古代科技

《夢溪筆談》中的煉鋼和指南針

譚夢溪整理
天工開物插圖。(公有領域)
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編者的話:現在的人都認為現代科學很發達,是古人難以想像的。但從北宋沈括(1031年─1095年)所著《夢溪筆談》中記載的宋朝,以前在天文學、數學、物理學、地理學、地質學、氣象學、生物學、醫藥學、考古、語言、史學、文學、音樂、繪畫以及財政、經濟等等的發現和成就來看,事實並非如此。通過介紹《夢溪筆談》,我們與讀者分享中國古代科學的成就。

沈括。(公有領域)

關於灌鋼的技術,南北朝南齊、梁時期的醫學家兼煉丹家陶弘景(約452─536年)曾有過記述:「鋼鐵是雜煉生鍒作刀鐮者,生指生鐵,鍒指熟鐵,這就是灌鋼。 」(《圖經衍義本草》)北齊的道士纂母懷文也是較早的灌鋼的實踐者之一。據說他「造宿鐵刀,其法燒生鐵精,以重柔鋌,數宿則成鋼」。(《北齊書》)

無款陶弘景像。(國立故宮博物院提供)

灌鋼

南北朝發明的這一灌鋼技術,在宋朝已成為主要的煉鋼方法之一。這在《夢溪筆談》中有詳盡的描述,沈括將它比做洗麵筋,非常具象。譯成白話文如下:

現在世上的鋼鐵,是將熟鐵條屈曲地盤繞著,把生鐵塊嵌在盤繞著的熟鐵條之間,用泥把爐密封起來燒煉,待煉成後再加鍛打,將它們鍛煉在一起,稱為「團鋼」,也叫「灌鋼」。這其實是假鋼,靠的是生鐵的硬度,再煉二三次,生鐵就煉熟了,就成了軟鐵了。天下人沒覺得這有什麼不對,是因為不知道什麼是真鋼。

我曾到過磁州的鍛坊,在那兒觀察煉鐵過程,才知道什麼是真鋼。鐵中的鋼,就像麵中的筋,軟麵不斷淘洗,麵筋才顯現出來。煉鋼是一樣的道理,用精鐵,鍛煉百多次,每鍛煉一次後,稱重都會輕一些,直到鍛煉到重量不再減了,就是純鋼了,再怎麼煉重量也不會減了。鋼是鐵中精純的部分,顏色乾淨明朗,打磨光後,顯青黑色,和一般的鐵很不同。也有的鐵煉光了也不見鋼,這取決於鐵的產地了。

天工開物。(公有領域)

指南針

指南針是中國古代四大發明(指南針、造紙法、印刷術和火藥)之一。北宋沈括的《夢溪筆談》中載:「方家以磁石磨針鋒,則能指南,然常微偏東,不全南也。」這是關於利用天然磁體進行人工磁化以及地磁偏角的最早記載。

「磁偏角」是因為地球上的磁極和南極、北極稍微有一點偏差。指南針的N極和S極,沿磁子午線分別指向北磁極和南磁極,磁子午線和地理子午線是不一致的,它們之間存在著一個夾角,科學上叫作「磁偏角」。西方到公元1205年,法國人古約(Guyot de Provins)才記載了用同樣方法製造指南針,公元1492年意大利人哥倫布(Christopher Columbus)才發現地磁偏角,比沈括晚了400多年。

在《夢溪筆談》卷二十四中,沈括描述了指南針的4種使用方法:

(1) 水浮法:在盛水的碗裡,把指南針放在水面上指示南北方向。

(2) 指甲旋定法:把磁針放在手指甲上輕輕轉動來定向。

(3) 碗邊旋定法:把磁針放在光滑的碗邊輕輕旋轉磁針來定向。

(4) 縷懸法:將單股蠶絲線用蠟粘在磁針的中部,懸掛於空中指南。這種懸掛式指南針,須在無風處使用。

根據試驗比較,沈括認為這4種方法中,縷懸法最方便使用。因為指甲和碗邊上很光滑,指南針容易滑落。而水浮法,受水波動影響,針不容易靜止下來。

沈括在900年前提出的方法,有的至今仍在使用,如現代的磁變儀、磁力儀的基本結構原理,就是採用了沈括所說的縷懸法原理。而航海中使用的重要儀表羅盤,也大多是根據水浮磁針這一原理設計而成的。

公元1119年,北宋朱彧在《萍洲可談》中第一次記載了指南針用於航海:

「舟師識地理,夜則觀星,晝則觀日,陰晦觀指南針。」中國是世界上最早應用指南針於航海的國家,有了指南針,才可能有鄭和七下西洋的壯舉。西方公元1190年英國人納肯(Alexander Neckam)才有指南針用於航海的記載。如今,中國發明的指南針,已被廣泛運用於航空、航海、採礦、探險各個領域。

在開封展示的勺碗形、用於漢朝(前202年─220年)風水堪輿的指南針模型。(公有領域)

——摘自正見網(《夢溪筆談》:煉鋼《夢溪筆談》:指南針

責任編輯:李梅#

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