中国古代四大发明
在中国的方位文化中经历了从天文学方法定位再以磁学方法制成司南，最后由司南演变成指南针的三个阶段，随之而来的是测定方位技术的不断完善。
司南
司南是最早的磁性指向器。"司南"之称，始于战国(公元前475年-公元前221年)，终止于唐代(公元618年-公元907年)。因为司南古义不断演化，使它与一系列的古代发明结下了不解之缘。
记载司南的最早的文献是《鬼谷子》，其中写道:"郑人之取玉也，必载司南之车，为其不惑也。"(谋篇)从《鬼谷子》中的记载可以看出，郑人去"取玉"，必须要带上司南，就是为了避免方向的迷失。
在提到司南的文献中，王充的记述是最重要的，他明确指出:"司南之杓，投之于地，其柢指南。"(是应篇)其中的"杓"是指勺子。具备这种"指南"性能的司南，应是磁性指向器。但是，这里的"地"是指古代械盘中的"地盘"。械盘是秦汉时期发明的，用于游戏或占卜。在"地盘"的四周刻有24个方位，中心刻有象征北斗七星的标志。中国现代著名的科技史家和文物复制专家王振铎曾依据这些记载成功地复原了汉代的司南(如图1所示)。
图1司南模型(王振铎复原)勺形司南尚无实物出土，但汉代画像石上，有类似勺形司南形象的画面(如图2所示)，这表明王充的记载应该是可信的。在这幅石像中，可看到，画面主体是魔术师和杂技演员在表演，上面一行人是贵族观众，右上角的小方台上放着一个疑似司南的长柄匙(见画面外小插图)，一个人在跪着观察它。
图2藏于苏黎世里特堡博物馆的汉代石浮雕(本图引自李约瑟《中国科学技术史·物理学卷》)从所留下的材料看，利用磁石指极性的司南就是磁性指向器具有的最早的形制。
磁体定向装置的出现，就使人从靠观察天体定向的被动性转向靠地磁定向的主动性。人类最早的磁体定向装置，是以天然条状磁石制成的司南，它出现后在中国战国末期(前三世纪)而在汉代得到进一步的发展。司南仪的出现具有重要历史意义，因为它是以与天文定向原理截然不同的磁学原理制成的新型导向装置，在任何天气条件下都能昼夜工作，迅速指出方向，操作简便易于携带。
最初，"司南"指测影的表杆。如《韩非子·有度篇》说，"故先王立司南，以端朝夕。""端朝夕"即正东西，引申为确定东西南北方向。"立司南"来源于殷商甲骨文中的"立中"和战国时的"立朝夕"，它们的意思都是立表以测日影。
磁勺
磁勺是一种天然磁石琢成的勺形指向器，当它被发现的时候，其状取法北斗七星，名称则沿用"司南"。古文"司南"可以推定为磁勺的至少有《鬼谷子》、《论衡》、《玄览赋》、《飘赋》四项记载。《宋书·礼志》引《鬼谷子》曰:"郑人取玉，必载司南，为其不惑也。"《鬼谷子·谋篇》至迟成书于西汉，或许是先秦之书，其中关于"郑人取玉，必载司南"的传说，暗示了磁勺与玉器业的联系，甚难加工的磁勺应是玉工高手的杰作。
东汉王充的的《论衡·是应篇》说:"司南之勺，投之于地，其柢指南。"句中的"地"一般解释为"地盘"，也可能是"池"字误写。这句话应释为:勺状的司南，放在"地盘"上(或投入盛有适量液体(如水银)的容器中)，它的勺柄必然自动指向南方。
此后，梁元帝萧绎的《玄览赋》说:"见灵乌之占巽，观司南之候离。"唐韦肇的《飘赋》说:"挹酒浆，则仰惟北(北斗)而有别;充玩好，则校司南以为可。"再次介绍了司南(磁勺)的功用和形状。
磁勺的实物虽然迄今尚未发现，但与此有关的文物至少有两件。一是瑞士苏黎世的Rietberg博物馆中所藏的一块公元114年的东汉画像石，其右上角有一人正在观测一件可能是"司南之勺"的东西。二是那志良《玉器通释》上册著录的一件"司南佩"古玉器，此玉"长不过寸许，一端琢成一个小勺，一端琢成一个圆形的小盘，中间有一个横穿。""司南佩"的制作年代不明，推测为唐代之物。
