再说地学，有关地学之最重要的文物是地图。地图在我国的出现也很早。上面说到的西周初年想在伊洛地区建都时，周公就曾遣人以“所卜地图”与“所卜吉兆”献给成王（《尚书·洛诰》疏）。在《周礼》中多次提到地图。《地官·大司徒》：“掌建邦之土地之图。”《春官·职方氏》：“掌天下之图。”郑玄注：“如今司空舆地图也。”这些图都是全国性的大地图。也有专业性的地图，如《地官·人》有金、玉、锡、石产地之图。以及更小范围的地图，如《春官·冢人》的职务是管理王家墓地，则掌有《兆域图》。兆就是“茔域”（《春官·小宗伯》郑玄注）。1977年河北平山战国中山王陵出土的金银错铜板《兆域图》，正是一幅陵园的规划图。当然，这是特殊的豪华型，一般《兆域图》仍应画在牍上或帛上。此外，《周礼·地官·小司徒》中还说：“地讼，以图正之。”郑玄注：“‘地讼’，争疆界者。‘图’谓邦国本图。”曹魏时发生的一件事恰可与这个说法相印证。正始年间，孙礼被授为冀州刺史。到任前，太傅司马懿对他说：“今清河、平原，争界八年，更二刺史，靡能决之。”要求孙礼去了就加以解决。孙礼说：“当以烈祖初封平原时图决之。”“今图藏在天府，便可于坐上断也，岂待到州乎”（《三国志·魏志·孙礼传》）？可见所谓的邦国本图颇具权威性。但这些图久已失传，长期以来所能看到的最古老的正式大型地图要推西安碑林所藏石刻《华夷图》和《禹迹图》，两图刻于齐阜昌七年（南宋绍兴六年，1136年），已经是12世纪的作品了。出人意料的是，1973年在湖南长沙马王堆3号墓出土了三幅西汉文帝时的地图，为前2世纪所绘，比《华夷图》等早了一千三百余年。三幅图中最大的《地形图》，96厘米见方。图中主区为当时长沙国的南部，即今潇水流域、南岭、九嶷山及其附近。主区的比例尺约1∶18万。地貌、水系、居民点、交通网等四大要素都表示得比较清楚。《地形图》的方位是上南下北，将它颠倒过来与现代地图对比，可以看出其河流的骨架、流向及主要弯曲均大体与今图相同。山脉如观阳、桃阳以东的都庞岭的走向也基本正确（图10-11）。南岭、九嶷山一带，山重水复，地形复杂，图中能表达出这样的精度，应有相当准确的测量资料为依据。考古工作者且以《地形图》上所标城邑的位置为线索，经过实地勘查，找到了汉代的营浦、泠道、舂陵、南平、观阳等古城的遗址，更足以证明《地形图》的可靠性。但图中所绘邻区即南越国地区，南北距离过分压缩，精确性很差。而且汉代的地图尚未能以网格的形式将其分率表现出来，致使裴秀作出“虽有粗形，皆不精审”的批评。
图10-11 马王堆3号墓出土
《地形图》（1）与现代地图（2）的比较
西晋地理学家裴秀曾主持编绘《禹贡地域图》和《方丈图》。在总结前人经验的基础上，他提出了绘制地图的六项原则——“制图六体”，即：分率（比例尺）、准望（方位）、道里（距离）、高下（相对高程）、方邪（坡度起伏）、迂直（坡度与平面距离的换算）。这就为我国传统的地图制图学奠定了理论基础。特别是在分率的应用上，裴秀的《方丈图》以“一寸为百里”，开辟了我国地图“计里画方”的先河。如碑林的《禹迹图》上，共画出五千一百一十一方，比例尺是“每方折地百里”，科学性大为提高。元代朱思本参校当时存世的图籍，加上他本人实地调查所得，编成著名的《舆地图》二卷。明代罗洪先将它改成分幅图，名《广舆图》，这是我国现存最早的地图集。
至于在大地测量的基础上绘制全国地图，则要到清康熙四十七年（1708年）才开始进行。这时还聘请了西洋教士协助测绘。测量时使用了带有望远镜的象限仪等仪器，测定了六百三十个经纬点，并采用了一种特殊的梯形投影法。测绘工作于1718年完成，所绘之图名《皇舆全图》，比例尺为1∶140万。此时欧洲的大地测量方在启蒙时期，至1730—1780年，法国才在欧洲国家中最先进行全国性的大地测绘。
