Thời cổ đại, cư dân các dân tộc thường phải đối mặt với đại dương mênh mông, tuy muốn xác định được hướng đi, nhưng do kỹ thuật hạn chế, nên không có cách nào đạt được. Điều ấy đã khiến cho các nhà hàng hải nổi tiếng cổ Hy Lạp cũng chỉ xưng hùng khi biển cả thanh bình, sóng gió yên tĩnh, với biển cả bao la phần nhiều cũng chỉ biết “nhìn biển mà thở dài”.
Thực ra, do hạn chế của kỹ thuật đóng thuyền nên giao lưu của người xưa chưa được mở rộng, một hạn chế nữa là không có cách nào để xác định phương hướng. Tuy con thuyền có vượt đại dương cũng chỉ thấy biển cả như mê lộ, không biết đâu là đầu là cuối. Vì thế, việc phát minh ra la bàn có thể nói là trang bị thêm cho tàu thuyền những con mắt tinh anh, đó là một điều kiện kỹ thuật cơ bản nhất để nghề hàng hải phát triển. La bàn là phát minh rất sớm của người Trung Quốc, nhưng nó đã phải trải qua những năm tháng lâu dài và qua nhiều cải tiến mới có được.
Từ “ty nam” đến “chỉ nam ngư”
Dụng cụ để xác định phương hướng trên biển hay trên đất liền, trước đây người Trung Quốc có nhiều ghi chép và truyền thuyết. Truyền thuyết Hoàng Đế trong cuộc giao tranh với Xuy Vưu đã từng phát minh ra “xe chỉ nam”, có thể trong sương mù dày đặc mà vẫn tìm được phương hướng kể cả trong mê lộ. Đây có khả năng là nói về những phát hiện sớm nhất về “la bàn”. Nhưng người đời sau căn cứ vào những ghi chép trong sách vở, nhiều lần muốn chế ra “xe chỉ nam”, nhưng không có cách nào thành công. Vì thế “xe chỉ nam” chỉ là một thuyết tồn nghi.
Nhưng la bàn được chế tạo nhờ dựa vào đặc tính thép từ là một phát minh vĩ đại của người Trung Quốc. La bàn được phát minh có thể từ đời Chu, cách nay có thể đến 2500 đến 3000 năm lịch sử. Khoảng thời Xuân Thu Chiến Quốc, người Trung Quốc đã phát hiện ra từ thạch và tính hút sắt của nó. “Hàn Phi Tử. Hữu độ biên” đã ghi lại “Tiên vương lập ty nam dĩ đoan triều tịch”. “Tiên vương” ở đây là chỉ Chu vương, “ty nam” chính là kim chỉ nam, “đoan triều tịch” là có thể chỉ bốn phương, tức là dùng “kim chỉ nam” tìm đường đi. Trong nền văn hiến cổ đại còn có ghi chép người Trịnh đến nơi xa tìm ngọc, phải mang theo “ty nam” để không bị mất phương hướng. Quản Trọng, nhà chính trị nổi tiếng nước Tề thời Xuân Thu đã ghi trong “Quản Tử” như thế này: “Trên có từ thạch, dưới có đồng kim”. “Từ thạch” chính là sắt từ, “đồng kim” chính là một loại quặng sắt. Có thể thấy ít nhất là thời kỳ Quản Trọng 2600 năm trước đã biết sự có mặt của sắt từ, lại có thể nắm được đặc tính hút sắt của từ thạch, đây là một đặc tính có thể sử dụng.
Từ thạch có hai đặc tính: một là tính hút sắt, hai là tính chỉ cực. Điều đó cũng nói từ thạch có hai cực, có thể chỉ hai hướng nam, bắc. Đặc tính hút sắt của từ thạch người thời Chiến Quốc và người cổ Hy Lạp cũng đã biết, việc phát hiện tính chỉ cực thì người châu Âu biết muộn hơn người Trung Quốc rất nhiều..
Đặc tính chỉ nam bắc của từ thạch không phải dễ dàng phát hiện. Vì trong hoàn cảnh từ lực nhỏ, lực ma sát lớn, hai cực của từ thạch không thể tự do di chuyển đến hướng nam và bắc. Thời Chiến Quốc ở Trung Quốc đã phát hiện sớm nhất tính chỉ cực của từ thạch, lại biết lợi dụng đặc tính này để chỉ phương hướng, chế tạo thành công dụng cụ chỉ nam – ty nam. Chữ “ty” có nghĩa chỉ nắm được, quản lý, hiện nay còn có “ty cơ’, “ty lư”, “ty lệnh”. Các chữ “ty” này đều có nghĩa giống như thế.
