古代關於磁學的知識相當豐富。我們祖先對磁的認識,最初是從冶鐵業開始的。古籍中記載了很多有關磁學知識。磁與電有本質上的聯系。古代對於某些靜電現象的記載,如摩擦起電、地光與極光的電磁現象等,這恰恰是和磁現象相並列的。
在我國古代,大約在春秋末期成書的《管子?地教篇》、戰國時期的《鬼谷子》、戰國末期的《呂氏春秋》等,都曾記述了天然磁石及其吸鐵現象,還記述了世界上最古老的指南針“司南”。秦始皇統壹全國之後,自覺功績可以與三皇五帝相比。他嫌都城鹹陽的宮室太小,不足以展現自己君臨天下的威儀,就在公元前212年,下令在王家園囿上林苑所在的渭河之南、皂河之西,建造規模龐大的宮殿群落阿房宮。
相傳當年秦始皇在建造阿房宮北闕門時,令能工巧匠們“累磁石為之”,故稱“磁石門”。磁石門運用了“磁石召鐵”的原理,類似現代的安全檢查門。
磁石門的作用,壹是為了防止行刺者,在入門時以磁石的吸鐵性能使隱甲懷刃者不能通過;二是為了向“四夷朝者”顯示神奇,使其驚恐卻步,不敢有異心,故也稱“卻胡門”。
磁石門的營造,反映了秦國高超的科學技術水平。這在我國乃至世界歷史上尚屬首創,可以算得上是世界科技史上的壹大創舉。
其實遠在2000多年前,我國古代勞動人民就開始同磁打交道。人們在同磁石不斷接觸中,逐漸了解到它的某些特性,並且利用這些特性來為人類服務。
古人在尋找鐵礦的過程中,必然會遇到磁鐵礦,就是磁石。我國古籍中關於磁石的最早記載,是在《管子?地教篇》中:“上有慈石者,下有銅金。”
古代人把磁石的吸鐵特性比作母子相戀,認為“石,鐵之母也。以有慈石,故能引其子;石之不慈者,亦不能引也”。因此,漢代初期,都是把“磁石”寫成“慈石”。對於磁石吸鐵這壹問題,宋代道士陳顯微和道教學者俞琰曾經作
過探討,認為磁石所以吸鐵,是有它們本身內部的原因,是由鐵和磁石之間內在的“氣”的聯系決定的,是“神與氣合”使然。
明代末期地理學家劉獻廷在他的《廣陽雜記》壹書中也認為,磁石吸鐵是由於它們之間具有“隔礙潛通”的特性。劉獻廷還把鐵的磁屏蔽作用理解為“自然之理”。
這種力圖用自然界本身來解釋自然現象的觀點是唯物主義的。考慮到當時的科學水平,也只能作出這樣解釋。
我國古代還把磁石吸鐵性應用於生產上。清代乾隆年間進士朱琰著的《A說》記有古代燒白瓷器的時候,用磁石過濾釉水中的鐵屑。因為素瓷如果沾有鐵屑,燒成後就會有黑斑。
磁石也應用於醫療上,明代醫學家李時珍的《本草綱目》記載,宋代的人用磁石吸鐵作用來進行某種外科手術,如在眼裏或口裏吸收某些細小的鐵質異物。這在現代已經發展為壹種專門的磁性療法,對關節炎等疾病顯示出良好的療效。
我國關於地球磁場可以磁化鐵物的記載,也見於壹些著作中。如明代方以智的《物理小識》卷8《指南說》的註中引滕揖的話:“鐵條長而均者,懸之亦指南。”
磁偏角、磁傾角和地磁場的水平分量稱作“地磁三要素”。歐洲人對磁偏角的發現是在哥倫布海上探險途中的1492年,磁傾角的發現還要晚壹些。而我國對磁偏角、磁傾角的發現都要早得多。
北宋時期官修軍事著作《武經總要》所記述的制指南針法,是包含有壹定的地磁學知識的。甚至有關磁傾角的知識也反映在這種磁化法中。既然指南針在磁化過程中要北端向下傾斜,這就隱含著當時的人們已經意識到有個傾角的存在。
至今所發現的有關磁偏角的比較權威的文獻記載,是北宋時期沈括的《夢溪筆談》。
沈括在磁學上的貢獻有如下3點:壹是給出了人工磁化方法,二是在歷史上第壹次指出了地磁場存在磁偏角,三是討論了指南針的4種裝置方法,為航海用指南針的制造奠定了基礎。另外,沈括對大氣中的光、電現象也進行了研究。
從後來的地磁學發展知道,磁偏角是隨地點的變化而變化的,而同壹地點的磁偏角大小又隨時間的推移而不斷改變。這些變化是由於地磁極不斷變動所致。
至南宋時期,磁偏角因地而異的情況有了更明確的記載,並且被應用到堪輿羅盤上。
