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《武經總要》指南魚
北宋時，古人發現鋼鐵在磁石指南魚復原模型上摩擦會產生穩定的磁性，於是發明了世界上第一件用人工磁體製成的指南工具－指南魚。
指南魚是用薄的鋼片剪成魚形，長約兩寸，寬約兩分，磁化後浮在水碗中，便可指極。後又經不斷改進，便出現了「指南針」替代那魚。指南針是一枚磁化的小鋼針，可以放在指甲上、碗邊上運轉，或在中間穿上小段燈草，浮在水碗裡，都能靈活地指向南方。不過由於指南魚只可以在平靜的水面上準確運轉，穩定性不足，若要用在航海方面的話，仍要有更進一步的改進。
早在兩千多年前漢（公元前206 －公元220 年），我們的祖先就發現山上的一種石頭具有吸鐵的神奇特性，並發現一種長條的石頭能指南北，他們管這種石頭叫做磁石。古代的能工巧匠把磁石打磨鑿雕成一個勺形，放在青銅製成的光滑如鏡的底盤上，再鑄上方向性的刻紋。這個磁勺在底盤上停止轉動時，勺柄指的方向就是正南，勺口指的方向就是正北，這就是我國祖先發明的世界上最早的指示方向的儀器，叫做司南。司南的“ 司” 就是“指”的意思。
司南是我國春秋戰國時代發明的一種最早的指示南北方向的指南器，還不是指南針。根據春秋戰國時期的《韓非子》書中和東漢時期思想家王充寫的《論衡》書中的記載，以及現代科學考石學家的考證和所製的司南模型，說明司南是利用天然磁石（古代稱慈石，用慈愛來描述磁石吸鐵現象）製成湯勺形，由其勺柄指示南方。而在春秋戰國時期的《管子》書中和《山海經》書中便有了關於慈石的記載，而在這一時期的《鬼穀子》書中和《呂氏春秋》書中還進一步有了慈石吸鐵的記載。這可以說是古代最早的磁指南器，現在北京的中國歷史博物館和其他地方的許多博物館都有司南的模型展出。這裡要指出關於指南車的問題，歷史上傳說黃帝（約公元前47 世紀）和西周周公（約公元前21 世紀）曾製造和使用指南車，但是經過後來的文獻考證和模型製作試驗，都已證明指南車與指南針沒有關係，漢代以後的指南車是依靠機械結構，而不是依靠磁性指南的。現在北京的中國歷史博物館中也有指南車的模型展出。
二、古代羅盤
後來古人又在司南的基礎上製作了古代羅盤。這時的羅盤已很像現在使用的指南針了，它具有指方向的磁針和顯示方位的刻度盤。把羅盤裝在船上，可以為人們航海指引方向。大約在800 年前，我國發明的羅盤傳到了非洲、歐洲，世界各地才有了指示方向的儀器。這是中國人民了不起的偉大貢獻。這大大促進了世界各國的交往和科學、文化、經濟的發展，我們為祖國古代勞動人民對世界科學技術的發展所作出的貢獻而倍感自豪。
我國使用天然磁石指南北的年代，可追溯到公元前4 世紀。當時一部叫《鬼穀子》的書中記載了磁石羅盤（司南），這是世界公認的最早磁性指南器具。在古代思想家韓非（約公元前280 ～233 年）所寫的《韓非子》一書中，我們可讀到：“故先王立司南以端前夕”。意思是說，古代君王創造司南這種磁羅盤來確定南北方向。在歐洲的文字記載中，首次提到磁羅盤是在1190 年。所以我國使用磁羅盤的歷史比歐洲人至少早1500 多年。
三、指南魚
大約在北宋初年，我國又創制了一種指南工具—— 指南魚。是北宋四種指南針之一。因此到了北宋時代，由於軍事和航海等需要和材料與工藝技術的發展，先後利用人造的磁鐵片和磁鐵針以及人工磁化方法製成了在性能和使用上比司南先進的指南魚。
