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第四部分 石敬塘割让燕云十六州第53节 指南针的发明
在古代，各民族的先民们面对茫茫海洋，虽然有探险探秘的愿望，但是由于技术的限制，总是无法如愿。即使是以航海着称的古希腊人，也不过是在相对比较风平浪静的地中海海域称雄。对于茫无边际的大洋，也只有“望洋兴叹”。其实，并非是由于造船技术限制了古人们的越洋交流，更主要的是由于在海上无法辨别方向，虽然有可以横渡大洋的船只，也会在海上迷路，葬身海底。因此，指南针的发明可以说是给海船装上了眼睛，为航海业的发展提供了最基本的技术条件。指南针是中国最早发明的，但它是经过漫长的岁月逐渐发展改进而成的。
从“司南”到“指南鱼”
对于在海上和陆地上定向的工具，中国的先民们有许多记载和传说。据说黄帝在与蚩尤交战时，曾经发明过“指南车”，可以在大雾弥漫的天气下准确辨别方向，不至于迷路。这可能是关于“指南针”的最早探索。但是，后人根据古书的记载，多次想重新制作“指南车”，却一直无法成功。因此，“指南车”之说是否确切，是可以存疑的。
然而，利用磁铁的特性制造出的指南针，却是中国人的伟大发明。指南针的发明可以追溯到周代，距今已有二千五百年至三千年的历史。大约在春秋战国时代，中国人就已经发现了磁石和它的吸铁性。《韩非子·有度篇》里记载“先王立司南以端朝夕”，这里的“先王”是周王，“司南”就是指南针，“端朝夕”是正四方的意思，是指指南针的用途。在古代文献里还有记载郑人到远处采玉，要带上司南，以便不迷失方向。春秋时齐国著名政治家管仲在他所着的《管子》一书中有这样记载：“上有慈石者，下有铜金”。“慈石”就是磁石，“铜金”就是一种铁矿。可见至少在2600年前的管仲时期，已经知道磁石的存在，并已掌握了磁石能够吸铁这一性能了。
磁石有两个特性：一是吸铁性；二是指极性。也就是说磁石有两极，能够指示南北。磁石的吸铁特性中国战国时代的古人和古希腊的先民都已发现，而发现磁石的指极性则欧洲比中国晚得多。
磁石能指示南北的特性，不太容易被发现。因为一般情况下磁力小、摩擦力大，磁石两极不能自由旋转到南北向。中国在战国时代最早发现了磁石的指极性，并利用磁石能指示南方的性能，制作成指南工具——司南。“司”字意为掌管，现在仍有“司机”、“司炉”、“司令”等词，这几个“司”字的本意都是相同的。
但是司南也有其局限性，用磁石制造司南，磁极不容易找准，而且在琢制勺的过程中，磁石因受震动而会失去部分磁性。再加上司南在使用时底盘必须放平，而且司南的体积也比较大，因此，古人在发明了司南之后，又不断改进指南工具。继司南之后，中国人的祖先又制成了一种新的指南工具——指南鱼。
按照现代科学的眼光来看，古人是将钢片在炉火中烧红的方法使铁磁质中的磁畴活动起来，由于地球有磁性，把烧红钢片沿着地球磁场的方向冷却，钢片在冷却时靠地球磁场的作用使磁畴有规律地排列，这条钢片鱼就有了极性，成了一条指南鱼。冷却时鱼尾向下倾，由于地球磁倾角的作用，可使磁性增强。
《梦溪笔谈》中记载了指南针的制作方法
由于地磁场的强度不大，所以指南鱼的磁性也很弱，古人渐渐觉得指南鱼的指南效果仍不理想。能不能有一种更理想的指南工具来代替指南鱼呢？古人在继续不断地试制摸索。就在钢片指南鱼发明后不久，又有人发明了用钢针来指南，这种磁化的小钢针可算是世界上最早制成的真正的指南“针”了。
北宋著名科学家沉括（约公元１０３３－１０９７年），在科学技术方面取得了杰出的成就，北宋时期中国许多重大的科学发明，例如活字印刷、指南针等应用技术，都是借助于沉括的记载而得以流传的。指南针能指南，但还必须为它创造一个可以自由转动的条件。沉括在他《梦溪笔谈》一书中，提到了指南针的几种用法。
一是水浮法，把指南针放在有水的碗里，使它浮在水面，指示南北方向。二是指甲旋定法，把磁针放在手指甲上轻轻转动后来定向。三是碗唇旋定法，把磁针放在光滑的碗边通过旋转磁针来定向。四是缕悬法，在磁针的中部涂一点点蜡，用一根细丝线沾上蜡后，悬挂于空中指南。这种悬挂式指南针，必须在无风处使用，但使用起来比较方便。
