书城自然物理:在辉煌的历史里
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第8章 磁现象与电现象记载

古代关于磁学的知识相当丰富。我们祖先对磁的认识,最初是从冶铁业开始的。古籍中记载了很多有关磁学知识。磁与电有本质上的联系。古代对于某些静电现象的记载,如摩擦起电、地光与极光的电磁现象等,这恰恰是和磁现象相并列的。

秦始皇统一六国之后,自觉功绩可以与三皇五帝相比。他嫌都城咸阳的宫室太小,不足以展现自己君临天下的威仪,就在公元前212年,下令在王家园囿上林苑所在的渭河之南、皂河之西,建造规模庞大的宫殿群落阿房宫。

相传当年秦始皇在建造阿房宫北阙门时,令能工巧匠们“累磁石为之”,故称“磁石门”。磁石门运用了“磁石召铁”的原理,类似现代的安全检查门。

磁石门的作用,一是为了防止行刺者,在入门时以磁石的吸铁性能使隐甲怀刃者不能通过;二是为了向“四夷朝者”显示神奇,使其惊恐却步,不敢有异心,也称“却胡门”。

磁石门的营造,反映了秦国高超的科学技术水平。这在我国乃至世界历史上尚属首创,可以算得上是世界科技史上的一大创举。

其实远在2000多年前,我国古代劳动人民就开始同磁打交道。人们在同磁石不断地接触中,逐渐了解到它的某些特性,并且利用这些特性来为人类服务。古人在寻找铁矿的过程中,必然会遇到磁铁矿,就是磁石。我国古籍中关于磁石的最早记载,是在《管子·地教篇》中:“上有慈石者,下有铜金。”

古代人把磁石的吸铁特性比作母子相恋,认为“石,铁之母也。以有慈石,故能引其子;石之不慈者,亦不能引也”。

因此,汉代初期,都是把“磁石”写成“慈石”。

对于磁石吸铁这一问题,宋代道士陈显微和道教学者俞琰曾经做了探讨,认为磁石所以吸铁,是有它们本身内部的原因,是由铁和磁石之间内在的“气”的联系决定的,是“神与气合”使然。

明代末期地理学家刘献廷在他的《广阳杂记》一书中也说道,磁石吸铁是由于它们之间具有“隔碍潜通”的特性。刘献廷还把铁的磁屏蔽作用理解为“自然之理”。

这种力图用自然界本身来解释自然现象的观点是唯物主义的,考虑到当时的科学水平,也只能作出这样的解释。

我国古代还把磁石吸铁性应用于生产上。清代乾隆年间进士朱琰著的《匋说》记有古代烧白瓷器的时候,用磁石过滤釉水中的铁屑。因为素瓷如果沾有铁屑,烧成后就会有黑斑。

磁石也应用于医疗上,明代医学家李时珍的《本草纲目》记载,宋代的人就用磁石吸铁作用来进行某种外科手术,如在眼里或口里吸收某些细小的铁质异物。这在现代已经发展为一种专门的磁性疗法,对关节炎等疾病显示出良好的疗效。

我国关于地球磁场可以磁化铁物的记载,也常见于一些著作中。如明代方以智的《物理小识》卷八《指南说》的注中引滕揖的话:“铁条长而均者,悬之亦指南。”

磁偏角、磁倾角和地磁场的水平分量称作“地磁三要素”。欧洲人对磁偏角的发现是在哥伦布海上探险途中的1492年,磁倾角的发现还要晚一些。而我国对磁偏角、磁倾角的发现都要早得多。北宋时军事著作《武经总要》所记述的制指南针法,是包含有一定的地磁学知识的。甚至有关磁倾角的知识也反映在这种磁化法中。既然指南针在磁化过程中要北端向下倾斜,这就隐含着当时的人们已经意识到有个倾角的存在。至今所发现的有关磁偏角的比较权威的文献记载,是北宋时期沈括的《梦溪笔谈》。

沈括在磁学上的贡献有如下三点:一是给出了人工磁化方法;二是在历史上第一次指出了地磁场存在磁偏角;三是讨论了指南针的4种装置方法,为航海用指南针的制造奠定了基础。

另外,沈括对大气中的光、电现象也进行了研究。从后来的地磁学发展知道,磁偏角是随地点的变化而变化的,而同一地点的磁偏角大小又随时间的推移而不断改变。这些变化是由于地磁极不断变动所致。至南宋时期,磁偏角因地而异的情况有了更明确的记载,并且被应用到堪舆罗盘上。至元明清时期,堪舆罗盘也都设有缝针,而且不同时期、不同地域所制的罗经盘的缝针方位也都不一致。这可以看成是我国古代关于偏角因时、地而变化的原始记录。

