中国航海历史悠久,汉代开辟的丝绸之路和海上通道,让中国的经济发展突飞猛进,宋元时期更是迎来顶峰。其中海上丝绸之路的辉煌以泉州港的繁荣为代表,且在当时福建海上贸易十分发达,这离不开福建先民一流的航海科学技术。

“司南”定向

据史籍记载,早在春秋战国时期,我国先民就开始利用磁石的指极性,发明了一种用来指示南北方向的“司南”——最早的指南针。 战国时期的司南犹如一个勺子,十分光滑,放在一个光滑的盘子上。盘子周围刻有二十个方向,勺子可以自由旋转,待静止下来后,勺柄总是指向南方。在古代,堪舆家制造司南,磁极很难找准,而且琢制过程中磁石因受震动会失去部分磁性,所以,好的司南很难得。人们于是另想办法,制造新的指向仪器。

到了宋代,指向仪器的制造技术进步很大。北宋初年的《武经总要》中,记载了制造指南鱼的方法:用薄铁皮裁剪成鱼的形状,烧红后用铁钳夹住放在水中,鱼尾指向北边,鱼头指向南方,鱼尾稍微下倾,冷却后就成了指南鱼,在水中它总是鱼头指南。

这是一种人工磁化的方法,它利用地球磁场让铁皮磁化。即把烧红的铁皮放在子午线的方向上。铁皮烧红之后,温度高于居里点,铁皮中的磁畴便瓦解为顺磁体,蘸水淬火之后,磁畴又形成,在地磁场的作用下,磁畴排列有方向性,所以能指示南北方向。由于地磁场的磁场强度比较小,所以指南鱼的磁性也比较弱,指南效果很差。

北宋发明了摩擦法制造指南针。沈括在《梦溪笔谈》中提到了另外一种人工磁化的方法:“方家以磁石摩针锋,则能指南。”按沈括的说法,当时的技术人员用磁石去摩擦缝衣针,就能让针带上磁性。从现在的观点来看,这是一种利用天然磁石的磁场作用,让钢针内部磁畴的排列趋于某一方向,可以显示出钢针磁性的方法。这种方法比地磁法简单,而且磁化效果比地磁法好。

指南针能指南,必须给它创造一个可以自由转动的条件,为此,北宋人民发明了缕线法。所谓缕线法,就是用一点蜡把一缕丝与指南针粘起来,悬挂起来就能辨别方向。但条件是要在密室中,不能有风。缕悬法比较实用,再加上辨别方向的罗盘,用于航海就不会迷失方向了。

还有人把指南针穿在灯草中,让它浮在水上指南,但水若有波动,针就难以静止下来了。事实上,沈括在《梦溪笔谈》中对几种方法都作了比较,他推崇的是缕悬法,认为这是比较理想而又切实可行的指向方法。

福建航海船舶,从什么时候开始使用指南针,目前还没有明确的记载。仅据北宋末年朱彧在《萍洲可谈》中说:“舟师识地理,夜则观星,昼则观日,阴晦观看指南针。”北宋的徐兢在《宣和奉使高丽图经》一书中也明确记载了福建海船使用水浮指南针导航的事情。

书中说,船队夜晚“神星斗前迈,若晦冥,则用指南浮针”。它较之《萍洲可谈》记录的“指南针”,其“指南浮针”所述“浮针”更为具体。

又据南宋时,曾任福建提举市舶司赵汝适在南宋宋理宗宝庆元年(1225)成书的《诸蕃志》中记载:“海南……东则千里长沙,万里石床,渺茫无际,天水一色。舟舶往来,唯以指南针为则,昼夜守视唯谨,毫厘之差,生死系焉。”可见福建航海船舶应用指南针,应当在北宋至南宋期间。有了指南针,福建舟师们便达到“过洋知山、知沙、知浅、知深、知屿、知礁,精通海道,寻山认澳,望斗牵星”的目的。

