第四章 让铁动起来的物质

磁性的奥秘最终关乎到地球本身及其物种诞生的奥秘，因此历史上这个问题的很多新发现常常站在宗教正统观点的对立面，而白吕纳的发现在当时也挑战了科学的权威。当这些科学家们发现他们不得不质疑基督教教义和当时的正统思想时，他们将自己的声誉、工作、自由甚至是生命都置之度外，大胆捍卫了真理，并借助于和当时主流观点相悖的想象力探索磁性的奥秘。

磁铁这个名词可以追溯到古代的文化作品中。古希腊诗人荷马在公元前8世纪曾写下著名史诗《伊利亚特》和《奥德赛》，这些史诗都是根据吟游诗人在字母表还未诞生之时讲述的故事编写而成，荷马在史诗中描写了神话中的英雄马格尼斯，他是希腊主神宙斯众多的儿子之一，也是希腊中部色萨利地区的国王。后来，他的王国便以他和他臣民的名字命名为马格尼西亚（Magnesia），马格尼西亚一种常见的矿物被称作magnetite（磁铁矿），同样以马格尼西亚人民、他们的土地和国王命名。

磁铁矿，铁矿石的一种，是自然界中一种广泛存在的永久磁铁，其分子中有足够的未配对自旋电子在同一个方向形成队列以保持其强大的磁场。人们把磁铁矿也叫做磁石，几个世纪以来，这个词已经悄悄进入了文学领域，作为一个人具有气场和吸引力的隐喻。现代研究表明，希腊的色萨利是稀有的纯磁铁矿化合物的故乡，这意味着这里有大量天然磁铁1。

罗马作家老普林尼在他的第一部百科全书《博物志》（又译《自然史》）中讲述了另一个磁铁由来的版本，一名叫马格尼斯的牧羊人发现他鞋子里的金属在小亚细亚或克里特岛的一座山上会被一些石头吸住，于是他的名字成为了这种“让铁动起来的物质”2的名称。

但铁为什么会动起来？正如历史学家A. R. T.琼克的编年史所记载的3，早期的西方哲学家主要有两种观点。一种观点认为，这种吸引是生物性的，是因为彼此具有生物一般的亲和力；而另一种观点则认为这种吸引力是机械性的，是由实际的粒子或挥发物的运动造成的。

公元前6世纪米利都的泰勒斯（Thales）认为磁铁吸引是生物性的，他被认为是西方第一位哲学家、数学家和天文学家。通过观测泰勒斯发现了小熊星座，并准确预测了公元前585年5月28日的日食4。他的学说能够流传至今，主要依靠亚里士多德和其他哲学家的传诵。他被誉为现代人类世界观的奠基人，而他能够做出这些成就，所依靠的不是曾经的教条，而是以钢铁般意志所做出的持之以恒的细致观察。

除了他的哲学思想外，泰勒斯还是一个非常务实的人。他所居住的米利都城位于现在土耳其的沿海，曾经是希腊的殖民地。米利都的那些有钱的邻居常常嘲笑他家徒四壁却醉心于无用的科学研究，泰勒斯偶尔也会戏弄一下这些邻居。泰勒斯根据有一年冬天的天气，判断第二年的秋天橄榄一定会丰收，他便提前筹资，以非常便宜的价格租了城里所有的橄榄压榨机。等到第二年秋天橄榄成熟时，他再把这些机器转租出去并获得了丰厚的利润。

根据亚里士多德的说法，泰勒斯的创新在于提出了磁铁是有灵魂的，并认为这也是磁铁可以使铁移动的原因。这大胆驳斥了当时盛行的“众神创造万物”这一思想，也挑战了“物质和人都是众神的棋子”这种世界观。在泰勒斯看来人们应该通过观察去了解世界，然后提出理论并验证它们，而这正是现代科学的基础。泰勒斯有没有因此受到惩罚无据可考，不过其中两条线索表明他应该没有被惩罚。据说，他是晚年在一次体育比赛中突然倒下猝死的，而不是被监禁或流放致死；他的学院也维持了很长时间，培养出了许多其他具有创新思想的哲学家。

阿克拉格斯的恩培多克勒（Empedocles），则与泰勒斯观点相反，他支持机械吸引力。他生活在公元前5世纪西西里岛，是一位哲学家，性格张扬，喜欢穿青铜凉鞋5。他认为铁可以从其“毛孔”中释放出蒸汽，蒸汽被磁石吸引，随之把铁也拖向磁石的方向。在接下来的几个世纪中，这种对磁力的物理解释在哲学家中一代代传承，在每次的传承中都会有些细微的改变。到了公元前4世纪，德谟克利特（Democritus）开始从理论上思考“原子”之间究竟是如何让物质连接在一起的，这种连接方式究竟类似于球和球座还是类似于钮钩和钮环。他认为，正是由于无数极微小的铁粒子被磁石吸引，才使得铁和磁石相连。一个世纪后，伊壁鸠鲁（Epicurus）将磁力归因于神秘而完美的环形连接6。

