关于四大发明的小故事
指南针的发明是汉族在长期的实践中对物体磁性认识的结果。古代中国人接触了磁铁矿，开始了对磁性质的了解。人们首先发现了磁石引铁的性质。后来又发现了磁石的指向性。经过多方的实验和研究，终于发明了可以实用的指南针。
指南针辗转传入欧洲后在航海大发现中发挥出不可替代的作用。但科学家清楚，最早
解答“指南针为何能够指南”问题的并不是中国人，而是英国科学家吉尔伯特。那么，中
国发明指南针后对指南针理论作过什么样的探讨?吉尔伯特的理论是否及时传到了中国?明
末清初的“西学东渐”，又对中国指南针理论的发展有过哪些影响?上海交通大学科学史
与科学哲学系教授关增建从2021年起开始着手研究这些基本上还是空白的问题。
“中国最早的指南针理论，是建立在阴阳五行学说基础上的‘感应说’。”关增建介绍，11世纪中叶时中国大科学家沈括还对指南针感到匪夷所思，他的《梦溪笔谈》介绍了指南针的人工磁化方法、磁偏角的发现和指南针的架设方法，但对指南针为什么会指南却
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没有一点概念——“磁石之指南……莫可原其理!”随后，文人学者们从阴阳五行学说出发，结合当时人们对大地形状的认识，提出各种指南针理论。例如，最晚成书于宋代的
《管氏地理指蒙》，首先提出如下逻辑：
“磁针是铁打磨成的，铁属金，按五行生克说，金生水，而北方属水，因此北方之水
是金之子。铁产生于磁石，磁石是受阳气的孕育而产生的，阳气属火，位于南方，因此南
方相当于磁针之母。这样，磁针既要眷顾母亲，又要留恋子女，自然就要指向南北方向。”
关增建表示，从近代物理学的观点来看，“蒙氏理论”完全异想天开，但从事物的属
性出发解释其行为，在东西方科学史上都是常用的做法。中国古代阴阳学说昌盛，用阴阳
学说阐释指南针指南及“常微偏东”的原理，是再自然不过的事情。特别是，该理论认为
磁石不同端面有不同属性，它们决定磁针的指向，这种说法很容易启发人们发现磁石的两极，并进一步联想到磁极与磁针指向之间的关系，从而为正确认识这一问题到可能的途径。
南宋人的指南针原理，仍认为“指南针之所指，即阳气之所在”，只是围绕磁偏角现象，立论依据更多
转向地理方位的坐标系统——中国古人认为地是平的、大小有限，这样
地表面必然有个中心，过该中心的那条子午线就是唯一的南北方向。南宋人曾三异等认为，一旦测量地点不在这条南北线上，指南针所指向自然“少偏”。到明代，有人假托南唐人
著作指出，指南正针由大地方位系统决定，而偏角则由天体方位划分系统所决定。关增建
认为，这种说法“体现了传统指南针理论在阴阳感应学说和磁偏角的存在这一矛盾面前所
表现出来的窘迫”。
明万历年间公元1573～1620年，传教士来华，带来西方的指南针理论、地球学说以
及相关科技知识。受其影响，中国学者开始从新的视角探讨指南针理论问题，在此过程中，
阴阳五行的作用不断淡化，力学角度的分析不断增加，但吉尔伯特1600年提出的科学理
论连西方学界都没统一，更谈不上入主东土。
传教士中，1658年抵华的比利时耶稣会士南怀仁的指南针理论最系统，但他认为决定磁针指向的是地球的地理南北两极本身，理论仍然局限在古代科学的范围，而不像吉尔伯
特认识到地球本身存在一个磁体。南怀仁理论在中国影响深远，直到19世纪中叶，中国
仍有学者用它解释指南针问题。而此时，清末来华的传教士已开始着手把西方近代磁学知
识介绍给中国了。
先秦时代我们的先人已经积累了许多这方面的认识，在探寻铁矿时常会遇到磁铁矿，
即磁石主要成分是四氧化三铁。这些发现很早就被记载下来了。《管子》的数篇中最早记
载了这些发现：“山上有磁石者，其下有金铜。”其他古籍如《山海经》中也有类似的记载。磁石的吸铁特性很早就被人发现，《吕氏春秋》九卷精通篇就有：“慈招铁，或引之也。”
