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        北宋是中國歷史上科技最發(fā)達、文化最昌盛、藝術(shù)最繁榮的朝代之一。北宋在科學(xué)技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，是當時科學(xué)技術(shù)方面最先進的國家。北宋時期，指南針的問世配合當時先進的造船技術(shù)，使得經(jīng)濟文化高度繁榮的北宋，海上貿(mào)易極為繁盛。當時，通過海上絲綢之路與中國進行貿(mào)易的國家和地區(qū)超過唐代，海外貿(mào)易的興旺繁榮也是其他朝代和當時其他國家無法比擬的。 
        發(fā)達的北宋科技 
        北宋是個發(fā)展不平衡的朝代。一方面，北宋雖然擁有龐大的軍隊，但與遼國和西夏對抗時長期處于劣勢。然而，在另一方面，北宋是中國歷史上科技最發(fā)達、文化最昌盛、藝術(shù)最繁榮的朝代之一。天文、數(shù)學(xué)、地理、建筑、醫(yī)學(xué)等方面的成就足以證明北宋當時在科學(xué)技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。中國歷史上的大多數(shù)重大發(fā)明都出現(xiàn)在北宋，許多發(fā)現(xiàn)、發(fā)明、創(chuàng)造及其應(yīng)用，其他國家在上百年甚至幾個世紀之后才相繼出現(xiàn)，或由中國傳入，為人類文明做出了卓越的貢獻。 
        著名歷史學(xué)家漆俠先生曾指出：“在兩宋統(tǒng)治的三百年中，我國經(jīng)濟、文化的發(fā)展，居于世界最前列，是當時最為先進、最為文明的國家。”歷史學(xué)家黃仁宇說：“火藥之發(fā)明，火焰器之使用，航海用之指南針，天文時鐘、鼓風(fēng)爐、水力紡織機，船只使用不漏水艙壁等，都于宋代出現(xiàn)。在11世紀～12世紀，中國大城市里的生活程度可以與世界上任何其他城市比較而無遜色。”陳寅恪先生認為：“華夏民族之文化，歷數(shù)千載之演進，造極于趙宋之世。”2012年出版的《簡明中國歷史讀本》評價說，宋朝“在思想、文化與科技等方面達到空前的高度，在當時世界上占據(jù)領(lǐng)先地位，對人類文明做出了重大貢獻，產(chǎn)生了深遠影響”。 
        不單中國史學(xué)界對宋朝評價甚高，諸多國外史學(xué)家均對宋朝的發(fā)展給予了肯定。 
        世界著名經(jīng)濟史學(xué)家貢德弗蘭克便認為：“11世紀和12世紀的宋代，中國無疑是世界上經(jīng)濟發(fā)展最先進地區(qū)。自11世紀和12世紀的宋代以來，中國的經(jīng)濟在工業(yè)化、商業(yè)化、貨幣化和城市化方面遠遠超過世界其他地方。”法國著名漢學(xué)家謝和耐曾說：“在社會生活、藝術(shù)、娛樂、制度、工藝技術(shù)諸領(lǐng)域，中國（宋朝）無疑是當時最先進的國家。” 
        著名生物化學(xué)家、中國科技史專家、英國皇家學(xué)會會員，曾任聯(lián)合國教科文組織自然科學(xué)部主任的李約瑟對宋代的科技非常景仰。他稱“宋代確實是中國本土科學(xué)最為繁榮昌盛的時期”，是中國“自然科學(xué)的黃金時代”，這一時期中國的“文化和科學(xué)都達到了前所未有的高度”，“每當人們在中國的文獻中查考任何一項科技史料時，都會發(fā)現(xiàn)它的焦點就在宋代”。 