地学方面之另一种著名的仪器是汉代张衡发明的候风地动仪。《后汉书·张衡传》说：“阳嘉元年（132年），（张衡）复造候风地动仪。以精铜铸成，员径八尺，合盖隆起，形似酒尊，饰有篆文、山、龟、鸟、兽之形。中有都柱，傍行八道，施关发机。外有八龙，首衔铜丸。下有蟾蜍，张口承之。其牙机巧制，皆隐在尊中，复盖周密无际。如有地动，尊则振，龙机发吐丸，而蟾蜍衔之。振声激扬，伺者因此觉知。尝一龙机发，而地不觉动，京师学者，咸怪其无征。后数日驿至，果地震陇西，于是皆服其妙。后乃令史官记地动所从方起。”此仪虽久已失传，但这段记载合理可信，所以引起中外学者的注意。1875年日本学者服部一三最先对张衡的地动仪进行复原研究，此后从事这项工作的不下十余家，其中以王振铎先生的复原方案最著名。王氏自1936年至1963年长期关注和研究这一课题。他制作的模型外观典雅，流传甚广（图10-12∶1）。不足的是，此模型在研制过程中从未做过模拟实验。近年把它放在专业的高精度的DK-5双向液压振动台上检验时，发现王氏模型中的都柱（即直立杆）在垂直颤动时便会倾倒，而且方向是随机的，不具有可重复性，完全不能反映“震之所在”；甚至对各种非地震所造成的地面垂直震动也没有分辨能力，与张衡的地动仪在性能上几乎没有共同之处。另一派学者则认为都柱指悬垂摆。冯锐先生等于2004—2005年制作的模型，将悬垂摆挂在仪器腹中。受到地震引起的地面作水平晃动、振幅较大且持续时间较长的瑞利波的激发，会使都柱摆动，其方向大体与地震射线的走向平行（图10-12∶2）。但由于后续的瑞利波的反复作用，此都柱会在入射面的±45°的范围内摇摆。因此产生的问题是：由于摆动是双向的，如震源来自东方，而都柱所触发的龙首吐丸，却既可在东，亦可在西；甚至不排除或东北、或东南、或西北、或西南之四道中的某道亦发生吐丸现象的可能。所以它同样无从测知“震之所在”。而张衡的地动仪却既能验知地震的发生，还能测出其发生的方位。对此不仅《后汉书》言之凿凿，司马彪的《续汉书》也说：“如有地动，樽则震，寻其方面，知震所在。验之以事，合契若神”（《御览》卷二三五引）。袁宏《后汉纪》也说它能够“知地震所起从来也，合契若神。自此之后地动，史官注记，记所从方起”。诸家众口一词，他们对张衡地动仪之性能的记载应是可靠的。当然，2004—2005年的模型有验震的功能，胜王氏之作一筹，但仍不能测向。对此，研制者解释说，这种仪器“其主要作用还是检验地震的发生，不是定方向。对地动仪的定向作用要客观认识，不能讲过头”（《张衡地动仪的科学复原》，中国地震台网中心，2005年）。果真如此，则张衡地动仪上何必安排内部的“八道”和外部的“八方兆”（见《后汉纪》），以及八龙、八丸、八蟾蜍等用以反映震源方向的设施呢？更何况如果不能测方向，史官的“记地动所从方起”又从何谈起？这是见载于众多史籍的政府行为的记录，是不能视而不见、置之不理的。因此，这一方案仍不能作为可资信据的张衡地动仪的复原模型来看待。要真正复原出张衡的地动仪，还有一段路要走。
图10-12 地动仪的两种复原方案
1．王振铎的复原方案（a．外观 b．内部结构）
2．冯锐等的复原方案（a．外观 b．内部结构）