除了上述的表杆和磁勺之外，司南又是指南车、指南舟和报时刻漏的代称。晋人葛洪所作的《西京杂记》中提到的"司南车"即半自动机械装置指南车。《宋书·礼志》记载:"晋代又有指南舟。"南朝任昉的《奉和登景阳山》诗吟道:"奔鲸吐华浪，司南动轻枻。"诗中的司南即指皇家园池中的指南舟，可是，"指南舟"究竟怎样导航，至今依然是一个迷。唐代大诗人杜甫的咏《鸡》诗云:"气交亭育际，巫峡漏司南。"意谓夜半零时正，诗人恰闻司南的报时之声。
磁针的发明
指南针的发明应当是在一个很漫长的时间中，慢慢地改进的结果，而不同时期的形式，应以不同的形式出现。唐代堪舆家的活动相当活跃，并开始强调方向的选择，寻找比磁勺更方便的指向器成了当务之急。于是指南铁鱼或者蝌蚪形铁质指向器及水浮磁针应运而生。
活动于唐开元年间(713-741年)的山西堪舆家丘延瀚，被后世堪舆家推崇为堪舆术三针(正针、缝针和中针)中最早出现的正针法的创始人。明代雅好科技的宁献王朱权则在其《神机秘籍》中说:"针法古无所传，自昔玄真始制。"玄真即唐代浙江金华道家张志和(约730-约810年)，他的道号叫玄真子，所著《玄真子》十二卷，残存三卷。从这残卷中知道他颇好物理，但未找到与指南针或针法直接有关的记载。然而，这个道号不禁使人联想到旧题晋崔豹所作的《古今注》中把蝌蚪称为"玄针"。其文曰:"虾蟇子，曰蝌蚪，一曰玄针，一曰玄鱼，形圆而尾大，尾脱即脚生。"十世纪时马缟的《中华古今注》中也有类似的记载。这项记载似乎把磁针与指南鱼的发明和应用从形状和性能上联系到了一起。
关于指南鱼的制备方法，见于北宋曾公亮等利用前人资料编撰的《武经总要》。《武经总要》前集卷十五载其法曰:"用薄铁叶剪裁，长二寸，阔五分，首尾锐如鱼形，置炭火中烧之，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。"这种方法利用地磁场使铁片磁化，并知道鱼形铁片微向下倾斜对磁化有利，实际上已发现近代科学中所谓的磁倾角的影响。使用时，指南鱼浮于水面，与水浮磁针的原理是一致的。
水浮磁针的制作方法首见于北宋沈括的《梦溪笔谈》卷二十四，其文曰:"方家以磁石摩针锋，则能指南。"这种方家在实践中总结出来的钢针磁化法，经过沈括之手公布于世，有力地促进了磁针在堪舆和航海两大领域中的应用和普及。指南针进入到实用磁针的阶段，对装置方法的研究提到了议事日程。沈括全面研究和比较了"水浮"法、置"指爪"法、置"碗唇"法及"缕悬"法的优缺点，认为"缕悬"法最佳。"其法取新纩中独茧缕，以芥子许蜡，缀于针腰，无风处悬之，则针常指南。"现代磁强计中悬挂的小磁铁，就采用了此相似的方法。磁针指的精度，与司南及指南鱼不可同日而语，故磁针的发明，很快导致了磁偏角的发现。
五代乱世的《管氏地理指蒙·释中第八》曰:磁针"体轻而径所指必端应一气之所召，土曷中而方曷偏，较轩辕之纪，尚在星虚丁癸之躔"。轩辕黄帝时代的磁偏角，作者以为尚在"星(午)虚(子)丁癸"方向，而当时"针指坎离定阴阳之分野，格偏壬丙探僭越之津涯"。偏角变为南偏东15°。