        據(jù)不完全統(tǒng)計，宋代在世界上處于領(lǐng)先的科學(xué)技術(shù)在百項以上，內(nèi)容涉及活字印刷、火藥、指南針、天文學(xué)、數(shù)學(xué)、醫(yī)藥、生物學(xué)、建筑技術(shù)等領(lǐng)域，這些科學(xué)技術(shù)廣泛應(yīng)用于文化傳播、軍事戰(zhàn)爭、農(nóng)業(yè)、手工業(yè)等生產(chǎn)和生活領(lǐng)域，為宋代的經(jīng)濟繁榮和社會進步提供了可靠的保障。 
        北宋文化繁榮、科技發(fā)達的原因主要有三點：一是宋初宋太祖趙匡胤大力推行偃武修文政策，后來的繼承者無不謹守“祖宗法度”，使社會風(fēng)氣從五代時的重武輕文變成重文輕武，文人地位迅速提升。在趙匡胤政策的影響下，宋朝的政治開明、言論自由達到了一種空前的水平。這使宋朝成為中國歷史上自春秋戰(zhàn)國以來第二個學(xué)術(shù)與政治自由的時期。另外，宋朝政府鼓勵科技發(fā)明和創(chuàng)造，皇帝大多能夠親力親為，這為天下做出了榜樣。我們從《宋史》的本紀里看到趙匡胤幸造船務(wù)、觀制造戰(zhàn)艦、閱炮車、視察練習(xí)水戰(zhàn)、親授醫(yī)官黜其藝之不精者等。宋真宗趙恒用重金向占城國（今越南境內(nèi)）買回耐旱的水稻新品種，又從西天竺（今印度境內(nèi)）買回了綠豆新品種，在自己的宮廷內(nèi)院中試種成功，然后推廣天下。二是在“朝為田舍郎，暮登天子堂”的北宋，擴大取士規(guī)模和取士途徑，使各路文化精英通過科舉考試脫穎而出，步入政壇，成為推動文化發(fā)展的重要力量。三是北宋保持了一百多年的社會穩(wěn)定，為文化和科技的發(fā)展奠定了牢固的基礎(chǔ)。 
        聞名于世的四大發(fā)明中，指南針、印刷術(shù)和火藥三項主要是在宋代得到了應(yīng)用，傳至歐洲后，對推動歐洲從封建主義向資本主義過渡產(chǎn)生了巨大影響。李約瑟說：“如果沒有火藥、印刷術(shù)和指南針，歐洲封建主義的消失就是一件難以想象的事。”對那部百科全書式的著作《夢溪筆談》，李約瑟贊譽為“中國科學(xué)史上的里程碑”，其作者沈括更是被他稱為“中國整部科學(xué)史中最卓越的人物”。 
        作為宋代的三大發(fā)明，火藥、指南針、印刷術(shù)曾發(fā)揮了推動歷史車輪不斷向前的重要作用。馬克思曾說：“火藥、羅盤針、印刷術(shù)——這是預(yù)兆資產(chǎn)階級社會到來的三項偉大發(fā)明�；鹚幇羊T士炸得粉碎，羅盤針打開了世界市場并建立了殖民地，而印刷術(shù)變成新教的工具，變成科學(xué)復(fù)興的手段，變成制造精神發(fā)展的必要前提的最強大的推動力。” 
        從司南到指南針 
        中國是世界上公認的發(fā)明指南針的國家。 
        指南針的發(fā)明是我國勞動人民在長期的實踐中對物體磁性認識的結(jié)果。人們普遍認為指南針的始祖就是司南。 