最后再谈谈有关磁学的指南针。《辞海》“指南针”条说：“在战国时已有用天然磁铁矿琢磨成的指南针，称为‘司南’。最早的记载见于《韩非子·有度》，其著作年代约在公元前3世纪。”《辞源》“司南”条也说司南是“指南针、罗盘一类测定方向的器具”。这些权威辞书的上述说法，其实完全不正确。我们先看看《韩非子·有度》是怎么说的：“夫人臣之侵其主也，如地形焉，即渐以往，使人主失端，东西易面而不自知。故先王立司南以端朝夕。”韩非子以行路作比喻，渐行渐远，方向会发生偏移，甚至完全转向，而行者不自知。即清·王先慎所说：“此谓人之行路，积渐不觉而已易其方。”上面的引文中的司南为何物，首先要看说这话的具体语言环境，即所谈论的是行路。其次，解释古书应尊重旧注。旧注的作者距原书的时代较近，较有条件通晓原意。现存《韩非子》之最早的注解是唐人李瓒所作，他说：“司南即司南车也。”《晋书·舆服志》则说：“司南车一名指南车。”可见“司南”是“司南车”的略称。车为行路所用，与上引《有度》的叙述完全相合，故李注可从。司南车上装有能自动离合的齿轮系，连接车上的木人，它的手臂平举，作指向状；车虽转向，但木人一直指南。
另一方面，我国很早就发现了磁石的吸铁性。《吕氏春秋·精通》说：“慈石召铁，或引之也。”《淮南子·说山》也说“慈石能引铁”。但认识磁石的吸铁性容易，而认识其指极性就比较困难。因为如果未制作出可以自由转动的轻而细长的磁体，它的这项性能是很难直接观察到的。宋代以前，我国古文献中完全不曾提到过磁石的指极性。不了解磁石有指极性，缺少了这一前提；所以宋代以前的人，无从产生制作磁体指南仪的想法。可是王振铎先生却从东汉·王充《论衡·是应》中检出“司南之杓，投之于地，其柢指南”这十二个字，据以制成了那件很有名气的“司南”（图10-13）。王氏对这十二个字的一种理解是：“如勺之司南，投转于地盘之上，勺柄指南。”
图10-13 王振铎所设计的“司南”
既然王氏依据古文献立论，那就不能不接受版本和校勘方面的考察。王氏的引文所据之《论衡》的通行本，应是自明嘉靖通津草堂本递传下来的。但此外还有更古的本子。前北平历史博物馆旧藏残宋本，存卷一四至卷一七，为1921年清理清内阁档案时拣出的。抗战前夕古物南迁，此书随之而南，今归南京博物院，《是应》恰在其内。可注意的是，通行本中的“司南之杓”，宋本作“司南之酌”。朱宗莱校元至元本也作“酌”。酌训行、用。《逸周书·大武篇》：“酌之以仁。”清·潘振《周书解义》：“取善而行曰酌。”《广韵·入声·十八药》也说：“酌，行也。”“投之于地”则与《孙子兵法·九地篇》“投之亡地然后存”之前一部分的用语类似。而这句话在《史记·淮阴侯列传》中引作“置之亡地而后存”，则“投之于地”即“置之于地”，“地”指地面；并不是把它放置在小小的占的铜地盘上。“柢”字在《字林》、《玉篇》、《广韵》中都说它是“碓衡也”。碓衡是一段横木，正与司南车上木人指方向的臂部相当。所以宋本《论衡》中这十二个字的意思很清楚，就是说如使用司南车，把它放置在地上，其横臂就指向南方之意。作为王氏立论之基础的通行本中的“杓”，其实是一个错字。总之，《是应》中这句话说的是当时人所习知的司南车的性能，王充尚无法谈论当时的人所不曾谋面的磁体指南仪。
