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解密指南针：女王与教皇

指南针是中国古代的四大发明之一，但中国学者似乎并不关心它为何会指南。例如在著名的《梦溪笔谈》中，作者沈括(1031-1095)虽然介绍了好几种指南针的制作法，甚至提到“磁偏角”(然常微偏东，不全南也)，却完全没有探讨背后的原理。

反倒是西方世界，很早便出现颇具说服力的理论，认为北极附近有一座巨大的磁山。直到十六世纪，著名的地图大师麦卡托(Gerardus Mercator， 1512-1594)都还坚信这个理论;在他所绘制的地图中，我们很容易找到这座黑色的磁山。

麦卡托凭想像绘制的北极地图

五个世纪匆匆过去了，如今连小学生都知道地球本身是个大磁铁，而且磁极位于南北极附近。不过，这个事实究竟是何时、何地、何人以及如何发现的，知道完整答案的人恐怕不多。

●伊莉莎白女王的御医

吉伯特像

话说公元1600年，英格兰女王伊莉莎白一世(1533-1603)已至暮年，回顾这一生，她不禁感到志得意满。

女王在位长达四十四年，开创了英国的“黄金时代”。无论在政治上、军事上、经济上、宗教上、文化上，这个欧洲的后起之秀都有空前的成就。

科学上也并未交白卷，就在这一年，《论磁石》这本重要的电磁学着作在伦敦出版，作者是女王即将任命的御医吉伯特(William Gilbert， 1544-1603)。

根据当时的学术惯例，《论磁石》全书以拉丁文写成，书名当然也不例外(De Magnete)。不过这个书名只是简称，完整的书名是《论磁石与磁性物体，兼论地球这个巨型磁石》。

这个冗长的书名很有创意，足以勾起读者的好奇心，却一点也没有透露“地球是巨型磁石”这个结论是怎么来的。

在公布答案之前，让我们先做个背景回顾：欧洲从十五世纪起进入海权时代，英国虽然起步稍晚，但紧跟在葡萄牙和西班牙后面急起直追，成就也不容小觑。而在那个航海活动盛行的时空环境中，医生出身的吉伯特对地磁现象越来越感兴趣，潜心研究十载左右，聪明的他便成为这方面的权威人士。

●划时代的模拟实验

为了证明“地球是巨型磁石”这个大胆假设，吉伯特自创了一个划时代的科学方法。用现代语言来说，就是所谓的“模拟实验”。

他用磁石制作一个地球模型，将磁极订为南北极，然后利用特制的指南针，在这个模型附近来回游走，仔细测量各点的数据(指南针的方向以及“磁倾角”)。完成这个模拟实验后，他将自己的数据和当时航海家在世界各地所做的测量一一比对，发现两者相当吻合。

换言之，吉伯特是借着模拟实验配合实地观测，导出这个惊人的正确结论。

至于“磁倾角”为何是铁证，让我们用最简单的方式说明如下：

若将指南针比喻为天平，除非你位于赤道，否则这个天平一定歪向一边，而歪斜的角度就是磁倾角，它的大小会随着纬度而增加。

磁山理论完全无法解释磁倾角，即使在南北极各放一座磁山也不行。唯有将整个地球视为一大块磁石，才能让理论与观测结果互相吻合。

《论磁石》插图：磁倾角模拟实验

至于沈括书中提到的磁偏角，主要成因是磁南北极和地理南北极并不一致。吉伯特虽然熟悉磁偏角的现象，却错将磁南北极当作地理南北极，以致在书中对磁偏角做了错误解释，在此就不多做介绍了。

●不只磁学而已

《论磁石》全书共有六卷，除了磁学之外，还做了许多相关的探讨，例如讲述“静电学”的篇幅就不少。

虽然古希腊人已经发现摩擦生(静)电的现象──被毛皮摩擦过的琥珀具有吸引碎屑的能力──却从来没有给它取名字。为了必也正名乎，吉伯特从希腊文的琥珀(elektron)创造了“电”的拉丁文(electricitas)，不多久，它就转成了英文(electricity)以及其他欧洲语文。