那时的人称“磁”为“慈”他们把磁石吸引铁看作慈母对子女的吸引。并认为：“石
是铁的母亲，但石有慈和不慈两种，慈爱的石头能吸引他的子女，不慈的石头就不能吸引了。”据说秦始皇统一六国后，在咸阳附近修阿房宫，宫中有一座门是用磁石做成，如果
有人身穿盔甲，暗藏兵器，入宫行刺，就会被磁石门吸住。这个故事告诉我们，古代劳动
人民很早就掌握了磁学知识。
汉朝以前人们把磁石写做“慈石”，是慈爱石头的意思。
既然磁石能吸引铁，那么是否还可以吸引其他金属呢?我们的先民做了许多尝试，发
现磁石不仅不能吸引金、银、铜等金属，也不能吸引砖瓦之类的物品。西汉的时候人们已
经认识到磁石只能吸引铁现在我们知道磁石还可以吸引镍，而不能吸引其他物品。
当把两块磁铁放在一起相互靠近时，有时候互相吸引，有时候相互排斥。现在人们都
知道磁体有两个极，一个称N极，一个称S极。同性极相互排斥，异性极相互吸引。那时
的人们并不知道这个道理，但对这个现象还是能够察觉到的。吴中天前妻
到了西汉，有一个名叫栾大的方士，他利用磁石的这个性质做了两个棋子般的东西，
通过调整两个棋子极性的相互位置，有时两个棋子相互吸引，有时相互排斥。栾大称其为“斗棋”。他把这个新奇的玩意献给汉武帝，并当场演示。汉武帝惊奇不已，龙心大悦，
竟封栾大为“五利”。栾大利用磁石的性质，制作了新奇的玩意蒙骗了汉武帝。
地球也是一个大磁体，它的两个极分别在接近地理南极和地理北极的地方。因此地球
表面的磁体，可以自由转动时，就会因磁体同性相斥，异性相吸的性质指示南北。这个道
理古人不够明白，但这类现象他们很清楚。
指南针的始祖大约出现在战国时期。它是用天然磁石制成的。样子像一把汤勺，圆底，可以放在平滑的“地盘”上并保持平衡，且可以自由旋转。当它静止的时候，勺柄就会指
向南方。古人称它为“司南”，当时的著作《韩非子》中就有：“先王立司南以端朝
夕。”“端朝夕”就是正四方、定方位的意思。《鬼谷子》中记载了司南的应用，郑国人
采玉时就带了司南以确保不迷失方向。
春秋时代，人们已经能够将硬度5度至7度的软玉和硬玉琢磨成各种形状的器具，因
此也能将硬度只有5.5度至6.5度的天然磁石制成司南。东汉时的王充在他的著作《论衡》中对司南的形状和用法做了明确的记录。
司南是用整块天然磁石经过琢磨制成勺型，勺柄指南极，并使整个勺的重心恰好落到
勺底的正中，勺置于光滑的地盘之中，地盘外方内圆，四周刻有干支四维，合成二十四向。这样的设
计是古人认真观察了许多自然界有关磁的现象，积累了大量的知识和经验，经过
长期的研究才完成的。司南的出现是人们对磁体指极性认识的实际应用。
但司南也有许多缺陷，天然磁体不易到，在加工时容易因打击、受热而失磁。所以
司南的磁性比较弱，而且它与地盘接触处要非常光滑，否则会因转动摩擦阻力过大，而难
于旋转，无法达到预期的指南效果。而且司南有一定的体积和重量，携带很不方便，这可
能是司南长期未得到广泛应用的主要原因。
司南由青铜盘和天然磁体制成的磁勺组成，青铜盘上刻有二十四向，置磁勺于盘中心
圆面上，静止时，勺尾指向为南。
指南针是磁铁做成的。磁铁能吸铁，通常称为“吸铁石”，古代称为“慈石”因为它
一碰到铁就吸住，好一个慈祥的母亲吸引自己的孩子一样。后来，人们才称它为“磁石”。
每块磁铁两头都有不同的磁极，一头叫S极，另一头叫N极。我们居住的地球，也是
一块天然的大磁体，在南北两头也有不同的磁极，靠近地球北极的是S极，靠近地球南极
的是N极，也正是因为地磁极和地理两级不完全重合，才出现了地磁偏角现象。我们知道，同性磁极相斥，异性磁极相吸引，所以，不管在地球表面的什么地方，拿一根可以自由转
动的磁针，它的N极总是指向北方，S极总是指向南方。
指南针是利用磁铁的特性做成的，那么，世界上哪个国家最早发现磁铁和它的特性的呢?