王氏根据他的理解设计的“司南”，是在占栻的铜地盘上放置一个有磁性的勺。但这个勺是用什么材料制作的呢？他说：“司南藉天然磁石琢成之可能较多。”可是天然磁石的磁矩较小，制作过程中的振动和摩擦更会使它退磁，这是难以克服的困难。王氏于是采用了另外两种材料：一种是以钨钢为基体的“人造条形磁铁”，另一种是“天然磁石为云南所产经传磁后而赋磁性者”。汉代根本没有人工的电磁铁，自不待言。他用的云南产天然磁石也被放进强磁场里磁化，使其磁矩得以增强。这两种材料均非汉代人所能想见，更不要说实际应用了。而长期在博物馆里展览的“司南”中的勺，就是用人工磁铁制作的。新中国成立后，“1952年钱临照院士应郭沫若要求做个司南，当作访苏礼品。他找到最好的磁石，请玉工做成精美的勺形，遗憾的是它不能指南。由于磁矩太小，地磁场给它的作用不够克服摩擦力。只得用电磁铁做人工磁化”（陈慧余《指南针物理学》，载《黄河文化论坛》第11辑，2004年）。郭沫若院长和钱临照院士在20世纪中尚且做不到的事，前3世纪之《韩非子》的时代和公元1世纪之《论衡》的时代中的匠师又如何能够做到？王氏在既没有考古学上的证据，又没有可靠的古文献依据，且没有技术上的可能性的情况下，竟动用几千年后才问世的电磁材料“复原”出汉代的“司南”。这种做法太不可取了。
前面说过，只有在能够自由转动的条状磁铁上才有条件观察到它的指极性。而古代为检试磁石的磁力，常以吸针为验。《名医别录》说：“好磁石能悬吸针，虚连三四为佳。”这些针会因与磁石的接触而磁化。到了宋代，就发现感磁的针能指南。沈括《梦溪笔谈》说：“方家以磁石磨针锋，则能指南。”然而如何使它自由转动呢？沈括又介绍了水浮、指甲旋定、碗唇旋定、缕悬等四种方法。之后，磁体指南针很快得到应用。我国的堪舆罗盘最早见载于宋·杨维德的《茔原总录》（1041年）。航海罗盘最早见载于宋·朱彧的《萍洲可谈》（1119年）。1985年和1997年在江西临川的南宋墓中两度出土手持罗盘的陶塑人物。前一例的年份为1198年，人像座底书“张仙人”。后一例的时代相近，人像座底书“章坚固”，也是一个仙人的名字（图10-14）。二者在现实生活中均应代表看风水的堪舆师。此类陶塑的屡屡出土，表明用于看风水的罗盘这时已然习见。以上情况证实磁体指南针在我国的出现不晚于11世纪，用于航海应不晚于12世纪初。而指南针在欧洲文献中最早见于英人尼坎姆（A. Neckam）于1190年间的记载，已经是12世纪末叶了。故指南针无疑是我国最先发明的，这是值得中国人民骄傲，并博得世界人民钦敬的科学成就。无须平添一个并不存在的“以司南勺定位”的阶段。因为添油注水、移花接木，拼凑一出假象，虚张一番声势，只能制造一场混乱；在科学上并无正面建树之可言。
图10-14 持罗盘的陶塑人物
1．江西临川南宋·朱济南墓出土
2．江西临川抚北镇南宋墓出土
后 记
2007至2009年，中国国家博物馆进行大规模改扩建。闭馆期间，馆领导为提升员工的业务水平，在安排施工之余，每周都举办学术讲座。笔者作为馆内的一名科研人员，理应尽力。乃不揣浅陋，承乏讲座中“中国古代物质文化”各专题的讲课任务。本书的基本内容即当时的讲稿。此前，有些相关的题目也曾到台南艺术学院和香港城市大学讲过。然而无论在馆内或去馆外，这种场合都是和出席者交流互动的良机。通过提问、讨论、分析、归纳，笔者受到很多启发。之后，于2012至2013年，在中央文史研究馆的组织安排下，对旧稿又作了通盘修改扩充，完成了这本小书。
面对“中国古代物质文化”这样的大课题，这本小书与之实难相称。但有次和一位年青同学闲聊，谈起这方面。他说，我看古代没有什么不得了的，四大发明不就是放了个炮仗造了张纸吗？听到这话不禁心底一震。中国古代的物质文化成就是我们这个东方大国五千年辉煌历史中重要的组成部分，是基本国情；本应成为常识，本宜家喻户晓。对这位青年而言，无论用大专著或小册子替他补补课，似乎都是必要的。因此使我有勇气将这几篇不成熟的文字发表出来，聊供读史者格物之一助。其中的疏失之处，尚希同志们不吝赐教。
孙 机
于中国国家博物馆，2013年