在物理学上,磁与电有着本质上的联系。我国古人把磁现象与静电现象联系在一起,并且统一地归结为“气”,是有意义的。后来人们对于静电吸力的观察更加深入了,发现了一些特别的情况。比如三国时期,人们已经知道“琥珀不取腐芥”。“琥珀”是一种树脂化石,绝缘性能很好,经过摩擦后就能吸引轻小物品。这个现象,汉代以来就为人们所熟知。

“腐芥”是指腐烂了的芥籽,必定满含水分,因而具有黏性,容易粘着别的物体上,难以吸动。另外,腐芥上蒸发出水气使周围空气以及和它接触的桌面都潮湿,以致易于导电。当腐芥接近带电体,因感应而产生的电荷,容易为周围的潮湿空气传走,所以静电吸力一定很小。

可见“琥珀的不取腐芥”不但是事实,而且是符合电学原理的,也是人们深入观察研究摩擦起电现象所得到的一个结论。

古人认为,琥珀经过人手的摩擦,容易起电,才是真的琥珀。可见,古人已经知道以是否具有明显的静电性质,作为鉴别真假琥珀的标准,这是初步的电学知识的实际应用。

摩擦起电在一定条件下,能够发生火星,并伴随轻微的声响。这种称为“电致发光”的现象,在古代也时有发现与记录。

晋代张华《博物志》记载:“今人梳头、脱着衣时,有随梳、解结有光者,也有咤声。”这里记载了两个现象,一个是梳子和头发摩擦起电,另一个是外衣和不同原料的内衣摩擦起电。

古代的梳子,有漆木、骨质或角质的,它们和头发摩擦是很容易起电的;丝绸、毛皮之类的衣料,互相摩擦也容易起电。当天气干燥,摩擦强烈时,确实能有火星与声响。当然这火星与声响是十分微弱的,古人能觉察到,说明十分仔细、认真。古代观察到的电磁现象,比较有代表性的除了雷电以外就是地光与极光。

我国古代关于地光的记载,以各地方志里为最多,例如:《成都志》记载,293年2月4日,成都发生地震之前,“有火光入地”;《正德实录》记载,1513年12月30日,四川“有火轮见空中,声如雷,次日戊戌地震”;《颍上县志》记载,1652年3月24日,安徽颍上地震发生时,“红光遍邑”等。

所有这些文字里的“火光”、“火轮”、“红光”等都是古人形容地光的名词。上述这些记载是如此确切、生动,它们是科学史上极其珍贵的资料。它们的意义在于地光能够反映岩层的活动,和地震有着密切的内在联系,尤其是有助于临震预报。

极光有北极光和南极光。我国地处北半球,故只能看到北极光。高纬度地区看到极光的机会比较多,但在中低纬度地区偶尔也可以看到,不过亮度要弱得多。

一般认为极光的原因在于:太阳发射出来的无数带电粒子受到地球磁场的作用,运动方向发生改变,它们沿着地球磁力线降落到南、北磁极附近的高空层,并以高速钻入大气层,这些带电粒子跟大气中的分子、原子碰撞,致使大气处于电离并发光,这就是极光。各种原子发出不同的色光,所以极光呈现五彩缤纷的颜色:一般为黄绿色,也有白色、红色、蓝色、灰紫色,或者间而有之。

我国古代关于极光的记载很早。远在几千年前传说的黄帝时期就曾出现过“大电光绕北斗枢星”。战国时期的《竹书纪年》记录了大约发生在公元前950年的一次极光:“周昭王末年,夜清,五色光贯紫微。其年,王南巡不返。”描述了极光的时刻、方位和光色,是我国最早而翔实的极光记载,比西方早了600多年。我国古代关于极光的记载是很丰富的。当时没有极光的名称,而是根据各种极光现象的形状、大小、动静、变化、颜色等分别加以称谓。这种分类命名法,最早见于《史记·天官书》,可见至少已有2000多年的历史了。

极光是研究日地关系的一项重要课题,它跟天体物理学和地球物理学都有密切的关系。古代记载下来的极光史料,可以帮助人们了解过去太阳活动、地磁、电离层等变动的规律,还可以探讨古地磁极位置的变迁过程。