你知道我国古代的指南针是如何制作的吗？
大家都知道，指南针是我们古代的“四大发明”之一，对中国和世界文明的发展史都产生了巨大的作用。但是，说到古人是如何制作指南针的，可能知道的人就不太多了。我们今天就来简单地聊一下这个问题。
我们先从最早的指南针说起。我国古代最早的指南针叫“司南”，是用天然磁石打磨出来的，样子象一把小勺。东汉王充的《论衡》中就是这样记载的：“司南之杓，投之于地，其柢指南”。“杓”，就是“勺”，“柢”，就是杵柄的意思。
为什么要做成小勺的模样？可能有两个原因，一个是符合我国古代“法天象地”的思想。小勺象征着北斗七星。另一个就是比较实用：底部是球形，摩擦力小，容易转动；勺中被挖空，重心低，稳定性好；而勺柄则可以增强转向的力量，有利于快速完成指向。
到唐代的时候，出现了铁制的指南针。在晚唐的一些有关风水的书籍中就有“指南浮针”的记载。和天然磁石相比，铁的强度和韧性都高得多，易于制作，成本低，同时又不怕摔，方便携带，更加耐用。更为重要的是，天然磁石的磁性比较弱，而铁的磁性要高出好些倍……于是古朴的“司南”就慢慢退出，而更加灵巧、秀气的铁制“指南针”很快就流行起来。
但有一个问题，司南是用天然磁石制作的，所以能指南。但铁的磁性从哪儿获得呢？
这得从内外因两个方面说起。
从内因上看，铁是具有磁性的。它的磁性主要源于其原子内部的电子结构，铁原子最外层的电子具有未成对的自旋状态，这些电子在外加磁场的作用下会倾向于统一方向排列，形成一个小范围的自发磁化区，叫磁畴。但为什么铁通常没有磁性呢？那是因为这些磁畴的指向是随机分布的，分别指向不同的方向，因此作为一个整体，对外并不显示出磁性。只有通过外因的作用也就是外在的磁场的作用下，使所有的磁畴向同一方面排列，也就是极化方向相同时，其磁性才能表现出来。也就是我们常说的，被“磁化”了。
那么问题来了，如何给铁针施加外加磁场呢？
宋朝沈括的《梦溪笔谈》中给出了一个答案：“以磁石磨针锋”。就是让铁针和磁石相互摩擦而磁化——这就是我们如今常见的一种使非磁性材料获得磁性的所谓“摩擦磁化”技术。从原理上看，主要是通过摩擦使物体内部的磁性粒子或磁畴按同一方向排列。古人虽然不了解这些，但从指南针的成功制作看，他们显然掌握了这种技术的奥妙之处——必须顺着一个方向摩擦，不能来回随意磨来磨去。
“摩擦磁化”应该是古代应用最广的一种制作指南针的方法。只要手中有几块磁石，想磁化多少铁针都可以，成本相当低廉。不过，“摩擦磁化”是在等温条件下进行的，稳定性往往不太好。所以很考验古代的工匠们的手艺——比如铁针渗碳、淬火恰到好处时，所制得的指南针可能就会灵敏很多。
除了“摩擦磁化”，古人还掌握了在没有磁石的条件下制作指南针的技术。
在北宋的《武经总要》中，记载了一种很特别的“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。用时置水椀（碗）于无风处，平放鱼在水面，令浮其首，常南向午也”。这段文字大致意思就是：将薄铁片裁剪成长二寸、宽五分的小鱼形状，放在炭火中烧到通红，用铁钳夹住鱼头取出，让鱼尾正对北方进行淬火。然后收置在密器中。用的时候将鱼放在水面上，鱼首通常会指向南方。
这种制作指南针的“鱼法”有什么特别之处呢？就是没有磁石出现，更没有摩擦的行为，但铁片鱼却磁化了。这又是怎么回事呢？
关于这个问题，有三种解释：
第一种认为那个密器里面可能有磁石（或者密器就是磁石做的）。这个方法纯属猜测，没有什么依据。
第二种是主流观点，认为是热剩磁的作用。什么是热剩磁呢？就是物质从高温（居里点以上）逐渐冷却时，受恒定磁场的作用，从通过居里温度开始受磁化所获得的剩磁。那这个恒定磁场是什么呢？就是地磁场。从上面的介绍我们可以看到有两个细节，一是铁片鱼被烧红，此时温度应该超过770℃（铁的居里温度），二是取出后进行淬火时一定要头向南尾向北放置，这个正是顺着地磁的方向。这个在理论上似乎没什么问题，但没有人用实验验证过。
第三种观点是最近中国科学院的一位研究人员提出的。他在重复《武经总要》中“鱼法”的实验中发现一个奇怪的现象：“指南鱼”指南的部位，就是淬火时铁钳夹住的部位。如果夹住的是鱼头，头就指南，如果夹住的是鱼腹，鱼腹就指南。经过一番研究后终于找到问题所在，原来铁钳是带磁性的，强度比地磁场高出几十倍。然后进一步研究又发现，如果不用铁钳夹，改用别的东西将“鱼”取出淬火，即使沿着南北方向摆放，得到的“指南鱼”也没有磁性，不会指南——这个实验否认了上面所说的主流观点。
以上观点，不管哪个正确，我们的古人都是不知道的。但他们却天才地发明了“鱼法”这种独特的指南针制作工艺。这大概也是我国古代“应用技术”遥遥领先于“理论科学”的一个证据吧。