丽丽的假日二千多年以前，也就是春秋战国时候，中国已经用铁来制造农具了。劳动人民在寻
铁矿的时候，就发现了磁铁，并且知道它能够吸铁。
中国古书《管子》上有这样的记载：“上有慈石者，下有铜金。”“铜金”就是一种
铁矿。《管子》这部书产生在公元前三世纪，这说明中国最迟在公元前三世纪就知道磁石
能够吸铁了。
秦朝时候，还有这样有趣的传说，秦始皇统一中国以后，在陕西咸阳造了一个很大的
阿房宫，阿房宫中有一个磁石门，完全用磁铁造成。如果有谁带着铁器想去行刺，只要经
过那里，磁石门就会把这个人吸住。
另外，根据古书记载，汉武帝时候，胶东有个栾大，献给汉武帝一种斗棋。这种棋子
一放到棋盘上，就会互相碰击，自动斗起来。汉武帝非常惊奇。原来来大的棋子是用磁石
做的，所以有磁性，能互相吸引碰击，只是汉武帝不懂这个道理罢了。
古代民间常用薄铁叶剪裁成鱼形，鱼的腹部略下凹，像一只小船，磁化后浮在水面，
就能指南北。当时以此做为一种游戏。东晋的崔豹在《古今注》中曾提到这种“指南鱼”。
北宋时，曾公亮在《武经总要》载有制作和使用指南鱼的的方法：“用薄铁叶剪裁，
怎样填报志愿长二寸，阔五分，首尾锐如鱼型，置炭火中烧之，侯通赤，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，其首常向午也。”这是一种人工磁化的方法，它利用地球磁场使铁片磁化。
即把烧红的铁片放置在子午线的方向上。烧红的铁片内部分子处于比较活动的状态，
使铁分子顺着地球磁场方向排列，达到磁化的目的。蘸入水中，可把这种排列较快地固定
下来，而鱼尾略向下倾斜可增大磁化程度。人工磁化方法的发明，对指南针的应用和发展
起了巨大的作用。在磁学和地磁学的发展史上也是一件大事。
北宋的沈括在《梦溪笔谈》中提到另一种人工磁化的方法：“方家以磁石摩针锋，则
能指南。”按沈括的说法，当时的技术人员用磁石去摩擦缝衣针，就能使针带上磁性。从
现在的观点来看，这是一种利用天然磁石的磁场作用，使钢针内部磁畴的排列趋于某一方向，从而使钢针显示出磁性的方法。这种方法比地磁法简单，而且磁化效果比地磁法好，
摩擦法的发明不但世界最早，而且为有实用价值的磁指向器的出现，创造了条件。
《梦溪笔谈》是沈括1031—1095年所著的有关中国古代科学技术的著作，书中谈到
磁学和指南针的一些问题。他在《梦溪笔谈》的补笔谈中谈到了摩擦法磁化时产生的各种
现象：“以磁石摩针锋，则锐处常指南，亦有指北者，恐石性亦不……，南北相反，理应
有异，未深考耳。”这是说，用磁石去摩擦缝衣针后，针锋有时指南，也有时指北。从现
在的观点来看，磁石都有N和S两个极，磁化时缝衣针针锋的方位不同，则磁化后的指向
也就不同。但沈括并不知道这个道理，他真实的记录了这个现象并坦白承认自己没有做深
入思考。以期望后人能进一步探讨。
火药是中国汉族发明于隋唐时期，距今已有一千多年了。火药的研究开始于古代道家
炼丹术，古人为求长生不老而炼制丹药，炼丹术的目的和动机都是荒谬和可笑的，但它的
实验方法还是有可取之处，最后导致了火药的发明。恩格斯高度评价了中国在火药发明中
的首创作用：“现在已经毫无疑义地证实了，火药是从中国经过印度传给阿拉伯人，又由