这里所说的指南针都是指罗盘。在古代典籍中,有时也称指南针为地螺,“螺”是“罗”字的假借;时或称其为“罗镜”,“镜”为“经”字的假借;又称指南针为“罗星”等,在堪舆家中或称指南针为“宅镜”“宅锦”。

古代福建舟师们将二十四位罗盘上的每一个方位都遵奉为大将军,“本罗经二十四向位尊神大将军”和“向”字似为衍文,因为接着罗列了具体的“子午酉卯、寅申巳亥、辰戌丑末、乾坤艮巽、甲庚壬丙、乙辛丁癸二十四位尊神大将军”,与之形成重复。

以图载路

据史料记载,唐朝兵部设有职方郎中一官,专门负责绘制、掌管和保存地图。国外的地图,则委托鸿胪卿访问外国人,询问其“本国山川风土,为图以奏”。吏部王权请令各地将“水路道路,并须载之以图。其有山岭浜湖,步骑舟楫各得便于登涉者,亦须备载”。虽然史书还没有指明航海图,但唐代已经重视“水陆道路”地图的绘制。

到了宋代,史书中便有了航海图的明确记载,如北宋咸平六年(1003),广州地方官曾向朝廷进呈《海外诸蕃图》;北宋宣和五年(1123),徐兢奉命出使高丽的时候,曾因为“神舟所经岛洲苫屿而为之图”;南宋时,赵汝适也曾经“阅诸蕃图”。以上诸图,都和东南沿海各省海上航路有关。当时福建航海船舶,也可引用这些轮廓的航海图,作为航行的大致提示和参照。

元代,东海和东南沿海漕运发达,南方的粮食、布匹,成年累月向北方运输,航路上各地点指南针指向,逐一标识在航海图薄之中,从而涌现出《海道经》一类的航海图。周达观于元贞元年(1295)奉命出使真腊(今柬埔寨),写下了《真腊风土记》一书。书中详细地记述了从温州出发,经过福建沿海到真腊的航海之路。

借风航行

宋元时期,福建制造的航海船舶,多向巨型化发展,更加依赖风力推进。所以,使用风帆的技术,也随之不断进步。

北宋宣和五年(1123),徐兢奉命从宁波港出国访问高丽。他在《宣和奉使高丽图经》一书中提到:他在福建雇募的座舰——客舟,大樯(大桅)高达十丈,头樯(头桅)高达八丈。

他还在书中提到:以“立竿鸟羽候风”测定风向,根据不同风,选用不同帆;如遇顺风,“张布帆五十幅”,广采风力以进;若“稍偏,则用利篷,左右翼张,以便风势”。遇正风少,所以常用利蓬,并指出头当风不可行船。无风时用小帆十幅,叫野狐帆。

徐兢等行至半洋礁时“是日午后,南风益急,加野狐帆。制帆之意以浪来迎角,巩不能胜其势,故加小帆子大帆之上,使之提契而行。”也即,正风张帆五十幅;偏风则用利蓬(小帆),左翼和右翼张开,以顺风势。大樯的巅顶,加小帆十幅,叫做“野狐帆”,风停了就用它们。

这就是说,船在海洋中,正风时全用大帆;风向稍偏或横风时,则用两旁的小帆斜挂,让风力经过斜挂帆面,仍保持一定的推动力,继续前进;遇到风停止的时候,大帆和小帆均失去推动作用,则在大樯顶端挂起“野狐帆”,因其位置处在十丈以上,还能接受高空微风的推动力。

上列风帆的装置和使用,在当时世界上的海舶中,实属创举。可见宋元时期的福建航海者善于巧妙地使用风帆。

神机妙算

宋元时期的福建水手,在海洋航行中,除了经常使用指南针,航海图和风帆以外,还有许多别具一格的航海技术,观测风向、察看海水、计算时间、度量水深、辨别方位等,遵循航行经验、寻求巧妙方法,全面地保证航行安全。

