Магнетизм

 
Чтобы выбрать лучший вариант компаса, Шэнь Ко провел четыре эксперимента с намагниченной иглой. Он втыкал иглу перпендикулярно в стебель камыша и пускал его на воду, балансировал иглу на ногте и на краю чашки, подвешивал ее на нити. При этом он старался исключить все побочные факторы. Так, подвешивая иглу на нити, он использовал, во избежание крутильного эффекта, не пеньковую нить, скрученную из пряжи, а несоставную шелковую. Причем эта шелковая нить должна была быть новой, что являлось гарантией ее равномерной эластичности.
 
Еще два метода монтажа магнита приводятся в энциклопедии «Ши линь гуан цзи» («Обширные записки о лесе дел»), составленной сунским автором Чэнь Юань-цзином между 1100 и 1250 и изданной только в 1325. В разделе о магических искусствах даосских бессмертных сказано, что «маги» сделали деревянную рыбу размером с большой палец, инкрустированную магнитом. Магнит помещался в ее нижней части с таким расчетом, чтобы она могла держаться на воде горизонтально, будучи слегка погруженной. К магниту со стороны ее головы приделывался кусок проволоки, выгнутая часть которой выступала над водой. Когда рыбу опускали в воду, ее голова указывала на юг.
 
Чэнь Юань-цзин описал также компас, изготовленный «магами» в виде деревянной черепахи. В нее также был вставлен магнит, к которому прикреплялась игла, служившая черепахе хвостом. На нижней поверхности черепахи имелось маленькое просверленное отверстие, посредством которого она насаживалась на вертикально установленную бамбуковую булавку. Благодаря этому черепаха могла свободно вращаться. В спокойном положении ее хвост указывал на юг. Такая конструкция компаса, но только со стрелкой, насаживаемой на булавку, чаще всего используется в наши дни. Хотя изобретение данного компаса произошло в Китае, долгое время там пользовался популярностью другая его разновидность – с плавающей на воде иголкой, а компас с вращающейся на булавке стрелкой был в XVI в. заимствован китайцами у европейских моряков (голландских и португальских) через посредство Японии.
 
В моделях компасов, описанных в сочинениях Цзэн Гун-ляна, Шэнь Ко и Чэнь Юань-цзина, отсутствует градуировка. Однако известно, что к концу династии Южной Сун в Китае компасы оснащались чем-то вроде той «земной доски» (ди пань), на которую ставился древний сы нань, только она делалась не квадратной, а в виде диска или кольца. Число делений поначалу оставалось прежним – 24. Такой компас первоначально использовался геомантами, но со временем нашел употребление и в морском деле, являясь законченным прототипом современного компаса с делениями. Более того, китайский компас, прошедший долгий путь эволюции от гадательной доски до морского компаса, может рассматриваться как родоначальник всех тех современных измерительных приборов, в которых используются круговые шкалы и индикаторы с градуировкой. Конечно, в древности были и другие приборы с градуировкой. Но компас имеет существенные отличия. Например, в солнечных часах указателем была тень, а не часть самого прибора, а в армиллярной сфере визирная трубка не была самонастраивающейся, устанавливаясь на градуированном круге вручную.
 
Самое старое описание градуированных дисков, называемых ло цзин пань или ди ло, было найдено в книге «Инь хуа лу» («Записи бесед о началах») Цзэн Сань-и, жившего в эпоху Южной Сун. Ди ло сначала оснащался плавающей иглой, которая втыкалась перпендикулярно в камыш. Компас, состоящий из диска и этой иглы, назывался шуй ло пань и был эквивалентен простому жидкому магнитному компасу. Сюй Цзин, живший при династии Северной Сун (960–1127), писал в 1124 в «Сюань-хэ фэн ши Гаоли ту цзин» («Иллюстрированный канон посольства в Корее [при правлении] Сюань-хэ»), что когда плохая погода мешала матросам в море ориентироваться по небесным телам, они применяли плавающую «указывающую юг иглу». Обычно на судне было два компаса: один устанавливался на носу, а другой – на корме. Они назывались цзы у пань, поскольку входящие в название знаки «земных ветвей» цзы [3] и у [10] обозначали направление север–юг.
 
Первый «сухой» компас с градуированным диском, называемый хань ло пань, появился во время династии Мин при правлении Ши-цзуна (1521–1567). Магнит в нем был сделан вращающимся на острие булавки, что, по сути, повторяло устройство черепахи Чэнь Юань-цзина. Такая конструкция уменьшала трение до минимума. Эта новая модель была более совершенной, чем плавающая игла, и при использовании в море давала лучшие результаты, поскольку была менее чувствительна к качке корабля.
 
Первое упоминание компаса в европейской литературе относится к 1190, когда Александр Неккам в сочинении «De Naturis Rerum» («О природах вещей») написал, что моряки ночью или при туманной погоде пользуются магнитной иглой, указывающей на север. Компас пришел в Европу не от арабов, как часто считают. В арабо-мусульманской литературе компас впервые упоминается только в 1232. Европейцы и арабы узнали о компасе от китайских моряков.
 
Искусственное намагничивание
 
В традиционной китайской литературе упоминаются два метода искусственного намагничивания.
 
О первом писал Шэнь Ко. Это намагничивание, как указывалось выше, осуществляется посредством трения стальной иглы о магнетит. Согласно современной физике, ферромагнитное вещество содержит как бы маленькие магнитики, называемые доменами. Когда вещество не намагничено, домены имеют случайную ориентацию. Когда его намагничивают посредством трения о магнетит, домены ориентируются по оси, соответствующей направлению магнитного поля магнетита. Для иглы компаса использовалась сталь, поскольку она хорошо сохраняет полученный магнетизм.
 