阿拉伯人和火药武器一道经过西班牙传入欧洲。”火药的发明大大的推进了历史发展的进程，是欧洲文艺复兴的重要支柱之一。
火药的发明
炼丹家虽然掌握了一定的化学方法，但是他们的方向是求长生不老之药，因此火药
的发明具有一定的偶然性。炼丹家对于硫磺、等具有猛毒的金石药，在使用之前，常
用烧灼的办法“伏”一下，“伏”是降伏的意思。使毒性失去或减低，这种手续称为“伏火”。唐初的名医兼炼丹家孙思邈在“丹经内伏硫磺法”中记有：硫磺、硝石各二两，研
成粉末，放在销银锅或砂罐子里。掘一地坑，放锅子在坑里和地平，四面都用土填实。
把没有被虫蛀过的三个皂角逐一点着，然后夹入锅里，把硫磺和硝石起烧焰火。等到
烧不起焰火了，再拿木炭来炒，炒到木碳消去三分之一，就退火，趁还没冷却，取入混合物，这就伏火了。唐朝中期有个名叫清虚子的，在“伏火矾法”中提出了一个伏火的方子：“硫二两，硝二两，马兜铃三钱半。右为末，拌匀。
掘坑，入药于罐内与地平。将熟火一块，弹子大，下放里内，烟渐起。”他用马兜铃
代替了孙思邈方子中的皂角，这两种物质代替碳起燃烧作用的。伏火的方子都含有碳素，
而且伏硫磺要加硝石，伏硝石要加硫磺。这说明炼丹家有意要使药物引起燃烧，以去掉它
们的猛毒。虽然炼丹家知道硫、硝、碳混合点火会发生激烈的反应，并采取措施控制反应
白百何 陈羽凡速度，但是因药物伏火而引起丹房失火的事故时有发生。《太平广记》中有一个故事，说汤姆克鲁斯女儿
的是隋朝初年，有一个叫杜春子的人去拜访一位炼丹老人。当晚住在那里。半夜杜春子梦
中惊醒，看见炼丹炉内有“紫烟穿屋上”，顿时屋子燃烧起来。
这可能是炼丹家配置易燃药物时疏忽而引起火灾。还有一本名叫《真元妙道要略》的
炼丹书也谈到用硫磺、硝石、雄黄和蜜一起炼丹失火的事，火把人的脸和手烧坏了，还直
冲屋顶，把房子也烧了。书中告戒炼丹者要防止这类事故发生。这说明唐代的炼丹者已经
掌握了一个很重要的经验，就是硫、硝、碳三种物质可以构成一种极易燃烧的药，这种药
被称为“着火的药”，即火药。由于火药的发明来自制丹配药的过程中，在火药发明之后，曾被当做药类。
《明熹宗实录》：“天启二年十二月二十日辛巳，援辽总兵毛文龙以登抚袁可立所遣
管运参将黄胤恩、推官孟养志等发到粮饷并布疋、军器、火药等物，复蒙颁给敕印、旗牌，授以援辽总兵便宜行事，具谢恩。”《本草纲目》中就提到火药能治疮癣、杀虫，辟
湿气、瘟疫。火药不能解决长生不老的问题，又容易着火，炼丹家对他并不感兴趣。火药
的配方由炼丹家转到军事家手里，就成为中国古代四大发明之一的。
球状火药包扎在箭杆头附近，点着引线以后，用弓箭将火药射出去烧伤敌人。还有把
火药、毒药，再加上一些沥青、桐油等，做成毒球，点着以后，用弓箭射出，杀伤敌人是
后来的“万人敌”。到了宋朝，人们将火药装填在竹筒里，火药背后扎有细小的“定向棒”，点燃火管上的火硝，引起筒里的火药迅速燃烧，产生向前的推力，使之飞向敌阵爆炸，这是世界上第一种火药火箭。以后又发明了火和，这些都是用竹管制成的原始管
形火器，是近代炮的老祖宗。
造纸术
人们都知道蔡伦造纸，实际上，在东汉蔡伦大规模造纸之前，中国人就已经发明了造
纸术，20世纪在中国各地出土的许多西汉时期的古纸片，可以证明这一点。这并非否定蔡