根据试验，沉括认为这四种方法中，要算缕悬法最好。因为指甲和碗边上很光滑，指南针容易掉下去。而使用水浮法时，水若振荡，针就难以静止下来了。
沉括在９００年前提出的这四种方法，有的至今仍有实用价值，如现代的磁变仪、磁力仪的基本结构原理，就是采用了沉括所说的缕悬法原理。而航海中使用的重要仪表罗盘，也大多是根据水浮磁针这一原理设计而成的。
沉括还是世界上最早发现磁偏角的人。“磁偏角”是因为地球上的磁极和南极、北极稍微有一点偏差。指南针的南极和北极，沿磁子午线分别指向北磁极和南磁极，磁子午线和地理子午线是不一致的，它们之间存在着一个夹角，科学上叫作“磁偏角”。世界各地的磁偏角是不同的，有的偏东，有的偏西。
沉括在《梦溪笔谈》第２４卷中写道：“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。”这是世界上现存最早的磁偏角记录。在西方，直到公元１４９２年哥伦布在横渡大西洋时才发现磁偏角这一现象，比沉括晚了４００多年。
影响：开创航海新时代，推动地理大发现
指南针发明后，很快用于航海，对社会发展起到了重要作用。中国也是最早把指南针用于航海事业的国家。从此，海船有了眼睛，再不会迷失方向，这样，就把航海事业推进到了一个新的时代，促进了各国之间的经济贸易和文化交流。指南针传到世界各国以后，各国也都用指南针来帮助航海了。正因为指南针起的作用很大，所以人们把它列为中国古代的四大发明之一。著名的科技史专家李约瑟指出：“指南针的应用是原始航海时代的结束，预示着计量航海时代的来临。”有了指南针，促进了中国航海事业的发展，才可能有郑和七下西洋的壮举。
指南针技术传入欧洲后，推动了欧洲航海事业的发展。１５世纪末到１６世纪初，欧洲各国航海家纷纷将指南针用于航海，他们不断探险，开辟新航路，发现了美洲，完成了环绕地球的航行。马克思曾这样说过：“指南针打开了世界市场，并建立了殖民地。”
第四部分 石敬塘割让燕云十六州第54节 火药的发明
在冷兵器时代，火器的运用无疑是一种革命性的进步。中国人很早就探究火器的应用，最早使用的火器是“火箭”。“火箭”最早出现在三国时代，蜀汉建兴七年（公元229年），诸葛亮率兵攻打陈仓（今陕西宝鸡市东）。魏国守将郝昭指挥士兵用“火箭”向架云梯攻城的蜀军怒射，云梯燃烧，蜀军受挫。不过，郝昭使用的火箭只是在箭杆上绑上易燃引火物，点燃后靠弩弓放射出去的，这还不是我们所说的火箭。我们所说的火箭，是靠自身携带的燃料燃烧产生的气体喷射的反作用力推进的。但是它跟火药的发明密切联系在一起。火药发明后，真正意义上的火器才正式出现。
火药是中国古代炼丹家在炼丹过程中发明的。人类最早使用的火药是黑火药，它是我国劳动人民在一千多年前发明的。它的发明，闻名于世，被称为我国古代科技的四大发明之一，在化学史上占有重要的地位。
炼丹方士的以外发现
炼丹术在中国起源甚早，据史书所载，至少在战国时期，即已有方士炼制不死之药，且自始即受统治阶级的支持与鼓励。因此，历代总有或多或少的所谓方士在进行炼制“长生不老”仙丹的实验，也累积了一些实际的经验与文字记录（如东汉魏伯阳撰的《周易参同契》即为一例）。三国以后，这些方士逐渐托身于应时而兴的道教行列，大批的道士开始学习与尝试炼丹的工作，于是炼丹术与新兴的道教结合了起来。随着道教的在我国日益盛行，炼丹术也随之日渐发达，奠定了我国火药与养生医学发展的基础。
炼丹家始终认为：如果在适当条件配合下，一种物质经过若干程序处理后，若与另一种物质相结合，则可以自动的将其原有的特质转换到另一种物质身上，而凡人也有接受这种变化的可能。因此，他们利用烧炼的方法，企图将一些不易腐坏的物质，特别是如黄金、白银等矿石制造成易于吞食的丹丸，经由人吞食后，将其中“不腐不坏”的特质为人所吸取，以达到长生不死之效。上述理论今日看来显然是无稽之谈，然而自秦汉至隋唐之间的炼丹家却深信不疑，许多企盼长享荣华富贵的帝王贵族们亦颇以为是。在这种背景的推动下，烧炼矿石设法使其体积变小硬度变软，并去除其中原有的毒性，使其成为可吞食的丹丸，遂成为方士炼丹的主要内容。而矿石中的硫黄为炼丹家最常用的药物之一，因硫黄可改变其它矿石的形态外貌。