指南魚的製法最早出現在北宋的《武經總要》（公元1044 年）書中，大意是將鐵片剪成首尾兩端尖銳的魚形，放在炭火中燒紅後取出，使尾部指向北方斜放入水中。將這樣製成的指南魚放在水碗中便可指示南北方向。可以看出，這種長期經驗積累的製造方法是符合科學原理的：首先利用水中淬火產生相變和（地）磁場熱處理可以提高指南魚鐵片的磁性和矯頑力，其次利用首尾兩端尖銳的長條形鐵片可以提高指向精度和減小退磁因數，再次是利用鐵片向北傾斜放入水中淬火能更接近地（球）磁場傾角即接近總地磁場方向，可以提高磁場熱處理的效果。
在指南魚發明後不久，又發明了一種意義更重大、制法更簡單、使用更方便和用途更廣泛的指南針。最早是北宋的著名政治家和科學家沈括在其著作《夢溪筆談》（公元1086 年）中記述的，大意是利用天然磁石磨鐵針，受磨的鐵針就能指向南方。有4 種指南針的用法：將指南針放在指甲上的指爪法【圖（1 ）】，將指南針放在碗口邊上的碗唇法【圖（2 ）】，將指南針懸掛在新蠶絲上並用蠟粘住的縷懸法【圖（3 ）】，將指南針橫貫燈尺而浮水面的浮針法【圖（4 ）】。還記述指南針並不完全指南，而是略微東。這就是磁偏角現象。這表明當時對於指南針的指向觀察是很仔細的。
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指南針，又稱羅盤，是中國發明，是一種用於指示方向的工具，廣泛應用於各種方向判讀，譬如航海、野外探險、城市道路地圖閱讀等領域。
指南針分為兩種類型：依靠磁力與不依靠磁力的。第一種又可分為兩類：一是根據地球磁場的有極性製作的地磁指南針，但這種指南針指示的南北方向與真正的南北方向不同，存在一個磁偏角；二是電子指南針，採用磁場傳感器的磁阻（MR）技術，可很好地修正磁偏角的問題，現已大量用於衛星定位裝置中。至於不依靠磁力的則純粹根靠器件內部的物理方法指示方向，如指南車或慣性導航系統。
英國漢學家李約瑟把指南針稱為「中國古代四大發明」之一。
指南針又稱指北針，因為當代指向針常在指向北方的一端漆上顏色標記，便於使用者尋找北方。
司南
有一種觀點認為中國古代記載的「司南」就是指南針最早形式（戰國時韓非子《有度篇》即已出現司南一詞）。東漢王充（公元27～約97）《論衡》（明嘉靖版）卷十七是應篇第五十二說「司南之杓，投之於地，其柢指南」，這個記載雖不是最早，但是最早表述清楚的一個。司南具體形式卻有很大爭議，根據《論衡》以及唐韋肇《瓢賦》中的記載，王振鐸判定司南為勺型天然磁石配合地盤[1]，雖有出土漢地盤和河南南陽東漢墓出土石刻司南勺圖佐證，但畢竟無完整配合出土。1950年代錢臨照試圖以天然磁石製做勺形司南，但因天然磁石磁距小、底部摩擦大而未成功[2]。
將司南理解為磁勺從古文獻考證及實驗方面在學術界一直存有異議。其中東北師範大學教授劉秉正在1956年考證出指南魚是中國人最早地進行人工磁化的應用，同時也對司南是磁性指南工具提出質疑[3]。近些年來他進一步提出《論衡·是應篇》以及《瓢賦》中的司南是天上的北斗， 而其它的文獻中的司南或指南有的是指南車如《鬼谷子》記載的司南，有的是行事的準則如《抱朴子·外篇·疾謬》中的指南，還有是指官職如《韓非子》中的記載[4]。2005年中國國家博物館研究員孫機近根據前北平歷史博物館舊藏殘宋本《論衡》認定「司南之杓」杓字實為酌，那麼看來「其柢指南」之柢也非指勺柄[5]。根據最新的文獻考證表明，司南是北斗的別稱，同時司南的其他用法也都與北斗有關[6]。此文通過對北魏·溫子升《定國寺碑》中「幽隱長夜，未睹山北之燭；沉迷遠路，詎見司南之機。」、梁·吳均《酬蕭新浦王洗馬詩二首》中的「獨對東風酒，誰舉指南酌」等唐以前文獻的分析，認為這些文獻中司南只能解釋成北斗，而《論衡》，《瓢賦》中的司南也應是北斗。而元稹《加裴度幽鎮兩道招撫使制》中的司南應是官職，宋·釋正覺《頌古》：「妙握司南造化柄，水雲器具在甄陶。」中的司南應是權力，唐·宋暠《獬廌賦》中「守法者仰之以司南，疾惡者投之於有北。」的司南是法律，這些詞意都來源於北斗。另外《韓非子·有度》中的司南也應解釋成法律，其中的「朝夕」不是方向，而是早晚朝見或君王早晚聽政。其他司南引申為定時間（杜甫《詠雞》中的司南）、指德高望重的人(張九齡《祭張燕公文》)、以及指導準則等意也來源於北斗。此文認為目前司南是磁性指南工具的論據還遠不充分。