观测风向。随时观察天空云彩的形状,预测风向顺逆的变化,如发现海洋远方有白色的浪花,就预测到瞬息之间风从那边而来;巨涛拍岸,就预知第二天当起南风;天空有电光闪烁(非雷雨的闪电),就知道有两股气流互相击荡,气候将要发生变化。

察看海水。观察海水的颜色、状态,判断其深浅、离岸的远近、水域的情况等。如果海水碧黑如蓝靛,那么本船位于大洋中,离岸很远;如果海水是碧绿色,那么是近处有陆地;如果海水是浑白色,那么是接近海岸了。凡是鱼类聚集的水域,一定有暗礁,因为暗礁多生藻类,鱼是以藻类为饵料的。

计算时间。宋代人以“更”为航程和航速的计算单位,也是航海的计时单位。每昼夜二十四小时分为十更,即一更为一百四十四分钟。水手以瓷器为“更漏筒”,如酒壶状,中装满细沙,悬挂起来,沙从筒眼漏出,又以一筒承接它,上筒沙漏完,下筒沙满,则上下兑换,叫做一更。并以更来换算陆路里程,每一更约四十二多里,十更则约为四百二十余里,便可知船行走到了什么地方。

泉州宋船中出土过好几种水时计——椰子壳、铜钵和换水神君。古船第十三舱出土有一颗完整的椰子壳。其顶部开有一个小孔,直径约四点七厘米。这个小孔之下,约二点八厘米,又有一个小孔,直径约零点八厘米,高度为十点五厘米。椰子壳腹部外面直径约为十六点五厘米,内面直径约十五点六厘米。使用时,把椰子壳放在一只盛水桶内。椰子壳的面上,有一个小孔,所以放在水桶浮着时,即有细丝一般的水,注入于椰子壳里面。那小孔的大小,和椰子壳的容量,有一定的配置,务必让椰子壳则在一小时末尾,猝然下沉。一昼夜二十四小时,下沉二十四次,每小时误差不到一分钟。椰子壳另开一孔,可相当于增大其容量,要一个半小时才下沉。一昼夜下沉十六次。

除了椰子壳,宋船中还发现另外一种沉碗型水时计——铜钵(铜盆),每半小时下沉一次。“换水神君”其实是一种铜勺:古船第三舱出土了一件铜勺,口径为十四点二厘米,深二点七厘米,厚约零点零九厘米,重约一百七十二克,铜质和制作工艺均比较好。

厦门大学教授韩振华认为,这是专门为船上水罗盘和水时计换水用的铜勺。

深水测量。宋元时期的福建水手是怎样度量海水的深度呢?他们在船航行时,随时用重铅锤,系之长绳,坠入海底,探测水位的深度,如深度不够,就要防止船搁浅。测量其入水部分的长绳,按操作习惯,一般由舵手横两臂来测量,每横伸两臂其长度约五尺,所以称五尺(约一点六五米)为一水托。

南宋末年,吴自牧在《梦梁录》中记载:如果航海到外国做买卖,从泉州出洋,经过七洲洋,“船上测水深约有七十余丈”。可见我国宋代已经有了比较成熟的深水测量技术了。

如船在航途中,遇风或晦明不辨所处的地方时,水手则以十丈长的绳钩,取海底泥沙来判断本船到了什么地方,或附近有无港口,嗅之气味,察之颜色,便知船之所至。

辨别方位。宋元时期,福建水手也用量天尺来辨别方位。泉州宋船出土的量天尺,竹制,“残成三段,残长二十点七厘米、宽二点三厘米。尺面上有刻度五格,为十三厘米,平均每格为二点七厘米。作十等分,全长为三十六厘米,接近宋制”之尺。

此竹尺出土于古船的第十三舱,而第十三舱是舵尾舱,正是海师、舵公的工作处。它很可能就是一件观测诸如北极星等恒星的出水高度,以定船舶所在维度的、海师专用的量天尺。航海的量天尺,与陆上测量表影用的量天尺,其结构有些不一样,但利用勾股原理求得高度的办法完全一样。