來源：中科院地質地球所（ID：dizhidiqiusuo）
引言：羅盤與航海史
指南針的應用是原始航海時代地結束，預示著計量航海時代的來臨。
——李約瑟（中國科學院外籍院士、科學史學家）
在原始航海時代，指南針還沒有被發現應用。人們最早依靠天上的星星作為判斷方向的工具。太陽的東昇西落指明瞭東西向，而北半球的人們在正午時看到的太陽是正南方，又指明瞭南北方向。
那麼夜晚如何辨別方向呢？北半球的人們很早就注意到了重要星象——北斗七星的指北功能，並將其作為定方向、定季節、定時辰的標尺。
北斗七星形態與季節變化
有經驗的水手，能根據北極星和基礎三角法得到離赤道的距離。這個距離的度量就是“緯度”。
只需要簡單地假設北極星在北極的正上方，再測量北極星與地平線的夾角就可以得到緯度。
基礎三角法測量北極星仰角
很多簡單的設備都可以完成這項工作，比如星盤、木頭或金屬製作的簡易儀器都可以精確地測量天體角度。舉個例子，如果北極星仰角為40°，那麼所處的位置就在北緯40°。
在赤道看到的北極星基本在地平線附近，因此赤道為0°；在北極看到的北極星在天空的正上方（粗略假設），北極星仰角為90°，因此北極的緯度為90°。
基礎三角法的幾何原理
在中世紀，歐洲的航海家們往往需要去往南半球。在那裡，北極星隱藏在地平線之下，沒法用來確認位置。而南極的上方也沒有一顆對應的星體，最接近的替代星體是
南十字星，因此它也被水手們用來在南半球確認緯度。
只有在南半球才能看到的南十字星
既然兩極都有可以判定緯度的星體，我們能不能在赤道也找到一顆星體作為判定的依據呢？答案是肯定的，人們發現能通過測量太陽與地平線的角度來測定緯度。但是值得注意的是，我們可以近似假設北極星和南十字星分別在兩極天空的正上方，但是太陽並不會一直照射在赤道上。
由於地球自轉軸相對於地球公轉面是傾斜的，隨著季節變化，太陽相對於赤道的位置會發生改變，這種改變被稱為赤緯（declination），赤緯的存在會導致太陽在天空中的軌跡在一年裡的每一天都會發生規律性的變化，那麼使用這樣一個變動的恆星來測量緯度是否真的可靠呢？
地球公轉示意圖
八世紀的一名穆斯林天文學家
瑪莎安拉（Msha’allah）發明了在正午時通過測量太陽與地平線傾角來確定緯度的方法。要想在地球上任何地方用這個方法精確地測定緯度，還需要一份赤緯表列出一年中每一天太陽與赤道的夾角。
七個世紀後的1473年，20歲的西班牙人Abraham Zacuto才開始在《萬年天體歷》中編寫這套赤緯表，五年後才完成這項工作。又過了十八年，赤緯表才得到普及。
緯度測量有多種手段，經度測量 才是大麻煩。公元2世紀的希臘數學家希帕克斯曾提出，一份地圖應該包括東西向彼此平行、從赤道到極地的緯線，以及南北向穿過緯線彼此並不平行的經線。這些經線在赤道處間距最大，在兩極匯聚。這樣地球就被緯線和經線包裹起來，地表的任何位置都能被這個網格精準地表示出來。
經緯線示意圖
三個世紀後，製圖師克勞迪厄斯.托勒密（Claudius Ptolemy） 創作了《地理學》（Geography），自2世紀中期開始，書中所繪地圖一千年都未被超越。以如今的眼光看來，這份地圖極其不準確，尤其是對地球周長嚴重低估，才導致哥倫布登上新大陸時以為到達了亞洲。
15世紀，人們依據托勒密對人類所至的世界的描述所繪製的地圖，此時北美大陸還沒被發現（來源：Wikipedia）
經度測量如此困難，使得中國羅盤的引入拯救了整個航海事業。這個由中國古代人民發明出來的神奇又簡單的小玩意經由阿拉伯傳入歐洲，並很快被水手們掌握用來定方向。