Nhưng “ty nam” cũng có tính hạn chế, dùng từ thạch chế tạo “ty nam”, từ cực không dễ tìm được chính xác, do trong quá trình mài giũa, từ thạch đã bị chấn động mà mất đi từ tính. Hơn nữa, khi dùng “ty nam” phải trong trạng thái cân bằng, “ty nam” lại tương đối lớn, vì thế, người xưa sau khi phát minh ra “ty nam” đã không ngừng cải tiến dụng cụ chỉ nam. Sau “ty nam” tổ tiên người Trung Quốc đã chế tạo thành công một dụng cụ chỉ nam mới, đó là “chỉ nam ngư” (cá chỉ nam).
Với con mắt khoa học hiện nay đánh giá , người xưa đã biết tôi thép trong lò lửa làm cho hoạt động của từ tính trong thép từ mạnh lên, đó là một đặc tính của “cá chỉ nam” hơn hẳn “ty nam”.
Phương pháp chế tạo la bàn
Do cường độ địa từ trường không lớn nên từ tính của “chỉ nam ngư” cũng rất yếu, người xưa đã nhận thấy hiệu quả chỉ nam của chỉ nam ngư không được như mong muốn. Làm sao có thể có được một dụng cụ chỉ nam như mong muốn hơn “chỉ nam ngư”?. Người xưa đã không ngừng thí nghiệm chế tạo. Sau khi phát minh ra “chỉ nam ngư” không lâu, lại có người phát minh ra đem tôi kim chỉ nam, cái kim nhỏ được từ hoá này là cái kim chỉ nam sớm nhất của thế giới.
Nhà khoa học nổi tiếng thời Bắc Tống Trầm Quát (khoảng 1031 – 1095), về mặt khoa học kỹ thuật đã có một thành tựu kiệt xuất. Thời kỳ này, Trung Quốc có nhiều phát minh khoa học to lớn, thí dụ chữ in rời, la bàn, … ứng dụng kỹ thuật đều nhờ ghi chép của Trầm Quát mà được lưu truyền đến nay. Kim chỉ nam có thể chỉ nam, nhưng còn phải sáng tạo một cái gì để nó có thể tự do chuyển động. Trong “Mộng Khê bút đàm” một cuốn sách của Trầm Quát đã chỉ ra mấy cách để chế tạo kim chỉ nam.
Một là thuỷ phù pháp (cách nổi trên mặt nước), đem kim đặt trên một cái bát đựng nước cho nó nổi ở trên, chỉ hướng nam, bắc. Cách thứ hai là chỉ giáp triều định pháp (cách đặt trên móng tay), lấy kim từ đặt trên một móng tay, kim sẽ nhẹ nhàng chuyển động sau đó định hướng. Cách thứ 3 là đặt kim trên sườn một cái bát trơn nhẵn, kim sẽ định hướng. Cách thứ tư là treo kim trên một sợi tơ, ở điểm giữa của kim buộc một sợi dây mảnh, treo sợi dây lên, kim sẽ quay trong không trung rồi chỉ hướng nam.. Tất nhiên muốn dùng cách này nơi sử dụng phải không có gió, sử dụng cách này tương đối thuận lợi.
Căn cứ vào thí nghiệm, Trầm Quát cho rằng, trong 4 cách ấy, cách buộc sợi tơ là tốt nhất. Cách thứ 2 và thứ 3 khó thực hiện vì đòi hỏi móng tay và sườn bát phải rất trơn nhẵn. Còn cách đặt kim trên mặt nước đòi hỏi mặt nước phải yên tĩnh. Cách đây 900 năm, Trầm Quát đã đưa ra 4 cách, cho đến nay, cả 4 cách ấy đều có giá trị thực dụng. Qua bao sự thay đổi, đến nay, nguyên lý kết cấu của kim chỉ nam về cơ bản vẫn không có gì thay đổi, vẫn là sử dụng nguyên lý treo sợi tơ của Trầm Quát. Đây là cách để chế tạo la bàn trong hàng hải.
Trầm Quát còn là người đầu tiên trên thế giới phát hiện ra “góc từ thiên”. “Góc từ thiên” là do cực từ của trái đất và cực nam, cực bắc có điểm hơi khác nhau. . “Góc từ thiên” ở mỗi nơi trên trái đất đều khác nhau, hoặc lệch về đông, hoặc lệch về tây.
Trong “Mộng Khê bút đàm” gồm 24 quyển, Trầm Quát viết: “Kim nếu đem cọ xát với nam châm có thể chỉ nam, nhưng có hơi lệch về đông, không hoàn toàn nam”. Đây là những ghi chép sớm nhất về góc từ thiên còn lại. Ở phương Tây, phải đến năm 1492 khi Crixtop Colong vượt Đại Tây Dương mới phát hiện ra góc từ thiên, phát hiện này muộn hơn của Trầm Quát hơn 400 năm.