由于堪舆术的神秘性，中国唐宋堪舆著作在流传中又相互影响，有所增删，要从众多早期堪舆著作中理出磁针、磁偏角以至罗盘的发明、发现年代，诚非易事，然而，北宋司天监杨惟德于庆历元年(1041年)奉命编撰的相墓大全《茔原总录》卷一位磁偏角的发现订定了下限。书中说:"客主的取，宜匡四正以无差，当取丙午针，于其正处，中而格之，取方直之正也。"这里明确地记载了"丙午针"，即后世沈括在《梦溪笔谈》卷二十四中所说的磁针"常微偏东，不全南也"。在西方，直到13世纪才知道磁针偏南。1429年哥伦布(ChristopherColumbus，1451-1506年)横渡大西洋时，正式测到磁偏角现象。
中国发现了元代水浮法指南针瓷碗。1959年，在辽宁旅顺甘井子元代墓葬中出土了两件磁州窑白釉褐花大碗，大碗内底部彩绘两个同心圆，圆内绘并排的三点，中间一线相连。乍看此图形似一个不规则的"王"字，故被称为"王字纹碗"。碗外底圈足内又墨书一个"针"字。经科技史学家王振铎先生研究证实，这种碗就是航海时指示方向所用的针碗。它的使用方法是这样的:针碗的水面上漂着穿在浮漂上的磁针，碗内底的"王"字形标志则有助于标明方向。先将"王"字中的细道与船身中心线对直，如船身转向，磁针便和该细线形成夹角，从而显示航向转移的角度。类似的碗在江苏丹徒照临村元代窖藏和河北省磁县漳河故道元代沉船内都有发现。
罗盘的发明与西传
磁针问世后，先后用于堪舆和航海。为了使用方便，读数容易，加上磁偏角的发现，对指南针的使用技巧提出了更高的要求，方家首先将磁针与分度盘相配合，创制了新一代指南针--罗盘。不过有些场合，碗中的水浮磁针仍在使用，故沈括《梦溪笔谈》卷二十四称"水浮多荡摇"。江苏、河北和辽宁旅大曾出土元代的不带刻度的指南针专用针碗。当航船还在使用浮针加针碗时，堪舆罗盘却远远地跑到了前面。
考古资料表明，堪舆家选择墓穴采用二十四向表示法大约始于唐末。南唐何溥主持建徽城，看风水时也用二十四向表示法。何溥所撰的《灵城精义》"理气章正诀"中说，"地以八方正位，定坤道与舆图，故以正子午为地盘，居内以应地之实。"天以十二分野，正躔度之次舍，故以壬子丙午为天盘，居外以应天之虚。"作者、时代不明的《九天玄女青囊海角经》"理气篇"中有一段几乎相同的文字，两者应同出一源。
罗盘古称"地螺"、"地罗"。南宋曾三聘的《因话录》(作于公元1200年前后)"子午针"条说:"地螺，或有子午正针，或用子壬丙午间缝针。"曾三聘是江西临江俯峡江(今江西西清江)人。离峡江不远的江西临川，于1985年出土了世界上最早的堪舆旱罗盘模型，正可与《因话录》的记载相互印证。1985年5月，江西临川南宋朱济南墓(葬于1198年)出土了座底墨书"张仙人"的瓷佣一式两件。风水先生"张仙人"佣 ，左手抱一罗盘。值得注意的是，该罗盘的磁针与水罗盘的磁针根本不同，中部增大呈菱形，菱形中央有一明显圆孔，明确现象地表示这是一种用轴支承的旱罗盘。
中国的磁针和罗盘先后经由陆水两路西传，曾给人类的文明的进程带来重大的影响。以前史学界认为磁针在水中的水罗盘与指南针一脉相承，是中国的发明，但旱罗盘是欧洲所发明，16世纪才经由日本船传入中国。而今临川罗盘证明:旱罗盘的发明权也属于中国。
最初形制
磁石指极性与磁性指向器的最初形制
对于磁石吸铁性的认识和应用，传说，秦皇宫的磁石门可防止身带铁刃的刺客进入。文献中对磁石吸铁现象多有记述，如战国时期成书的《吕氏春秋》、西汉时期成书的《淮南子》和东汉王充的《论衡》，这些作者都提到磁石吸铁现象，玳瑁和琥珀等物体能吸引某些轻小物体的现象。王充指出，这些现象是"感应"(一种超距作用的看法)的作用，但似乎并不知道电感应和磁感应的区别。指南针是用天然磁石制成的，要发明指南针，就要研究磁石的指极性。
磁化技术和磁偏现象的记述
北宋时磁化技术取得了突破，这些技术加速了磁性指向器的普及，并且导致指向器形制新的演变。
