北宋是中国历史上科技最发达、文化最昌盛、艺术最繁荣的朝代之一。北宋在科学技术方面处于领先地位，是当时科学技术方面最先进的国家。北宋时期，指南针的问世配合当时先进的造船技术，使得经济文化高度繁荣的北宋，海上贸易极为繁盛。当时，通过海上丝绸之路与中国进行贸易的国家和地区超过唐代，海外贸易的兴旺繁荣也是其他朝代和当时其他国家无法比拟的。 
        发达的北宋科技 
        北宋是个发展不平衡的朝代。一方面，北宋虽然拥有庞大的军队，但与辽国和西夏对抗时长期处于劣势。然而，在另一方面，北宋是中国历史上科技最发达、文化最昌盛、艺术最繁荣的朝代之一。天文、数学、地理、建筑、医学等方面的成就足以证明北宋当时在科学技术方面处于领先地位。中国历史上的大多数重大发明都出现在北宋，许多发现、发明、创造及其应用，其他国家在上百年甚至几个世纪之后才相继出现，或由中国传入，为人类文明做出了卓越的贡献。 
        著名历史学家漆侠先生曾指出：“在两宋统治的三百年中，我国经济、文化的发展，居于世界最前列，是当时最为先进、最为文明的国家。”历史学家黄仁宇说：“火药之发明，火焰器之使用，航海用之指南针，天文时钟、鼓风炉、水力纺织机，船只使用不漏水舱壁等，都于宋代出现。在11世纪～12世纪，中国大城市里的生活程度可以与世界上任何其他城市比较而无逊色。”陈寅恪先生认为：“华夏民族之文化，历数千载之演进，造极于赵宋之世。”2012年出版的《简明中国历史读本》评价说，宋朝“在思想、文化与科技等方面达到空前的高度，在当时世界上占据领先地位，对人类文明做出了重大贡献，产生了深远影响”。 
        不单中国史学界对宋朝评价甚高，诸多国外史学家均对宋朝的发展给予了肯定。 
        世界著名经济史学家贡德弗兰克便认为：“11世纪和12世纪的宋代，中国无疑是世界上经济发展最先进地区。自11世纪和12世纪的宋代以来，中国的经济在工业化、商业化、货币化和城市化方面远远超过世界其他地方。”法国著名汉学家谢和耐曾说：“在社会生活、艺术、娱乐、制度、工艺技术诸领域，中国（宋朝）无疑是当时最先进的国家。” 
        著名生物化学家、中国科技史专家、英国皇家学会会员，曾任联合国教科文组织自然科学部主任的李约瑟对宋代的科技非常景仰。他称“宋代确实是中国本土科学最为繁荣昌盛的时期”，是中国“自然科学的黄金时代”，这一时期中国的“文化和科学都达到了前所未有的高度”，“每当人们在中国的文献中查考任何一项科技史料时，都会发现它的焦点就在宋代”。 
        据不完全统计，宋代在世界上处于领先的科学技术在百项以上，内容涉及活字印刷、火药、指南针、天文学、数学、医药、生物学、建筑技术等领域，这些科学技术广泛应用于文化传播、军事战争、农业、手工业等生产和生活领域，为宋代的经济繁荣和社会进步提供了可靠的保障。 
        北宋文化繁荣、科技发达的原因主要有三点：一是宋初宋太祖赵匡胤大力推行偃武修文政策，后来的继承者无不谨守“祖宗法度”，使社会风气从五代时的重武轻文变成重文轻武，文人地位迅速提升。在赵匡胤政策的影响下，宋朝的政治开明、言论自由达到了一种空前的水平。这使宋朝成为中国历史上自春秋战国以来第二个学术与政治自由的时期。另外，宋朝政府鼓励科技发明和创造，皇帝大多能够亲力亲为，这为天下做出了榜样。我们从《宋史》的本纪里看到赵匡胤幸造船务、观制造战舰、阅炮车、视察练习水战、亲授医官黜其艺之不精者等。宋真宗赵恒用重金向占城国（今越南境内）买回耐旱的水稻新品种，又从西天竺（今印度境内）买回了绿豆新品种，在自己的宫廷内院中试种成功，然后推广天下。二是在“朝为田舍郎，暮登天子堂”的北宋，扩大取士规模和取士途径，使各路文化精英通过科举考试脱颖而出，步入政坛，成为推动文化发展的重要力量。三是北宋保持了一百多年的社会稳定，为文化和科技的发展奠定了牢固的基础。 
        闻名于世的四大发明中，指南针、印刷术和火药三项主要是在宋代得到了应用，传至欧洲后，对推动欧洲从封建主义向资本主义过渡产生了巨大影响。李约瑟说：“如果没有火药、印刷术和指南针，欧洲封建主义的消失就是一件难以想象的事。”对那部百科全书式的著作《梦溪笔谈》，李约瑟赞誉为“中国科学史上的里程碑”，其作者沈括更是被他称为“中国整部科学史中最卓越的人物”。 
        作为宋代的三大发明，火药、指南针、印刷术曾发挥了推动历史车轮不断向前的重要作用。马克思曾说：“火药、罗盘针、印刷术——这是预兆资产阶级社会到来的三项伟大发明。火药把骑士炸得粉碎，罗盘针打开了世界市场并建立了殖民地，而印刷术变成新教的工具，变成科学复兴的手段，变成制造精神发展的必要前提的最强大的推动力。” 
        从司南到指南针 
        中国是世界上公认的发明指南针的国家。 
        指南针的发明是我国劳动人民在长期的实践中对物体磁性认识的结果。人们普遍认为指南针的始祖就是司南。 