羅盤的出現讓水手們擺脫了天氣的限制，
在看不見星空的夜晚也能確定位置和航行
那麼羅盤是如何被髮明的呢？
起源與發展：司南和羅盤
指南針的起源可追溯到我國戰國時期（黃帝時期的指南車利用的是齒輪傳動），當時有一種稱為
“司南”的指南器具，那就是指南針的雛形。東漢王充在《論衡》中對司南形制作了描述：“司南之杓，投之於地，其柢指南”。“司”的意思是掌管，司南就是專門掌管南方的裝置。司南的形狀像一隻勺子，把它放在地盤（“地”指的是一個具有24個方位刻度的地盤，即羅盤）上，勺把的頂端就會指向南方。
王振鐸復原的漢代司南
漢代的司南由青銅地盤和磁勺組成。地盤內圓外方，中心圓面下凹，製作光滑，圓外盤面鑄八天干、十二地支和四卦，三者穿插排列。從戰國至隋唐一千多年間，司南一直是主要的指向儀器，利用它占卜天象和歷算也是功能之一。
北宋時期，人們發現了人工磁化的方法，人工磁體開始代替天然磁石，磁針代替了磁勺。人工磁體是利用地磁感應法或摩擦傳磁法制成的。沈括在《夢溪筆談》中總結了指南針的四種製作方法，即水浮法、指甲法、碗唇法、縷懸法，還歸納了指南針的兩大體系——旱羅盤和水羅盤。
最早被應用於航海的指南針是水浮針法的指南針，它是水羅盤地最早形式。徐兢在《宣和奉使高麗圖經》一書中指出，這種指南針叫“指南浮針”。
在航海舟船上使用指南針的記載，最早見於1119 年朱彧所著的《萍洲可談》，“舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦觀指南針”。最早的航海羅盤是用一剪成魚狀的薄片鐵葉經磁化塞入木製魚中，使南極在魚首，北極在魚尾，並置水碗於無風處平放，魚在水中泛浮，其首所指，即為南極，是為“指南魚”。
其中，圖1-十八世紀初航海用旱羅盤；圖234-清代航海羅盤（中國航海博物館藏）
南宋時，將磁針與劃分方位的裝置組成的儀器稱之為盤針、經盤、地螺，後來才改稱為羅盤。水羅盤從誕生之日起一直使用到明代，鄭和下西洋時期使用的羅盤依舊是水羅盤，直到明嘉靖年間出現了一種支軸式的航海羅盤，指南針被固定在支軸上，這種新式羅盤被稱作“旱羅盤”，並逐漸代替了水浮式的羅盤。
旱羅盤的磁針支點固定，比水羅盤優越，但當惡劣天氣來臨時，船舶劇烈晃動顛簸造成觀測不準或無法觀測。18 世紀時，中國航海家利用中國古代先民發明的平衡環裝配羅盤，使羅盤有了平衡性，免受大風顛簸的干擾。
臨川出土執羅盤陶俑和中國港口博物館藏執羅盤陶俑
南宋墓出土陶俑和中國港口博物館藏陶俑所持旱羅盤中間的磁針形狀與水浮磁針不同，其中央有一明顯圓孔，應當是軸承結構。
中國的磁針和羅盤先後經由陸水兩路西傳，曾給人類的文明的進程帶來重大的影響。以前史學界認為磁針在水中的水羅盤與指南針一脈相承，是中國的發明，但旱羅盤是歐洲所發明，16世紀才經由日本船傳入中國。而今臨川的羅盤證明：旱羅盤的發明權也應屬於中國。
航海指南針發明後，作為印度洋主要航行者的阿拉伯人最先得到指南針。歐洲人又從阿拉伯人手中得到了指南針。到了哥倫布發現美洲大陸時，指南針早已成為哥倫布航海最重要的技術保證。馬克思評價航海指南針“打開了世界市場並建立了殖民地”。可見航海指南針在人類發展史上的重要作用。
原理：地磁場
儘管哥倫布、達伽馬等這些大航海家們在遠航時都需要羅盤和系列配套的工具（星盤、測深板等），但是很長一段時間，大家都不知道其原理。
春秋時齊國著名政治家管仲在《管子》一書中記載：“上有慈石者，下有銅金。”，“慈石”就是磁石，“銅金”就是一種鐵礦。
