第一节 三大发明，名扬海外

北宋开国以后，经过整顿，出现了一段相对安定的时期，在这段时期里，宋朝经济、文化都得到了发展，一些大的城市也繁荣起来。当时皇室、贵族和官僚、士大夫，标榜文治，整天歌舞升平；同时市民阶层对文化娱乐的要求也日益增强。

沈括经过刻苦钻研，发明了悬式指南针，人们将指南针应用于航海，获得了远距离航海的能力，标志着定量航海史的开始。

指南针最早可追溯到汉代，人们称它为司南。北宋初年，司南逐渐演变成指南鱼、指南针。沈括在《梦溪笔谈》中讲述了丰富、发展了关于磁针的制法和用法。他说：“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。”这就暗含了对地磁偏角的认识。他亲自试验了安置磁针的四种方法，把磁针横贯灯芯浮在水上，架在碗沿上或指甲上，还可以用缕丝悬挂起来。接下来还对这四种方法的优劣进行了分析。这几种方法中，用丝线悬着是最好的。关于用蜡烛悬丝，他着重指出了新纩（音框，丝棉）蚕缕，这种纤维有均匀的弹性和良好的柔韧度，用蜡烛粘而不会产生扭转，这样就完全可以保证指向的准确性。南宋陈元靓在《事林广记》中，还介绍了当时民间流行的指南针的另一种形式，就是木刻指南鱼、木刻指南龟。这里所说的指南鱼是把一块天然磁石塞进木鱼腹里，让木鱼浮在水上来指示南方。而指南龟与指南鱼有些相似，磁石安置在木龟腹里，但它的装置方法相当特别：在木龟的腹部下方挖一小洞，然后把木龟安在竹针子上，让它自由转动。这就相当于给了它一个固定的支点，拨转木龟，等它静止以后，就可以指示南北了。与近代指南针的支轴形式大体相似，现代的指南针被安装在一个支针的两顶点之上的，这个以其自身顶点支撑指南针的支针被称为“旱针”。早在南宋时期，便出现了类似于“旱针”的装置。

沈括所说“方家以磁石磨针锋，则能指南”，还揭示了古人制作人造磁体的一种方法，那就是摩擦传磁法。这种方法其实很简单，就是通过针与磁石摩擦，利用磁石的磁性，使针内的分子按照一定规则排列，这样磁针指示南北的能力就会加强。如此简捷方便的方法，其发展与推广对指南针的生产和应用也起到了举足轻重的作用。

北宋初年曾公亮主编的《武经总要》（1044年成书）还记载了一种造“指南鱼”方法。“以薄铁叶剪裁，长二寸阔五分，首尾锐如鱼形，置炭火中烧，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。用时置水碗于无风处，平放鱼在水面令浮，其首常南向午也。”他十分详尽地叙述了这一制造人造磁针的方法，按现代的观点，将铁片加热，温度高于居里点以上，铁的磁畴瓦解成顺磁体，铁片出炉后沿南北方向旋转，即循着地球磁力线，突然入水冷却，磁畴便有规律地排列，显出极性来。这样形成铁片浮在水面就会指向南北向，并且磁顽力较高，永磁性能较好，被称为马氏体。有意思的是铁鱼入水冷却时必须取南北方向，并且使鱼形铁片取南北方向与水平面成一角度，这样可使鱼更加接近地磁场方向。这是人们已意识到有一倾角存在，很好地利用了地磁感应。使用指南针时应配上方位盘，不久就出现了把磁针和方位盘联成一体的罗经盘，又叫罗盘。人们根据方位盘上针的指示来断定方位。南宋曾三异《因活录》写道：“地螺或有子午正针，或有子午丙壬间缝针。”文句提到的“地螺”就是罗经盘。这种罗盘不但有用磁针确定地磁南北极方向的子午正针，还有用日影确定地理南北极方向的子午丙壬间缝针，两个方向的夹角就是磁偏角。