Шэнь Ко отмечал, что иглы, потертые о магнетит, указывают, как правило, острием на юг, но некоторые – на север. Причину он видел в том, что природа камней из магнетита различна. В чем конкретно заключается это различие, Шэнь Ко не объяснял, но очевидно, что данное разнополярное намагничивание игл могло быть обусловлено многими факторами, в частности, формой магнетита, положением иглы по отношению к нему и проч.
 
Другой метод намагничивания железных объектов заключался в использовании магнитного поля Земли, как это описано в «У цзин цзун яо» («Собрание важнейшего из военных канонов»). Тонкий лист железа вырезается в форме рыбы, длиной в два цуня [2] (в XI в. 1 цунь [2] = 3,19 см) и ширину в половину цуня [2]. Рыба нагревается на огне, для поддержания которого используется древесный уголь. Когда она раскалится, ее берут за голову железными клещами и держат так, чтобы хвост указывал на север. В этой позиции ее частично подвергают закалке с водой в кювете, погружая хвост на несколько десятых цуня [2]. Обработанная таким способом рыба хранится затем в плотно закрытой коробке.
 
По современным физическим представлениям, когда железо раскалено (т.е. имеет температуру выше точки Кюри – 600–700° C), кинетическая энергия его молекул увеличена и магнитные домены теряют устойчивость ориентации. Под действием магнитного поля Земли домены располагаются приблизительно параллельно, и быстрое охлаждение закрепляет такую ориентацию. Это явление называется термоостаточной намагниченностью. Так как Китай расположен в Северном полушарии Земли, где земное магнитное поле имеет наклонение вниз, наиболее эффективно подвергать закалке хвост железной рыбы, опуская его в воду под некоторым углом и ориентируя на север. Этот второй метод намагничивания был разработан чисто эмпирически и оказался соответствующим свойствам магнитного поля Земли, открытым позднее – магнитное наклонение было обнаружено в 1544 Георгом Гартманом (1489–1564).
 
Намагничивание железа в магнитном поле Земли описано также в нескольких книгах, появившихся в эпохи Мин и Цин. Например, об этом писал Ли Юй-хэн в «Цин-у сюй янь» («Вводное слово [к учебнику] Синего Ворона»), изданном в 1570: «Недавно я встретил геоманта Ван Нун-ваня и узнал от него, что если взять любой железный брусок, тонкий или толстый, и подвесить его за середину на нити, чтобы он был сбалансирован горизонтально и мог вращаться, то он будет всегда останавливаться в юго-северном направлении, подобно игле компаса. Я провел эксперимент и убедился, что это так». Фан И-чжи в «У ли сяо ши» («Малое знание о принципах вещей», 1664) сообщил о неком Тэн И, который утверждал, что если однородный по форме железный брусок горизонтально подвесить в центре, то он остановится в юго-северной позиции.
 
Магнитное склонение
 
Пока еще не установлено точно, кому из китайских ученых принадлежит приоритет в открытии магнитного склонения, т.е. отличия на некоторый угол в точке наблюдения направлений магнитного и географического меридианов. Есть мнение, что около 720 о магнитном склонении говорил астроном И-син. По его наблюдениям, магнитная стрелка на севере указывает не точно на истинный (астрономический) север, который находится приблизительно между «лунными» стоянками (сю [2]) Сюй («Пустота») и Вэй [12] («Кровля») и в то время точно был в 6°Сюй, а на 2°95' на восток от него. Другим синологам эти сведения подтвердить пока не удалось.
 
Еще одно раннее утверждение, касающееся магнитного склонения, содержится в энциклопедии «Гуань-ши ди ли чжи мэн» («Элементарный указатель земных принципов господина Гуаня»). Она приписана некоему Гуань Ло, жившему в III в., но, как считается, могла быть составлена только в середине VIII в. В энциклопедии утверждается, что намагниченная игла, будучи тонкой и неизогнутой, должна указывать направление, связывающее по прямой юг и север, но имеется некоторое отклонение: на юге игла направлена на стоянку-сю [2] Син («Звезда»), а на севере — на Сюй («Пустота»), т.е. она располагается по оси, обозначаемой циклическими знаками дин [1] и гуй [8].
 
Последние соседствуют против часовой стрелки со знаками у [10] и цзы [3], которые соответствуют астрономическому направлению юг—север в 24-частной разметке компаса по зафиксированному ок. 730 г. известным геомантом Цю Янь-ханем принципу чжэн чжэнь («прямая игла»). Видимо, в конце IX в. подобный феномен магнитного склонения нашел свое отражение в разметке компаса основателем цзянсийской школы фэн шуй Ян Юн-суном по принципу фэн чжэнь («игла шва»), согласно которому все 24 деления смещены по часовой стрелке на 7½ ° (т.е. на полделения) относительно разметки чжэн чжэнь.
 
После 1050 г. во всех описаниях магнитного склонения отмечается направление,  смещенное на севере не на восток, как указывалось ранее, а на запад. На юге, соответственно, отмечалось восточное смещение. Такая перемена в обозначениях, возможно, соответствовала природному изменению магнитного склонения (известно, что магнитное склонение непостоянно, а изменяется от места к месту и со временем, поскольку магнитное поле Земли неоднородно, а магнитный полюс медленно перемещается).