至元明清時期,堪輿羅盤也都設有縫針,而且不同時期、不同地域所制的羅盤的縫針方位也都不壹致。這可以看成是我國古代關於偏角因時、地而變化的原始記錄。
在物理學上,磁與電有著本質上的聯系。我國古人把磁現象與靜電現象聯系在壹起,並且統壹地歸結為“氣”,是有意義的。後來人們對於靜電吸力的觀察更加深入了,發現了壹些特別的情況。
比如三國時期,人們已經知道“琥珀不取腐芥”。“琥珀”是壹種樹脂化石,絕緣性能很好,經過摩擦後就能吸引輕小物品。這個現象,漢代以來就為人們所熟知。
“腐芥”是指腐爛了的芥籽,必定滿含水分,因而具有黏性,容易粘著別的物體上,難以吸動。
另外,腐芥上蒸發出水氣使周圍空氣以及和它接觸的桌面都潮濕,以致易於導電。當腐芥接近帶電體,因感應而產生的電荷,容易為周圍的潮濕空氣傳走,所以靜電吸力壹定很小。
可見“琥珀不取腐芥”不但是事實,而且是符合電學原理的,也是人們深入觀察研究摩擦起電現象所得到的壹個結論。
古人認為,琥珀經過人手的摩擦,容易起電,才是真的琥珀。可見,古人已經知道以是否具有明顯的靜電性質,作為鑒別真假琥珀的標準,這是初步的電學知識的實際應用。
摩擦起電在壹定條件下,能夠發生火星,並伴隨輕微的聲響。這種稱為“電致發光”的現象,在古代也時有發現與記錄。
晉代張華《博物誌》記載:“今人梳頭、脫著衣時,有隨梳、解結有光者,也有咤聲。”這裏記載了兩個現象,壹個是梳子和頭發摩擦起電,另壹個是外衣和不同原料的內衣摩擦起電。
古代的梳子,有漆木、骨質或角質的,它們和頭發摩擦是很容易起電的;絲綢、毛皮之類的衣料,互相摩擦也容易起電。當天氣幹燥,摩擦強烈時,確實能有火星與聲響。
當然這火星與聲響是十分微弱的,古人能覺察到,說明十分仔細、認真。
古代觀察到的電磁現象,比較有代表性的除了雷電以外就是地光與極光。
我國古代關於地光的記載,以各地方誌裏為最多,例如:《成都誌》記載,293年2月4日,成都發生地震之前,“有火光入地”;《正德實錄》記載,1513年12月30日,四川“有火輪見空中,聲如雷,次日戊戌地震”;《潁上縣誌》記載,1652年3月24日,安徽潁上地震發生時,“紅光遍邑”等。
所有這些文字裏的“火光”、“火輪”、“紅光”等都是古人形容地光的名詞。
上述這些記載是如此確切、生動,它們是科學史上極其珍貴的資料。它們的意義在於地光能夠反映巖層的活動,和地震有著密切的內在聯系,尤其是有助於臨震預報。
極光分為北極光和南極光。我國地處北半球,故只能看到北極光。高緯度地區看到極光的機會比較多,但在中低緯度地區偶爾也可以看到,不過亮度要弱得多。
壹般認為極光的原因在於:太陽發射出來的無數帶電粒子受到地球磁場的作用,運動方向發生改變,它們沿著地球磁力線降落到南、北磁極附近的高空層,並以高速鉆入大氣層,這些帶電粒子跟大氣中的分子、原子碰撞,致使大氣處於電離並發光,這就是極光。
各種原子發出不同的色光,所以極光呈現五彩繽紛的顏色,壹般為黃綠色,但也有白色、紅色、藍色、灰紫色,或者兼而有之。
我國古代關於極光的記載很早。遠在幾千年前傳說的黃帝時期曾出現過“大電光繞北鬥樞星”。
戰國時期的《竹書紀年》記錄了大約發生在公元前950年的壹次極光:“周昭王末年,夜清,五色光貫紫微。其年,王南巡不返。”描述了極光的時刻、方位和光色,是我國最早而翔實的極光記載,比西方早了600多年。我國古代關於極光的記載是很豐富的。當時沒有極光的名稱,而是根據各種極光現象的形狀、大小、動靜、變化、顏色等分別加以稱謂。
這種分類命名法,最早見於《史記?天官書》,可見至少已有2000多年的歷史了。
極光是研究日地關系的壹項重要課題,它跟天體物理學和地球物理學都有密切的關系。古代記載下來的極光史料,可以幫助人們了解過去太陽活動、地磁、電離層等變動的規律,還可以探討古地磁極位置的變遷過程。