而在实验方面，为了检验物体是否带有静电，吉伯特发明了史上第一个验电器，这种可简称为“电标”的仪器并不起眼却相当实用。

《论磁石》插图：电标

必须强调的是，《论磁石》虽然在磁学上有重大成就，但是在电学方面，吉伯特却做出一个令人遗憾的结论：认为“电”与“磁”虽有相似之处(例如都有隔空的作用力)，两者却有本质上的差异，不能混为一谈。

由于《论磁石》是一本权威着作，直到一个半世纪后，随着新证据的出现，才有学者敢于挑战这个错误的论断。

●捞过界的第六卷

基于对磁学研究的信心，吉伯特乘胜追击，在《论磁石》的最后一卷，将地磁理论延伸到天文学的领域。

例如在本卷的第四章，他声称地球的自转是受到地磁推动，因此自转轴和磁南北极“刚好”重叠。

(像不像把地球看成一个天文级的马达？)

如今谁都能一眼看出这个理论大错特错，但是它对天文学以及物理学的影响，绝对超出大家的想像。

影响之一，它激发了天文学家克卜勒的想像力，几年之后，克卜勒便发展出自己的“万有磁力”学说，用磁力来解释行星绕日的运动，这正是1609年出版的《新天文学》这本书的中心思想。

影响之二，它主导了其后半个多世纪的重力研究，直到一六六零年代，英国皇家学会的成员(以胡克为代表)大致都还相信重力是一种磁力。

影响之三，牛顿于一六八零年代提出的万有引力理论，骨子里也有磁力的基因，那就是“大尺度的超距力”──虽然电和磁都属于超距力，亦即隔空的吸力或斥力，但摩擦生电只是实验室的把戏，唯有磁力能够达到行星级的范围。

由此可知，从吉伯特(经由克卜勒以及胡克)到牛顿，其间存在着一条微妙的思想脉络，称之为一脉相承也不为过。因此若请科学史家票选万有引力的祖师爷，吉伯特想必能高票当选。

●天高教皇远

身为哥白尼的忠实信徒，吉伯特在《论磁石》的第六卷详细阐述了地球自转的自家理论(公转部分由于证据不足而有所保留)，并以十足的火力对“地静说”进行毫不留情的批判。

请注意，这本书出版于公元1600年，距离布鲁诺被活活烧死顶多几个月。而在十六年后，伽利略还因为主张地球并非静止，受到一系列的宗教迫害，至死未能获得平反。

落差实在太大了！为什么吉伯特不必顾虑罗马教廷，也不担心什么宗教审判？

或许我们可以说，是因为英国距离罗马太远，教廷的势力鞭长莫及，正如磁力会随着距离衰减。不过，这个答案只能勉强及格而已。

如果想拿高分，就一定要从伊莉莎白一世谈起。

就在女王出生那一年，其父亨利八世以国王的身份和罗马教廷公开决裂。用历史名词来说，就是亨利八世搭上“宗教改革”的便车，自立门户成立了“英国国教”。

在宗教改革所出现的新兴教派中，要数英国国教对自然科学的态度最开明。相较之下，马丁‧路德开创的“路德宗”就比较保守一点(所以克卜勒也受过一点迫害，但比起伽利略又幸运多了，有机会再详述吧)。

虽然后来英国国内的旧教势力再度抬头，但由于伊莉莎白一世是坚贞的新教徒，在她登基之后，旧教势力很快便式微，新教从此在英国取得主导地位。

因此，不论是吉伯特或是几十年后的胡克、牛顿与哈雷，他们之所以能毫无顾忌地探讨太阳系的真相，真正原因是罗马教廷对英国毫无约束力──正如同磁铁只能吸引磁性物质，对于金银铜锡则无能为力。