在公元前1世纪写过《物性论》的罗马人卢克莱修（Lucretius）也持有机械论的观点。他唯一知名的作品就是这部采用荷马和维吉尔所推广的抑扬六步格所写成的7400行长诗。他在这部作品中扩展了德谟克利特对原子的革命性理解，卢克莱修认为宇宙中的一切，包括人类，都是由微小的原子组成，不仅如此，他还阐述了宇宙及其生物随时间推移而进化的思想。这比泰勒斯的思想又更进了一步，这已经完全否定了众神创造世界的观念。在这部令人惊叹的作品中，卢克莱修将天然磁石描述为“引人入胜的石头”，维多利亚时代的学者是这么翻译的7。他认为，在铁和磁石之间流动的空气形成了真空，是真空将两者结合在一起的。

卢克莱修对磁石的理解谈不上全面，但一定是诗化和抒情的。他的作品曾经被长期遗忘在欧洲修道院发霉的手稿堆中，直到15世纪才重见天日。被再次发现时，它还是极具煽动性的，它最终影响了一批世界上最具革命性的现代科学思想家，包括伽利略·伽利雷、查尔斯·达尔文和阿尔伯特·爱因斯坦8。

不过对于一些早期的磁学理论家来说，磁铁和地球的诞生及其未来或众神的排位无关。他们在意识形态上没有争议，他们认为磁铁就是一种新奇的玩意或者工具。在公元前5世纪至公元前4世纪西方医学的奠基人希波克拉底认为，将一块磁铁（一整块或研成粉）直接绑在身上，可以止血。后来磁铁的这种作用又被演变成了一种纯粹的魔法。到了公元4世纪，一首关于各种石头作用的诗，写到磁铁可以促进激情的产生，无论是人还是神。换句话说，它就是开启欲望之门的钥匙。

磁铁作为导航工具的历史也非常久远，在公元纪年之前的几个世纪，中国已经开始使用磁铁制作各种各样精密的罗盘了。中国人将磁铁称为“爱之石”，大概是出于同样的原因，法国人也称磁铁为“爱人”。在《南极北极》中，物理学家兼磁学历史学家吉莉安·特纳9描述过一种仪器的模型。这种仪器很可能是中国古代堪舆学中根据风水来帮助村落选址的罗盘。它有一个磁铁勺，勺子放在代表天空的青铜或木制的圆盘上。勺子（星座）和圆盘（天空）又被放在外层的一个象征地球的方盘上，勺子的柄指向北方。让人感到奇怪的是，中国人似乎一直使用南方作为主要参考方向，而不是北方。

特纳写道，到了12世纪初，智慧的中国人已经能够用磁铁摩擦铁针制作导航用的罗盘，这种技术已经非常出色了。通过摩擦迫使铁针的不成对电子暂时朝向同一方向排列，并将磁化的针头悬挂在丝线上或以其他方式让它们指向南北，这是当时西方世界尚未完成的壮举。西方世界直到几十年后，当水手把带磁的铁针用于指南针时，这种技术才得以完善，而这些水手则被称为“引航员”。

皮埃尔·德·马利柯尔特（Pierre Pèlern de Maricourt），也被后人称作佩雷格里鲁斯，被誉为现代磁学之父，甚至有人认为他可以被称为现代科学研究之父。佩雷格里鲁斯是13世纪法国的工程师兼科学家，出生在皮卡第的一个骑士家庭。皮卡第地区风景迷人，是法国北部以盛产香槟酒而闻名的区域的统称。他的早年生活没有任何记录，但他在1269年8月8日写给朋友的3500字的书信却深深烙印在了科学史上，其中有几个副本保存至今。这是一篇用拉丁文写成的信件，拉丁文在那个时代是学者和上流社会的语言，信中包含了科学史上的第一批磁学实验结果。

佩雷格里鲁斯是一个能工巧匠，擅长机械建造，在当时新的巴黎大学接受教育。他的绰号“佩雷格里鲁斯”，拉丁文的字面意思就是“朝圣者”，暗示他是十字军骑士。

佩雷格里鲁斯在为安茹的查理（查理一世）效力时，写下了这封信。查理当时正在意大利山坡小镇卢切拉——中世纪地缘政治上的重要据点10——抗击当地穆斯林居民。查理是法兰西国王路易九世的弟弟，也是中世纪最雄心勃勃的欧洲贵族之一。在战争年代，这是一个相当显赫的背景。佩雷格里鲁斯利用他的知识帮助查理的军队长期围攻卢切拉，在法国人的营地周围建造防御工事，埋设陷阱，监督制造用来投掷火把和石头的投石机之类的攻城机械，攻打这座防御森严的城市。