指南針
《武經總要》指南魚
曾公亮成書於1044年的《武經總要》前集卷十五中有關於水浮指南魚的記載：
若遇天景曀霾，夜色螟黑，又不能辨方向，則當縱老馬前行，令識道路，或出指南車或指南魚以辨所向。指南車法世不傳。魚法以薄鐵葉剪裁，長二寸、闊五分，首尾銳如魚形，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，沒尾數分則止，以密器收之。用時，置水碗於無風處，平放魚在水而令浮，其首常南向午也。
李約瑟指出，鐵皮從高於居里點（600℃-700℃）的溫度急速降溫，就會被地磁場磁化成為磁鐵。這種利用地磁場製作磁鐵的方法，雖然磁性較弱，但具有不需天然磁鐵的優點[7]。上文中的「道路」、「指南魚以辨所向」等字句，說明指南針在1044年已經用於陸路交通了。 世界上最早的關於用天然磁石磨鋼針的方法造磁針，以及人造磁針指南的記載，出現在北宋沈括《夢溪筆談》[8]：
方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也。水浮多盪搖。指爪及碗唇上皆可為之，運轉尤速，但堅滑易墜，不若縷懸為最善。其法取新纊中獨繭縷，以芥子許蠟，綴於針腰，無風處懸之，則針常指南。其中有磨而指北者。余家指南、北者皆有之。
其中記載：
方家用磁石磨針鋒，製造指南針。
四種支撐磁針的方法：水浮（水磁針）、放在指甲上、放在碗邊，用一根蠶絲懸掛磁針（旱磁針）。
磁偏角現象。
亦有人製造指北針
旱羅盤
元初《事林廣記》記載[9]：
以木刻魚子，如拇指大，陷好磁石一塊子，卻以蠟填滿，用針一半僉從魚子口中鉤入，令沒水中，自然指南。以手撥轉，又復如此。以木刻龜子一個，一如前發製造，但於尾邊敲針入去，用小板子，上安以竹釘子，如箸尾大，龜腹下微陷一穴，安釘子上，撥轉常指北。
元、明航海羅盤的應用
鄭和航海圖五針路
最早見於航海用途的指南針記載於北宋朱彧撰寫的《萍洲可談》[10]：
舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦觀指南針，或以十丈繩鉤，取海底泥嗅之，便知所至。海中無雨，凡有雨則近山矣。……
《萍洲可談》成書於1111年-1117年間，但所敘述的是1086年的事[11]。這比Alexander Neckam可能寫於1190年的《論器具（De naturis rerum）》中說法：航海時「白天雲遮太陽，或夜間黑暗不辨方向時，使用磁鐵摩擦鐵針，針停時指南北，」早約一個世紀。與英國幾乎同時法國和稍晚一點的義大利也有了首次指南針的記載。 1123年宋朝派遣使臣取海路出使朝鮮，《宣和奉使高麗圖經》記載用水浮指南針導航[12]：
是夜洋中不可住，維觀星斗前邁。 若晦冥，則用指南浮針， 以揆南北。
宋代的航海指南針，除「南北」，還未見有其他方位。
四十八方位羅盤用於航海的文獻紀錄，最早見於元代周達觀《真臘風土記[13]》：
自溫州開洋，行丁未針。歷閩、廣海外諸州港口，過七洲洋，經交趾洋到占城。又自占城順風可半月到真蒲。又自真蒲行坤申針，過崑崙洋入港。
