指出的地磁子午线与它有一定偏差，这个偏离位置（或这两条线的交角）的大小是随时间和地理位置的不同而变化的。在中国，最早记述地磁偏角的是杨惟德。他在《茔原总录》卷一中写道：
匡四正以无差，当取丙午针。于其正处，中而格之，取方直之正也。
《茔原总录》是一本相墓书。杨惟德生活于10—11世纪。该记述中的“丙午”是指罗盘标识的方位，可参见以下有关罗盘图。当子午线为地理北南方向时，丙位在午位东并紧邻午位。杨惟德的记述表明，若要无差错地确定地理四方（“匡四方”）的方位，指南针的方向必取丙午之间。这一记述，不但道出了10—11世纪之间，堪舆家已发明了指南针和相应的罗盘，而且在他们的相墓活动中已经发现了指南针的南向与地理南向之间的偏差，也就是发现了地磁偏角。杨惟德虽然没有直接指出这一偏差值，但他从堪舆的实用角度出发，提出了一种以磁针指向来校正地理方位的方法。它自然是堪舆家多年使用指南针定向的总结。
在西方，磁偏角是哥伦布1492年在航海中最早发现的，比杨惟德的记述要晚450年。