曾公亮的《武经总要》中提到一种新型的磁性指向器--"指南鱼"，同时还能看到，制作指南鱼的关键是铁的磁化。曾公亮的记述是:以薄铁叶剪裁，长二寸，阔五分，首尾锐如鱼形，置炭火中烧之，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。(卷15)曾公亮实际上是利用地磁场对剪成鱼形的铁片进行磁化，这是历史上人类寻求新的磁化技术上的一个突破。但是，由于使用时要放在水面，铁片要尽量"薄"。这也是重要的提示。
指南鱼的磁性是很弱的，作为一种"天然的"缺陷，圆形的鱼首也使它的指向精度受到限制。虽然这种简易的磁化技术使指南鱼的制作容易了许多，但它的形状造成与勺形司南有类似的缺陷。
同样，具有实用性的磁化技术，与曾公亮同时代的沈括在《梦溪笔谈》中也有记载。他写道:"方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。"(卷24)这种形制易流行、且简单，磁化效果也相当好，特别是，它对指向器形制的改进产生了另一个突破--针状。用针指向，它的指向精度可以得到极大的提高。这样，司南就衍变成了指南针，而且这种指南针也更容易普及了。无疑，这是磁性指向器形制的最重要的改进。
由于指针指向精度得以提高，人们在使用指南针时很快就注意到，它所指的方向有时并非正南，这就是磁偏现象--"然常微偏东，不全南也"。
实际上，在写于庆历元年(1041)的《茔原总录》中，比沈括稍早些的杨维德已经记载了指南针和磁偏角的存在.他写道:"匡四正以无差，当取丙午针。于其正处，中而格之，取方直之正也。"(卷1)这里说的"针"就是磁针，而"丙午针"是指磁针在静止时，针指的方位是24个方位中丙位和午位的结合部，也就是南偏东约7。5°。这与沈括的"微偏东"是一致的，但杨维德的说法更早，描述也更精确些。
稍晚于沈括的寇宗夷在所著的《本草衍义》也提到:"磁石⋯⋯磨针锋则能指南，然常偏东，不全南也。其法取新纩中独缕，以半芥子许蜡缀于针腰，无风处垂之，则针常指南。然常偏丙位。盖丙为大火，庚辛金受其制，故如是，物理相感尔。"(卷5)这段话讲到指南针的磁化，讲到磁偏现象的发现，还讲到指南针的架设问题，以及利用五行学说简要地解释磁针指向的原因。在这里，寇宗夷所使用的是"水浮法"，这与沈括是有些不同的。这也说明，在这时人们还在探索形制，一直在进行着不同的尝试。早在晚唐时期成书的《管氏地理指蒙》，在这篇文献中我们可以读到:磁者母之道，针者铁之戕。母子之性，以是感，以是通;受戕之性，以是复，以是完。体轻而径，所指必端。应一气之所召⋯⋯。透过这段话，可以看到，它记述的磁偏角约为南偏东15°左右。这说明，关于地磁偏现象的发现可能早于宋代。在另一篇早期文献中提到地磁偏的是《九天玄女青囊海角经》，这部书的成书时间约在10世纪下半叶。
与沈括大致同时代的王假(福建堪舆学派的创立者)也提到过磁偏角。在王仅的一首诗中，他写道:"虚危之间针路明，南三张度上三乘"。这里的前一句所提到的显然是天体坐标的南北向，但通过观察地磁罗盘会发现，南方星宿"张"的范围是如此之广，以至于两个磁偏角及天体坐标的正南这3个"南方"方位均包含在其内。所以，他对磁偏角的涉及，具体数值还不能完全确定，但它的地磁偏现象的记载，说明了风水师是重视地磁偏现象的研究的。王仅是一位著名的堪舆家，他的主要著作写于1030-1050年间。