其中丁未針= 202.5°、坤申針= 232.5°[14]。 明朝永樂年間隨鄭和下西洋的鞏珍在《西洋番國志》的《自序》中敘述應用水浮羅盤的情況[15]：
往還三年，經濟大海，綿邈彌茫，水天連接，四望迥然，絕無纖翳之隱蔽。惟日月升墜，以辨西東，星頭高低，度量遠近。斫木為盤，書刻干支之字，浮針於水，指向行舟。
《鄭和航海圖》中紀錄109道航海針路。例如：
「太倉港口開船，用丹乙針，一更，船平吳淞江。用乙卯針，一更，船到南匯嘴。平招寶」。（鄭和航海圖五）
「蘇門答臘開船，用乾戍針，十二更，船平龍涎嶼。四十更，船又用辛酉針。五十更，船見錫蘭山」；（鄭和航海圖十八 乾戌= 307.5° ，辛酉= 277.5°）
「官溜嶼用庚酉針，船收木骨都束」。（鄭和航海圖二十。庚酉= 262.5°）
明代《順風相送》、《指南正法》、《東西洋考》等文獻都有針路記錄：
廣東往磨六甲：南亭門放洋，用坤未針 （217.5°）五更船取烏頭山。用單坤針（西南 225°）十三更取七洲洋。坤未 （217.5°）針 七更船平獨豬山。……乾亥 （322.5°）針五更船平昆宋嶼，單亥針（330°）五更船取前嶼，乾（315°）針五更取五嶼；沿山使取磨六甲。[16]
台灣往日本從大港出。東南風可用丁未 （202.5°）及單未 （210°）過茄老灣線。南到青水烏水乾，可牽舵及用壬（345°）及壬子（352.5°），轉變取澎湖東過。[17]。
七洲洋用坤未針，三更取銅鼓山。[18]
明代舟師使用的羅盤，用水浮針，有一定的規矩[19]：
取水下針，務要陽水，不取陰水」，「安羅經，下指南（針），須從乾宮下」。下針之前，舟師必須誦讀《地羅經下針神文》，拜周公聖人，李淳風仙師，定針童子、轉針神郎、換水神君、下針力士、走針神兵、羅經坐向守護尊神、護國庇民妙靈昭應明著天妃等神靈，祈求「今日良辰下針，青龍下海永無災。
近來曾在青島和海南發現明代瓷質水浮指南針，尺寸大至為：最大外徑9.5厘米；上有盛水同心圓孔徑4.4厘米，孔深2.3厘米，外圍青花釉繪刻度，底座、四壁厚實堅固，估計是去水收藏，用時加水。現代液體羅盤基本原理類似，不過改進採用了密封技術。
現代指南針
中國在12世紀已經發明旱羅盤即現代指南針基本形式。經過了阿拉伯人有效改進後才傳入歐洲。但是歐洲現存關於指南針的記載早於阿拉伯，阿拉伯語中指南針（al-konbas）一詞也似源於古義大利語。近來在江西臨川一座葬於公元1198年的宋墓里發現一俑（標寫「張仙人」），手持一似風水羅盤「亦是旱羅盤」物，有觀點認為旱羅盤中國也可能早於西方使用，但可能先發明於江南沿海（如泉、廣）一帶應用，故博學如沈括也未見到，今後尚須考古文物工作者努力。內陸後世旱羅盤則多用於風水羅盤和校時羅盤，如174/l189曾三異《同話錄》「地螺，或有子午正針，或用子午丙壬間縫針。天地南北之正，當用於午。」「地螺」可能是一種校時羅盤，主要用途是校時。
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傳說成真？幫助維京人橫越大西洋的神祕太陽石
By Chen Jeffery, technews.tw查看原始檔
在人類還沒有發明 Google 與 GPS 以前，歐洲也還沒獲得中國的指南針時，維京水手就橫跨了大西洋。千年以前，從挪威航行到格陵蘭島大概需要 3 週時間，而維京人主要是利用太陽指南針投射的陰影來辨認地理位置的北方。