佩雷格里鲁斯显然有大把闲暇时间，在战争时期，他开始思考古希腊数学家阿基米德的理论。公元前3世纪，阿基米德用青铜做出了一个巧妙的三维日地系统模型。佩雷格里鲁斯开始好奇，如果其中的球体一直运动下去会怎样，他在脑海中想象了一台我们今天所谓的永动机。那是他最初开始思考有关磁铁问题的契机。如果可以回到过去，你会在意大利8月的炎热天气下，在士兵的营地中找到他，宇宙的谜题分散了他对战争的注意力。之后，他便设计实验来验证磁铁是否可以实现他的设想。

今天，我们很难将这种研究行为与他所生活的中世纪联系起来。那个时代的印刷书籍尚未出现，纸张也并不常见。所有的档案，包括关于查理其他的一些战争记录，都是用精心刮削过的羊皮纸制作的手抄本书写而成。手稿上明艳的红色来自对炼金术主要原料汞或硫之类物质的加热。蓝色则来自青金石的粉末，青金石需要通过骆驼从千里之外的中东运到欧洲，然后磨成细小的粉末，再用生鸡蛋或者哺乳动物的皮熬制的凝胶粘合在羊皮纸上。虽然希腊和罗马的建筑师及艺术家可能已经掌握了直线透视法，但在佩雷格里鲁斯的时代，图像依然处于平面图形状态。人们发现用于艺术创作的这些原材料有毒，那是几个世纪之后的事情了。

当时全球一共只有十几所大学。巴黎大学，后来又被称为索邦大学，才成立了一个世纪多一点。曾经被人们遗忘的亚里士多德和柏拉图的作品在这片土地上开始重新兴起，出于对教育和文化的兴趣，一些学者一直追溯到了1095年的第一次十字军东征。那次和以后的十字军东征为欧洲人重新引入了希腊和伊斯兰世界的知识与奥秘，所以当古希腊哲学家作品的拉丁文译本第一次出现时，最好的中世纪思想让他们茅塞顿开，引领他们去探索世界的奥秘。

但在那个时代，科学是哲学，不是观察；是思想，而非实验。

《圣经》是当时最重要的著作，我们现在的物理学、化学、地质学和生物学的学科都在《圣经》的统筹之下。《圣经》说的即是真理，因为这是上帝的旨意。梵蒂冈教廷对《圣经》的解释是权威而不容置疑的，即使科学观察似乎与其解释相矛盾，人们也应该相信《圣经》上的内容。当时佩雷格里鲁斯的工作就是利用亚里士多德的科学理论来支持基督教的信仰。

很显然，佩雷格里鲁斯知道他正在进行一些有争议的事情。当时大多数人都认为磁力是一种稍纵即逝的魔法：时而出现，时而消失，是一种不牢靠的力量。也有人认为这是一种令人不安的、禁忌的类似于性的吸引力，会导致一件物品不可抗拒地被吸引到另一件物品上，让人无法抵挡或控制，就像情难自禁的性行为一样，都是魔鬼在作祟。所以磁力是宇宙的一个基本现象这一思想在当时是不能被公众所接受的。

“揭示这块石头隐藏特质的过程就像雕塑家创作出雕像和印章的过程。”佩雷格里鲁斯在写给他朋友的信里提道，“虽然我认为你所好奇的这些事情其实是显而易见的，其价值也是不可估量的，但普通民众依然认为它们只是幻想，是凭空想象出来的东西。”

佩雷格里鲁斯所谓的隐藏的特质指的是什么呢？其实就是磁铁有两极，佩雷格里鲁斯是第一个发现磁铁有两极的人，他也是为数不多的注意到磁铁既能相互排斥也能相互吸引的早期研究人员之一。但对佩雷格里鲁斯而言，磁极的概念并不包含运动或场的概念。他无法想象原子阵列中不成对的自旋电子。因此他的解释是，磁铁本身就是天空的复制品，它的南北极就是天空上的北极星和南极十字星座的，所以磁铁可以指向地理的极点，与地球的轴线平行。他把这个称为水手的向导，因为水手已经熟练使用它们导航长达数百年了。