硝石（其成分为硝酸钾）则为古代制溶解金属溶液的主要原料之一。因此，在利用燃烧方式制造丹丸时，可能由于偶然不慎将硫黄与硝石同时掉到炭火上，引发了产生火焰甚至爆炸声响。炼丹家们从实际的经验或有意的实验中了解到，将适量的硫黄与硝石混合再加上木炭会着火甚至爆炸。晋代著名的道士葛洪在他撰写的《抱朴子·仙药篇》里有用雄黄、硝石、猪大肠油和松脂共炼丹药的记载。雄黄含有大量的硫，硝石是强化剂，猪大肠油和松脂含有炭，硫、硝、炭是火药的基本成份，这实际上已经是一种火药了。
迄今为止，可以考证的最早的火药配方，保存在唐元和三年（公元808年）清虚子撰写的《铅汞甲庚至宝集成》卷二之中，称“伏火矾法”。其内容为：“硫二两，硝二两，马兜铃（草药，烧燋即炭）三钱半。……入药于罐内与地平。将熟火一块、弹子大，下放里面，烟渐起。”中唐时期的《真元妙道要略》一书里记载：“以硫黄、雄黄合硝石并密烧之，焰火烧手面及烬屋舍者”；“硝石……生者不可合三黄（即硫黄、雄黄和雌黄）等烧，立见祸事。”可见当时人们已经知道火药燃烧和爆炸的性能。中国人民至迟在公元9世纪已发明了火药。
火药武器的应用
虽然初唐以后的炼丹家已熟知火药配方，但是由于唐代帝王贵戚对成仙之事十分着迷，他们所支持的炼丹家们其主要的工作仍在烧炼仙丹，对于火药配方的使用大体仍限于改变硫黄与硝石的性质而已。
唐末五代时期天下大乱，兵烽四起，许多原先寄食于豪门贵族家中的方士流离失所，部份乃投身军旅而逐渐将火药配方引用至军事方面，相继出现了一系列火药武器，其中之一是“火箭”。它的构造是在一支普通箭杆上绑住一个火药筒，火药筒后部有根引火绳，火药燃烧产生气体，借助气体后喷的反作用力，箭飞向前方。这跟三国时期的“火箭”以及现代火箭发射的原理是相同的。
《宋史·太祖本纪》记载：“开宝九年（公元976年）八月乙未朔，吴越国王进（呈）射火箭军士。”当时的“火箭”，据《武经总要》一书所载曰：“……又有火箭，施火药于箭首，弓弩通用之具。”另外据记载，早在开宝三年（970），即已有官吏向太祖进献〈火箭法〉。故而可以断定，吴越国王所进呈之射火箭军士，其所射之火箭应已为配有火药的火箭。依此推之（吴越早于北宋五十余年已建国），五代的吴越政权时已将火药用于战事当为可信。公元975年，宋太祖灭南唐，就使用火箭作战。公元1000年，北宋神卫水军队长唐福曾因制造火箭等武器受到朝廷嘉奖。
火药武器的出现，受到军事家们的高度重视，发展很快。宋朝的火箭全是单发的，点燃一根火绳发射一支火箭，叫单发箭。到了明代就出现了多发火箭，点燃一根火绳，可以发射出几支、几十支，甚至上百支火箭。多发火箭种类很多，如五虎出穴箭（5支）、火弩流星箭（10支）、火龙箭（20支）、长蛇破敌箭（30支）、一窝蜂（32支）、群豹横奔箭（40支）、百虎齐奔箭（100支）、神火箭牌（100余支）等等。
16世纪中叶，人们又发明一种新式火箭，名叫“火龙出水”。关于“火龙出水”，在明代后期出版的《武备志》、《火龙经》等兵书中都有记载，并附有图样。
这种新式火箭采取龙的形象，其目的在于壮声势，惊敌人。据《武备志》介绍，它的制造方法：先截取一根五尺长的毛竹，去节，刮薄，作为龙身；再用木头雕成龙头、龙尾，分别安装在龙身前后，这样就成为一条龙。龙腹内装有几支单发式火箭，把它们的引火绳总连在一起，从龙头下面的孔洞中引出来。又在龙身的前、后两部，分别倾斜安装上两支大火药箭，把的引火绳也总连在一起。最后，把龙腹内引出的总引火绳连在前部两个火药筒的底部。这样，一个火龙出水的新式武器就完成了。
火龙出水用于水战，面对敌舰，点燃安装在龙身上的四支火箭，这是第一级火箭，它能推动火龙在水面上飞行二三里远；待第一级火箭燃烧完毕，就自动引燃龙腹内的火箭，这是第二级火箭，这时，从龙口里飞出的火