不過如果他們運氣不佳，遇到糟糕的天氣該怎麼辦呢？太陽指南針一定要在太陽照射下才能使用，在雨天或起霧時可說是毫無用武之地。早在 1967 年，一位丹麥的考古學家索爾柯德‧拉姆斯科（Thorkild Ramskou）提出維京人擁有另一套可取代太陽指南針的備用工具：有一種名為太陽石的大塊晶體，能幫助維京人從雲中追蹤太陽。
▲ 1948 年於格陵蘭島烏納托克島（Uunartoq）發現的木製器具，被認為是種用來決定方位的太陽指南針。（Source：Soren Thirslund）
太陽石究竟是什麼神奇的東西？這還得從維京人的傳說《奧拉夫王傳奇》開始講起：故事提到一位從西元 955 到 1030 年統治挪威的國王（這段時間也和維京人定居格陵蘭島的年代大致相符），為了調查一些偷牛賊，他拜訪了國家偏遠區域的首領。在那裡，他在一棟怪異的旋轉屋住了一晚，並做了一個奇怪的夢，聽完夢的內容後，首領的兒子預言：在不久的將來，有一位國王會接替奧拉夫成為挪威的統治者。其中有些版本提到一塊能讓國王通過厚重的雲和霧找到太陽方位的石頭。雖然傳說歸傳說，聽起來還有些荒誕，不過考古學家和歷史學家卻相信真有這塊石頭的存在，並認為所謂的太陽石就是冰島晶石，也就是俗稱的方解石。
2011 年法國雷恩第一大學（University of Rennes 1）的物理學家蓋‧羅帕斯（Guy Ropars）將這則傳說搬上實驗層面：他打造了一種太陽石裝置，並利用它在能見度只有 1% 的天空找到太陽的方位，這項發現還於 2011 年的《科學》雜誌報導。實驗根據的原理為太陽光的極化（polarization）現象，科學家將透明的方解石當作去極化物，只要輕輕轉動，讓它以適當的角度對準太陽，原本雙折射的兩條光線會重合。也就是說就算在多雲的天氣，只要水晶對到太陽，正好就是它最亮的時候，而維京船就能藉此找到方位。
用電腦程式模擬維京船
最近，兩位研究光學的專家：布達佩斯羅蘭大學的迪納斯‧薩茲（Dénes Száz）及加博‧霍夫斯（Gábor Horváth），為了進一步驗證將太陽石當作導航器的可行性，他們利用電腦程式模擬 1,000 艘船隻從挪威卑爾根的港口城市到法韋爾角（格陵蘭島東南方的海岬），每次航程都是從春分或夏至開始。這趟旅程耗時 3 週，距離長達 1,600 英里，且維京人還必須在固定的緯度向西航行。
旅程第一天的日出，程式使用方解石、堇青石或電氣石（都是具雙折射性質的晶體）模擬，如果虛擬船能近到看見格陵蘭島海岸線的山就算成功。總體而言結果算是順利：只要每 3 小時測一次，維京人就有超過 92% 的機率安全抵達。
不過如果每 4 小時測一次，他們可能就會錯過格陵蘭島並一路航行到加拿大，成功率會變成只有 32.1%~58.7%；如果是 6 小時，成功率會剩下不到 10%。
當然這項模擬只是現實的簡化版本，橫渡大西洋的船還會碰到暴風雪、強風及海洋亂流等不穩定氣候。霍夫斯承認：「沒人知道維京人實際用來航海的東西是什麼。」他認為他們高估了實際成功率。
除了實驗的不確定性，另一個問題在於，不管是哪一種太陽石的候選「石」：方解石、堇青石、電氣石等，都沒有出現在維京的考古遺址裡，這是非常棘手的問題，哪怕歷史學家在中古世紀的資料找到方解石或其他礦物質就是太陽石的好理由，也沒辦法說服他人。不過，2013 年似乎帶來了轉機：科學家在一艘 1592 年在海峽群島沉沒的英國戰艦奧德尼號上，竟然找到方解石碎片。
「這告訴我們一種可能：16 世紀仍有船隻在使用這項導航技術。」霍夫斯說。儘管關於太陽石的證據仍嫌稀少，不過相信科學家將會一步步得到線索，進而找到維京人橫越大西洋的真相。
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