        早在春秋戰(zhàn)國時期，由于生產(chǎn)力的發(fā)展，不僅促使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)興盛發(fā)達，同時促進了采礦業(yè)、冶煉業(yè)的發(fā)展。在長期的生產(chǎn)實踐中，人們逐漸從鐵礦石中認識了磁石。酈道元的《水經(jīng)注》里記載了一個有趣的故事：秦朝阿房宮用磁石制成大門，防備有人進宮謀刺暗殺。如有壞人暗披盔甲、暗藏兵器入宮，就會被門吸住并被發(fā)現(xiàn)。從這個故事中我們可以看出，那個時代，人們就已經(jīng)開始利用地球上的天然磁體了。在西漢時，有一個名叫欒大的方士，利用磁石的這個性質(zhì)做了兩個棋子般的東西，通過調(diào)整兩個棋子極性的相互位置，有時兩個棋子相互吸引，有時相互排斥。欒大稱其為“斗棋”。他把這個新奇的玩意獻給漢武帝，并當場演示。漢武帝驚奇不已，龍心大悅，竟封欒大為“五利將軍”。 
        而最早的指南針也是用天然磁體做成的，它就是司南。但是，戰(zhàn)國時期的司南是什么樣子無法考證。中學(xué)《中國歷史》課本插圖中的“司南”是根據(jù)中國歷史博物館展品“漢代司南模型”繪制的。這個模型是后人根據(jù)史書記載以及地下出土的漢代地盤實物制成的。地盤是青銅做成的，內(nèi)圓外方，中心圓面磨得非常光滑，以保證勺體指示方向的準確性。中心圓外圍依次布列八卦、天干、地支和二十八宿，共計二十四個方位。地盤中心的小勺是用整塊的天然磁鐵磨成的，磁鐵的正極磨成司南的長柄，勺頭底部是半球面，非常光滑。使用時先把地盤放平，再把司南放在地盤中間，用手撥動勺柄，使它轉(zhuǎn)動，等到司南停下來，勺柄所指方向就是南方。這種勺形司南直到8世紀時仍在應(yīng)用。 
        當然，司南也有許多缺陷。由于天然磁體不容易找到，在加工時容易因打擊、受熱而失去磁性，因而司南的磁性不是很穩(wěn)定。此外，它與地盤接觸處要非常平滑，否則會因轉(zhuǎn)動摩擦阻力過大，導(dǎo)致無法達到預(yù)期的指南效果。而且司南有一定的體積和重量，攜帶很不方便，這也成為司南沒有得到廣泛推廣和應(yīng)用的主要原因。 
        公元960年，宋太祖趙匡胤建立宋朝，結(jié)束了五代十國時期的封建割據(jù)局面。北宋時，農(nóng)業(yè)、手工業(yè)和商業(yè)都有了新的發(fā)展。在這個基礎(chǔ)上，我國的科學(xué)技術(shù)獲得了輝煌的成就。在北宋初年，聰明的人們掌握了制造人工磁體的技術(shù)，又找到了另外一個可以明方向的工具——指南魚。指南魚用一塊薄薄的鋼片做成，形狀很像一條魚。它有兩寸長、五分寬，魚的肚皮部分凹下去一些，像小船一樣，可以浮在水面上。這種人工傳磁方法制成的指南魚使用起來比司南方便多了。人們只要端一碗水，把指南魚放在水面上，就能準確地辨識方向。 
        由于鋼片做成的魚沒有磁性，所以沒有指南的作用。如果要它指南，還必須再用人工傳磁的辦法，使它變成磁鐵，具有磁性。北宋時，曾公亮在《武經(jīng)總要》載有制作和使用指南魚的的方法：“用薄鐵葉剪裁，長二寸，闊五分，首尾銳如魚型，置炭火中燒之，候通赤，以鐵鈐鈐魚首出火，以尾正對子位，蘸水盆中，沒尾數(shù)分則止，以密器收之。用時，置水碗于無風(fēng)處平放，魚在水面，令浮，其首常向午也。”這是一種人工磁化的方法，利用地球磁場使鐵片磁化。即把燒紅的鐵片放置在子午線的方向上。而以一定角度放入水中，則使魚磁化的有效磁場強度增大，磁化效果更好。東北師大物理系教授劉秉正先生在1956年對這種方法給予了科學(xué)的解釋：鐵片燒紅后，溫度高于居里點，鐵片中的磁疇便瓦解而成為順磁體，蘸水淬火后，磁疇又形成，但在地磁場作用下磁疇排列有方向性，故能指南北。因我國長江黃河流域一帶地磁有50度左右的傾角，如水平放置，則只有水平方向分量起作用，而以一定角度放入水中，則使魚磁化的有效磁場強度增大，磁化效果更好。 我國人民發(fā)明用人造磁鐵做指南魚，這是一個很大的進步。這說明我國人民在900多年前就已具有相當豐富的磁鐵知識了。 