宋代曾三异在1189年写的《因话录》提到，在地球表面上一定有某个区域，在那里磁偏角为零。曾三异的观点很有见地，事实上也确实存在着零磁偏角线。即使如此，他也只是提出了一种有价值的猜测。16世纪，明代人迸一步发现了在不同的地点磁偏角的大小也不同的结论;18世纪，才出现关于磁偏角的大小也随时间的变化而变化的明确记载。
指南针架设方法与罗盘
指南针如何架设起来，沈括比较了4种不同的架设方法:
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。其法取新纩中独茧缕，以芥子许蜡，缀于针腰，无风处悬之，则针常指南。这就是有名的沈括"四法"。沈括对前3种方法采取否定的态度，尽管"水浮法"是曾公亮已经有过尝试的方法.在《武经总要》中记载的使用方法是将指南鱼"平放水面令浮"，为此鱼形的铁叶可能是中间微凹的，这样的结构使铁鱼像小船一样漂浮在水面上。宗夷也提出了架设的方法，他指出:"以针横贯灯心，浮水上，亦指南。"
沈括尝试的四种安装指南针的方法
南宋时，指南针的架设问题有了新的进展。南宋陈元靓在《事林广记》(成书于1100-1250年间)中记述了两种指南针，即指南鱼和指南龟。它们可看作"水针(水罗盘)"和"旱针(旱罗盘)"的先驱。水罗盘(也叫浮针罗盘)是从《武经总要》的指南鱼到《事林广记》的指南鱼发展过来的，由于后者是木刻的，自然可浮在水面，似乎也不怕水面荡摇，它已发展成为一种比较成熟的结构。此后，水针一直比较流行，加上进一步的改进，将磁针穿上小木条，取代了木头刻的鱼，使之更实用了。自然，"指南鱼"这种形制也就消失了。《事林广记》记载的"指南龟"，则是后世旱罗盘的先驱。它因为采用了竹钉支承，摩擦力小，旋转灵活，因而也受到人们欢迎。后来人们将其发展成了枢轴支承式，这种形制就成了使用简便的旱罗盘。1985年5月，在江西临川县温泉乡朱济南墓中出土了一件题名"张仙人"的俑，高22。2em，手捧罗盘。此罗盘样的磁装置结构与宋代水浮针不同，其菱形针的中央有一明显的圆孔，说明它采用的是枢轴支承的架构。这座墓下葬的时间为南宋庆元四年(1198)。可见在旱罗盘问世不久，中国人已经将其发展成枢轴支承式的了。
结语
旱罗盘后来经阿拉伯传人欧洲，在欧洲发展成熟起来。欧洲人又进一步对这种旱罗盘做了改进，使用起来很是方便。这种改进虽然对磁的知识并未增加，甚至也未"改善"，但是却对航海事业产生了积极影响。也就是说，在发展航海事业的过程中，使磁技术的价值彰显出来。从磁的吸铁性和指极性知识看，在磁技术的发展早期，磁技术对生产发展和航海、堪舆的活动是有价值的，而磁技术的改善就是围绕着这种需求发展的。在磁技术发展的同时，人们也积累起些许磁学知识。这个积累过程是缓慢的，这当然是由于貌似简单的磁知识，它联系着对地(球)磁场的认识。这使问题具有了某种复杂性，而破解这种复杂性还需要时间，需要某种天才;同时也期待着高水平的精准实验用。
在这些精准的实验中，磁化技术中的两种方法是很重要的。在这些磁化技术的发展中，古人所依据的科学原理，要么是不知道，要么是不符合现代的科学原理。所以，古人是黑暗中摸索着前进的，是在对经验中的领悟中发展着的。在这些发明中，指南"针"形状发明提高了指向的精度，也使磁偏角得以发现.针的形制无疑是具有重要意义的，推进了对磁的认识，有益于磁知识的积累。大体上说，磁性指向器的演变过程中，形制的不断改进是很重要的，就像汽车发明后，汽车的样子也不断发生变化，甚至是很大的变化，但这也是逐步演变的。磁性指向器的交流中，也包含着磁知识的交流，这种交流促进着"磁学"知识的积累和发展。这直到近代才结出果实。