佩雷格里鲁斯曾经告诉过他的朋友他是如何发现磁石磁极，这都归结为他做的那个令人震惊的实验。在1269年夏天，军队包围卢切拉的时候，他写道，首先把磁石放在一个圆形小木碗里，然后将那个木碗放在一个装满水的大容器里，木碗将会浮在水面上。石头的北极将指向天空的北极，石头的南极将指向天空的南极。“即使石头被挪动了1000次，它也将返回到之前的状态1000次，就像天生的本能一样。”

时至今日，一代又一代的学生们还在进行着佩雷格里鲁斯当年所做的实验。他们在磁铁上用力摩擦一根针，让针中铁成分中的未配对的外层自旋电子暂时地与磁铁的磁极保持一致，然后将针放在一碗水中的软木塞或一块肥皂上。之后就可以观察到针一端指向南，一端指向北。

佩雷格里鲁斯在何时何地以及如何进行实验的细节并未流传下来，但有一些线索可以帮助我们重现当时的场景。在第二次世界大战期间，英国对意大利卢切拉地区的空中侦察照片揭示了安茹的查理围攻卢切拉时期以及早期罗马和新石器时代当地定居点的遗址，随后的考古发掘11了当时卢切拉城外确实存在过军营的证据。发现的陶器包括大型釉面圆盘，这些圆盘底部一圈被涂成绿色、黄色或棕色，通常在圆盘中心还有一个生动的彩绘，一般是哺乳动物、鸟类、鱼类或人类，大小完全可以装得下一个里面放有磁石的小木碗。据关于查理军事行动的记载，那时的将士下巴上的胡须都修剪得非常仔细，前额上垂着高高的刘海，头发一直垂过下巴，在齐肩的位置修剪得平平整整；战斗中，他们穿着制作精良的锁子甲来保护头部和脖子，头盔是圆形的。当时军队中地位最高的男人，可能包括佩雷格里鲁斯，穿着色彩华丽的衣服，长度到小腿中部，腰间束皮带，佩带配剑。在这个时期弩也是常用的，用不起剑或弩的士兵则随身携带锄头或十字镐参战。13世纪的军事交战主要以骑兵交战为主，所以马、蹄铁工和铁匠在当时的军营里随处可见。佩雷格里鲁斯是如何在这样一个环境嘈杂、汗臭弥漫的军营中抽出时间和精力进行他的科学研究的呢？

1269年，就在佩雷格里鲁斯快要写完那封关于磁力的信的时候，安茹的查理厌倦了一年多来苦苦等待卢切拉居民投降的日子，他下令切断卢切拉居民的粮食供应，确保城镇周围30英里半径内没有动物和其他食物来源。其实，在佩雷格里鲁斯提笔写那封信的一个月以前，安茹的查理已经开始了全面的征兵，并加强了他的军备，增订了1000把长枪，其中500把拨给了骑兵，另外500把拨给了步兵。他雇了100名木匠，还有砖瓦匠和筑墙工，下令全军用麻绳、麂皮、铁和磨刀石来打磨武器。当佩雷格里鲁斯于8月8日写完信时，卢切拉的居民已经饿到以草充饥的地步了，8月底被迫投降，3000人被屠杀。安茹的查理后来吹嘘说，在卢切拉的居民被屠杀之前，他们已经趴在地上向自己臣服。

佩雷格里鲁斯没有提到这些事情。也许他在乱七八糟的帐篷里所进行的磁学实验已经搞得他焦头烂额，可惜的是，这些实验过程的细节都遗失在历史长河里了。

我们都知道佩雷格里鲁斯并没有停止最基础的实验。他发现，即使将磁石不断的一分为二，每一块又变成了也有着南北两极的新的磁铁。从逻辑上来讲，如果你将磁铁切成两半，那么在上半截保留其中的一个磁极，下半截则保留其中的另外一个磁极。但事实并非如此，无论你将磁铁切割成多少份，每一份都仍有两个对应的磁极。

他的实验还表明，磁铁的北极能够吸引南极并排斥其他北极，南极能够吸引北极并排斥其他南极。这在当时是一个革命性的发现。之后他利用他的发现创造了欧洲圆形罗盘的早期版本，一个被360度的圆形物体围绕的磁化针，这个罗盘可以用来确定任何一个人在世界上的位置。

以上所有的发现都如此新奇，令人震惊，但佩雷格里鲁斯的最大发现还是每块磁石都带有所谓的自然本能。这意味着磁石的磁力不是短暂的，而是持续的。在佩雷格里鲁斯的理解中，它与恒星的力是不可分割地联系在一起的。即使他的能力还不足以窥探地球内部的秘密，了解产生磁性的原力，大胆地设想这些原力可以逆转磁力的流向，但无疑，他是证明磁力存在的第一人。磁力就存在于我们周围，它看不见，摸不着，也躲不掉。