北宋宣和年间（11191125年），朱彧撰写《萍州可谈》，里面记载了10941102年间他在海船上使用指南针的情况，其中是这样写的：“州师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针。”当时还只是在见不到日月星辰的日子里才使用指南针。宣和五年（1123年）徐兢（10931155年）出使高丽，他撰写的《宣和奉使高丽图经》详尽地论述了他们航经黄河、渤海时的情况，而且也提到了他们利用指南针导航的经历。“若晦冥，则用指南浮针，以揆南北”意思是说，到晚上不可以将船停在海洋中，应观看天上的星斗来决定前进的方向，如果天太黑就必须求助于指南浮针，用以指示南北。这两条是世界上目前关于利用指南针航海的最早记录，比1180年英国奈开姆的记载要早七八十年。南宋吴自牧在《梦粱录》中写道：“风雨冥晦时，唯凭针盘而行，乃火长掌之，毫厘不敢差误盖一舟人命所系也。”这些话也反映了指南针在航海中的地位和作用。

航海罗盘上定二十四向，二十四向早在我国汉代就有记载，北宋沈括地理图上也提到过二十四向。把罗盘三百六十度分为二十四等分，相隔十五度为一向，也叫正针。另外，在两个正针中间的夹缝称为缝针，因此航海罗盘有四十八向。大约南宋时已发明了四十八向。四十八向每向间间隔是七度三十分，这要比西方的三十二向罗盘定向精确得多。南宋以后使用有罗经盘的指南针导航，一条航线由许多针位点连接起来，这就是“针路”。把针路方向记录于纸，作为航行的依据，这就是“罗经针薄”。针经的记载进一步导致航海图的出现。

火药也是我国的一个重要发明，它是由我国的炼丹家发明的。有些炼丹家在炼制长生不老灵药时，很注重水银和硫黄的使用，因为它们可化合生成硫化汞。另外，硫黄还可以和其他金属化合。于是炼丹家都认为它是能够制服金属的奇异物质。硫黄性质活跃，非常易燃。为了控制硫黄，炼丹家把硫黄和其他物质一起加热成化合物，以降低它的易燃度，这种方法称为“伏火法”。在硫黄与各种物质反应的实验中，他们发现，把硫黄、木炭和硝石放在一起进行加热时，极容易发火或者爆炸。古时候，炼丹家常常又是医药家，硝石和硫黄在我国医书里也是两种可以治病的药材，所以把它们和木炭的混合物称作火药，原意是会着火的药物。火药也就由此而得名。

7世纪，唐朝的孙思邈就已经掌握了火药的初步配方，但在当时，火药并没有什么实际的用途，也就鲜为人知，更没有广泛的应用和大量生产。

但是后来火药却在军事上显示出了巨大的威力，火药于宋代开始应用于作战，标志着武器史的一大进步。火药武器显示出前所未有的本领，在军事上备受推崇，同时火药武器的出现也推动了火药的生产和研究。北宋曾公亮主编的《武经总要》（1044年），不仅描绘了许多火药武器，还记载了当时的三种火药：制毒药烟球，用焰硝三十两，硫黄十五两，木炭五两，外加巴豆、砒霜、狼毒、草乌头、黄蜡、竹茹、麻茹、小油、桐油、沥青等；制蒺藜火球，用焰硝四十两，硫黄二十两，木炭五两，外加竹茹、麻茹、小油、桐油、沥青、黄蜡、干漆等；制火焰，用焰硝四十两，硫黄十四两，木炭十四两，外加竹茹、青油、桐油、黄蜡、干漆、砒黄、黄丹、淀粉、浓油等。虽然这三种火药配方各有不同，但主要成分都是硝、硫、炭。而硝的比重已明显加大，以至于达到硫和炭的总和，这已经接近后来黑火药中硝占75%的配方。可见这个时期火药已经发展到一定的水平了，还可控制配料，加入其他成分以便起到燃烧、爆炸、放毒和制造烟雾等作用，甚至可以做成大的火药包，并且做不同的用途。比如，蒺藜火球也是火药包，里面除了装火药外，还装有带刺的铁蒺藜，火药包一炸，铁蒺藜就飞散出来，这样就可以阻止骑兵前进。毒药烟球有点像毒气弹的雏形，里面装砒霜、巴豆之类毒物，燃烧后这些毒物呈烟状，到处飞散，能使敌方中毒。