磁石有兩個特性：一是吸鐵性；二是極性。 也就是說磁石有兩極，能夠指示南北。我們可以設想地球內部存在一磁鐵，磁鐵的中心正好和地心相重合。這樣，無論在地球內部或是外部都存在許多的磁力線，在地球內部線從地球北極出發指向南極，在地球外部南極發出磁力線，最終都回到北極。因此能自由旋轉的兩極性磁鐵能夠指示南北。
而事實上，地球的這根“磁鐵”並沒有跟地球的自轉軸重合，這也就意味著，地磁北極不與自轉軸指向的地理北極重合，兩者存在一個偏角（磁偏角）。也就是說，羅盤指的“北”，不是真正的“北”。早在北宋年間，我國學者沈括就在《夢溪筆談》中記載與驗證了磁針“常微偏東，不全南也”的磁偏角現象，比西歐記錄早
四百年。英國人羅伯特·諾曼（Robert Norman）發現一根磁針用繩子在半中間吊起來，跟水平形成一偏角，他將這稱為磁偏角。
然而，那時候人們還是低估了磁偏角的複雜度，它還會隨著時間的變化而移動位置，近代研究表明，磁極甚至發生過多次倒轉。
來源：《近六千年間的磁極移動曲線》——魏青雲
指南針或指北針？
迴歸題目，為什麼叫做“指南針”呢？主流看法認為，指南針的稱呼沿用了戰國時期利用天然磁鐵礦石琢成的“司南”。在我國古代文化裡，南為陽，北為陰，以“南”為南北方位之主，面向南方為尊位。“南面為王，北面而朝”的意思是面朝南方位的稱帝王，面朝北方的則是朝拜君王的臣子，帝王就座議事都是面向南方。
在現代，世界通用的製圖標準為“上北下南”，在大多數情況下，地圖都是以正北方向作為參考方向繪製的（這可能也與大多數人口聚集在北半球有關）。因此，指南針也往往被稱為指北針。
展望：電子羅盤？量子羅盤？
此時正在讀這篇文章的你，不妨找找手機裡有沒有指南針APP。智能手機能使用指南針功能可不是因為它裡面塞了一個羅盤。
事實上，現代智能手機上的指南針功能應用的都是電子羅盤技術，隨著微電子集成技術以及加工工藝、材料技術的不斷髮展。電子羅盤的研究製造與運用也達到了一個前所未有的水平。
電子羅盤按照有無傾角補償可以分為平面電子羅盤和三維電子羅盤，也可以按照傳感器的不同分為磁阻效應傳感器、霍爾效應傳感器和磁通門傳感器。電子羅盤被廣泛應用於導航系統、地下勘探、仿真系統、GPS、虛擬現實等領域。
磁阻效應示意
2018年11月, 英國帝國理工學院研究人員和M Squared公司攜手, 研製出全球首款用於導航的量子加速度計, 這款導航設備被稱為“量子羅盤”。它是不依賴全球定位衛星 (GPS) 的防干擾導航裝置。
量子羅盤能測量極低溫度 (接近絕對零度, 也就是零下273度) 下超冷原子的運動。冷原子的物質波干涉可以測出加速度的信息, 從而實現慣性導航。而且量子羅盤的導航精度非常高, 比目前依靠經典電路的電子羅盤精度要高几個數量級。
量子羅盤的主體構造（來源：知乎 待考證）
從指南針的發明與改進歷程來看，這是一個不斷加深認識和改進的系統工程，也需要一代代的科學家不斷更新知識和改良。這前提是，我們要敢做敢想，敢於將思維延伸出去。
指南針作為我國古代四大發明之一，在人類發展史上起著極其重要的作用。然而在六百多年前，雖然我們擁有世界上最大的艦隊，卻沒能成為航海大時代的引導者。我們失去了海洋，讓給了葡萄牙、西班牙和荷蘭等這些海洋霸主。今天，我們在海上頂著壓力拼命補課，只為交上晚了幾百年的作業。我們擁有著地球上最璀璨耀眼的文化，也一定要秉承著這種越挫越勇的精氣神及對未知的求知慾和探索精神，復興我華夏文明。
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