太空时代之前的探索：追忆空间物理的童年（二）
原创 大雁
作者 | 大雁
除了绚丽迷人的极光，地磁现象是空间物理的另一个现象支撑。它主要是指地面上的磁场是随时间变化的，这些变化大多受到太阳活动的影响和控制。
图1.复原的古代司南模型
人们对地磁现象的认识和利用可以追溯到战国时期甚至黄帝时期。相传轩辕黄帝在与蚩尤作战时，遇到大雾，于是就制作了指南车，用以辨别方向。这种指南车很有可能就是利用了磁石指南的原理。在河北磁县，有一座磁山。据章鸿钊编著的《古矿录》记载，早在战国时期这里就出产一种具有“吸力”的石头，因为慈祥的母亲也有“吸力”，所以最早叫做“慈石”，后来随着汉字的演化而称为“磁石”。《鬼谷子》记载：“郑人之取玉也，必载司南之车，为其不惑也。”说明当时人们开采玉石时，已经使用指南车来指示方向。《淮南子说山训》记载：“磁石可吸铁，及其于铜，则不行也。”这明确描述了当时对磁石的认知。汉武帝年间，凭借在皇帝面前吹牛可以通神的“胶东宫人”栾大，就是用磁石做成的棋子给皇帝“验了小方”，才被皇帝封为“五利将军”。东汉时期，王充的《论衡·是应篇》说：“司南之勺，投之于地，其柢指南。”这说明我国在东汉之前甚至更早已经用磁石来指示方向——把磁石打磨成勺子形状，放在一个标有方位的方形盘上，这就是司南。后来，磁石做成长条形、针形、鱼形等，可以用支点、线悬以及水浮等方式来保证磁石的自由转动，唐代广泛用于风水学的“堪舆术”，做成标有八卦方位和风水学标识的罗盘，为当时贵族和皇族的大宅、宫殿以及陵墓确定方位。宋代沈括的《梦溪笔谈》中，详细记录了指南针的做法：“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。水浮多荡摇，指爪及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬为最善。其法取新渡中独茧缕，以芥子许蜡缀于针腰，无风处悬之，则针常指南。”这被认为是指南针的最早记录。而实际上，指南针经历了长时间的演化，其实际应用的历史，应该早于《梦溪笔谈》的记录。
图2.中国科技馆华夏之光展厅中的水浮磁鱼
1119年，北宋朱彧的《坪洲可谈》记述了当时航海时辨认方向的方法：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，隐晦则观指南针。”晚上看星星，白天看太阳，阴天时就靠指南针辨别方向。指南针传入西方，也被用于航海。12世纪下半叶，英国小镇圣奥尔本斯有一个叫做尼甘（Alexander Neekan）的和尚，在著作中记载了磁针可以指北，用一个支点把磁针支起来，就可以用来在阴天时指示方向。14世纪的官方记录表明，欧洲人已经普遍使用指南针来给海上航行的船只导航。
《梦溪笔谈》中还描述了磁针（南极）“常微偏东，非全南也”，这与我国大部分地区磁偏角（北极）向西偏是一致的。欧洲对于磁偏角的认识则晚了300多年。1544年，德国纽伦堡市圣泽巴尔德小镇的牧师哈特曼（Georg Hartmann）在一封信中记述了测量于1510年的罗马和纽伦堡的磁偏角分别为东偏6度和10度。
地磁场不仅存在水平面内的磁偏角，而且存在竖直平面内的磁倾角，也就是地磁场方向与水平面的夹角。在这点上，欧洲走在了前面。1576年，英国科学家诺曼（Robert Norman）最早测量了磁倾角。这多多少少为吉尔伯特（William Gilbert）提供了启发和线索。吉尔伯特本是英国剑桥大学的医学博士（后来被任命为英国女王伊丽莎白的首席私人医生），但他长期对磁现象很感兴趣。在1600年的《论磁》一书中，他提出地球就是一个大磁体，称为偶极子磁场，并且给出了不同纬度上的磁场方向。吉尔伯特认为地球磁场是不变的，并且地球在太空中就靠它来定向。而实际上，地球磁场是随时间变化的，与地球的定向无关。
图3.地球磁场的偶极子形态。磁场的北极在南半球，磁场的南极在北半球。图片来源于网络
过了一个世纪以后，英国科学家哈雷（Edmund Halley），因为发表了地磁理论的论文，而受到英王威廉三世的关注和信任。英王给他两艘科考船，让他在1698年和1700年分别奔赴北大西洋和南大西洋进行地磁的测量和考察。这是最早的纯粹地以科学为目的的考察。在这两次考察的基础上，哈雷制作了大西洋的地磁航海图，最早提供了大范围的地磁分布情况。
图4.中国科技馆华夏之光展厅的英国旱罗盘模型。除了指南针较长、较轻之外，盘面还表明了最小为1度的刻度，有利于发现角度的微小变化
英国钟表匠格雷汉姆（George Graham），15岁离开家乡，到伦敦的一个钟表行当学徒，后来不仅成为钟表大师，还为哈雷这样著名的天文学家设计和制造了许多天文仪器。1722年，格雷汉姆无意间发现指南针总是在按照某种规律运动，小磁针在早上和下午、白天和晚上的指向不同。瑞典科学家摄尔修斯(Anders Celsius)也注意到这种变化。摄尔修斯就是提出摄氏度的那位科学家。他的助手海奥特（Olof Hiorter）为了进一步弄清楚地球磁场变化的规律和原因，在近三年持续观测的基础上，发现了地球磁场的日变化。这是由于地球上空受到太阳照射而电离的高空大气中的电离层电流涡造成，观测者随着地球自转，就可以在一天里扫过这样一个电流涡所产生的磁场，形成了地球磁场的日变化。瑞典地处北欧，靠近北极圈，因此海奥特具备观测极光的天然条件，而格雷汉姆又善于观察磁场的细微变化。1741年4月5日，他与伦敦的格雷汉姆在极光爆发中同时观测极光和地磁场的变化，结果发现地磁场的变化与极光活动有着密切联系。这使空间物理的两大现象支撑第一次联系起来，也是我们在前面追溯古代磁石现象的原因。
至此，人类开始对地球上的磁现象由现象认知和简单应用转向了科学探索，随后将在你来我往的质疑、思考和探索中展现科学精神。且听下回分解。
- 作者信息 -
大雁，有情怀的空间物理学博士，关注科普的一线科学家。