        后來，指南魚進行了改進，它與《武經(jīng)總要》一書記載的不一樣，是用木頭刻成魚形，有手指那么大，木魚腹中置入一塊天然磁鐵，磁鐵的S極指向魚頭，用蠟封好后，從魚口插入一根針，就成為指南魚。將其浮于水面，魚頭指南，這也是水針的一類。 
        當時不但有鋼片做的指南魚，還有用木頭做的指南魚和指南龜。宋代《事林廣記》記載了用木頭做指南魚的方法：用一塊木頭刻成魚的樣子，像手指那樣大，指南魚就做好了。把指南魚放到水面上，魚嘴里的針就指向南方。指南龜是當時流行的一種新裝置，將一塊天然磁石放置在木刻龜?shù)母箖?nèi)，在木龜腹下方挖一光滑小孔，對準并放置在木板頂端尖滑的竹釘上，這樣木龜就被放置在一個固定的、可以自由旋轉(zhuǎn)的支點上了。由于支點處摩擦力很小，木龜可以自由轉(zhuǎn)動指南。當時它并沒有用于航海指向，而是用于幻術(shù)。 
        使用指南魚，比使用司南要方便。它不需要再做一個光滑的銅盤，只要有一碗水就可以了。盛水的碗即使放得不平，也不會影響指南的作用，因為碗里的水面是平的。而且，由于液體的摩擦力比固體小，轉(zhuǎn)動起來比較靈活，所以它比司南更靈敏、更準確。 
        后來，經(jīng)過長期改進，人們把鋼針在天然磁體上進行摩擦，讓鋼針有了磁性。這種帶有磁性的鋼針就是我們常說的指南針。宋代杰出的科學(xué)家沈括在他的《夢溪筆談》中曾提到指南針的四種裝置方法，即水浮法、縷懸法、指甲法和碗唇法。其中，水浮法是把指南針放在有水的碗里，使它浮在水面上，指示方向；縷懸法就是在磁針中部涂上一些蠟，上面粘一根絲線，把絲線懸在木架上，針下安放一個標有方位的圓盤，靜止時鋼針就指示南北；指甲法就是把鋼針放在手指甲面上，輕輕轉(zhuǎn)動，由于手指甲光滑，磁針就和司南一樣也能起到指南作用；碗唇法是把磁針放在光滑的碗邊上，轉(zhuǎn)動磁針，便和指甲法一樣起到指南作用。 
        沈括還分析了四種方法的利弊。他說，水浮法的最大缺點就是水面容易晃動影響測量結(jié)果。碗唇法和指甲法由于摩擦力小，轉(zhuǎn)動雖很靈活，但容易掉落。沈括更喜歡縷懸法，他認為這是比較理想而又切實可行的方法。沈括在研究指南針的過程中，還總結(jié)和發(fā)現(xiàn)了地磁有偏角存在，指出指南針指示的方向“常微偏東，不全南也”。而這是我國對地磁學(xué)的偉大貢獻。 
        中國使用指南針導(dǎo)航不久，就被阿拉伯海船使用，并經(jīng)阿拉伯人把這一偉大發(fā)明傳到歐洲。恩格斯在《自然辯證法》中指出：“磁針從阿拉伯人傳至歐洲人手中在1180年左右。”1180年是我國南宋孝宗淳熙七年。中國人首先將指南針應(yīng)用于航海比歐洲人至少早80年。指南針的發(fā)明與西傳促進了當時我國和印度洋、太平洋西部沿岸國家經(jīng)濟文化的交流，促進了各國航海事業(yè)的發(fā)展，并為1492年哥倫布“發(fā)現(xiàn)新大陸”創(chuàng)造了前提條件。指南針的發(fā)明和應(yīng)用于航海對全世界做出了重大貢獻。