        早在春秋战国时期，由于生产力的发展，不仅促使农业生产兴盛发达，同时促进了采矿业、冶炼业的发展。在长期的生产实践中，人们逐渐从铁矿石中认识了磁石。郦道元的《水经注》里记载了一个有趣的故事：秦朝阿房宫用磁石制成大门，防备有人进宫谋刺暗杀。如有坏人暗披盔甲、暗藏兵器入宫，就会被门吸住并被发现。从这个故事中我们可以看出，那个时代，人们就已经开始利用地球上的天然磁体了。在西汉时，有一个名叫栾大的方士，利用磁石的这个性质做了两个棋子般的东西，通过调整两个棋子极性的相互位置，有时两个棋子相互吸引，有时相互排斥。栾大称其为“斗棋”。他把这个新奇的玩意献给汉武帝，并当场演示。汉武帝惊奇不已，龙心大悦，竟封栾大为“五利将军”。 
        而最早的指南针也是用天然磁体做成的，它就是司南。但是，战国时期的司南是什么样子无法考证。中学《中国历史》课本插图中的“司南”是根据中国历史博物馆展品“汉代司南模型”绘制的。这个模型是后人根据史书记载以及地下出土的汉代地盘实物制成的。地盘是青铜做成的，内圆外方，中心圆面磨得非常光滑，以保证勺体指示方向的准确性。中心圆外围依次布列八卦、天干、地支和二十八宿，共计二十四个方位。地盘中心的小勺是用整块的天然磁铁磨成的，磁铁的正极磨成司南的长柄，勺头底部是半球面，非常光滑。使用时先把地盘放平，再把司南放在地盘中间，用手拨动勺柄，使它转动，等到司南停下来，勺柄所指方向就是南方。这种勺形司南直到8世纪时仍在应用。 
        当然，司南也有许多缺陷。由于天然磁体不容易找到，在加工时容易因打击、受热而失去磁性，因而司南的磁性不是很稳定。此外，它与地盘接触处要非常平滑，否则会因转动摩擦阻力过大，导致无法达到预期的指南效果。而且司南有一定的体积和重量，携带很不方便，这也成为司南没有得到广泛推广和应用的主要原因。 
        公元960年，宋太祖赵匡胤建立宋朝，结束了五代十国时期的封建割据局面。北宋时，农业、手工业和商业都有了新的发展。在这个基础上，我国的科学技术获得了辉煌的成就。在北宋初年，聪明的人们掌握了制造人工磁体的技术，又找到了另外一个可以明方向的工具——指南鱼。指南鱼用一块薄薄的钢片做成，形状很像一条鱼。它有两寸长、五分宽，鱼的肚皮部分凹下去一些，像小船一样，可以浮在水面上。这种人工传磁方法制成的指南鱼使用起来比司南方便多了。人们只要端一碗水，把指南鱼放在水面上，就能准确地辨识方向。 
        由于钢片做成的鱼没有磁性，所以没有指南的作用。如果要它指南，还必须再用人工传磁的办法，使它变成磁铁，具有磁性。北宋时，曾公亮在《武经总要》载有制作和使用指南鱼的的方法：“用薄铁叶剪裁，长二寸，阔五分，首尾锐如鱼型，置炭火中烧之，候通赤，以铁钤钤鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收之。用时，置水碗于无风处平放，鱼在水面，令浮，其首常向午也。”这是一种人工磁化的方法，利用地球磁场使铁片磁化。即把烧红的铁片放置在子午线的方向上。而以一定角度放入水中，则使鱼磁化的有效磁场强度增大，磁化效果更好。东北师大物理系教授刘秉正先生在1956年对这种方法给予了科学的解释：铁片烧红后，温度高于居里点，铁片中的磁畴便瓦解而成为顺磁体，蘸水淬火后，磁畴又形成，但在地磁场作用下磁畴排列有方向性，故能指南北。因我国长江黄河流域一带地磁有50度左右的倾角，如水平放置，则只有水平方向分量起作用，而以一定角度放入水中，则使鱼磁化的有效磁场强度增大，磁化效果更好。 我国人民发明用人造磁铁做指南鱼，这是一个很大的进步。这说明我国人民在900多年前就已具有相当丰富的磁铁知识了。 
        后来，指南鱼进行了改进，它与《武经总要》一书记载的不一样，是用木头刻成鱼形，有手指那么大，木鱼腹中置入一块天然磁铁，磁铁的S极指向鱼头，用蜡封好后，从鱼口插入一根针，就成为指南鱼。将其浮于水面，鱼头指南，这也是水针的一类。 
        当时不但有钢片做的指南鱼，还有用木头做的指南鱼和指南龟。宋代《事林广记》记载了用木头做指南鱼的方法：用一块木头刻成鱼的样子，像手指那样大，指南鱼就做好了。把指南鱼放到水面上，鱼嘴里的针就指向南方。指南龟是当时流行的一种新装置，将一块天然磁石放置在木刻龟的腹内，在木龟腹下方挖一光滑小孔，对准并放置在木板顶端尖滑的竹钉上，这样木龟就被放置在一个固定的、可以自由旋转的支点上了。由于支点处摩擦力很小，木龟可以自由转动指南。当时它并没有用于航海指向，而是用于幻术。 
        使用指南鱼，比使用司南要方便。它不需要再做一个光滑的铜盘，只要有一碗水就可以了。盛水的碗即使放得不平，也不会影响指南的作用，因为碗里的水面是平的。而且，由于液体的摩擦力比固体小，转动起来比较灵活，所以它比司南更灵敏、更准确。 
        后来，经过长期改进，人们把钢针在天然磁体上进行摩擦，让钢针有了磁性。这种带有磁性的钢针就是我们常说的指南针。宋代杰出的科学家沈括在他的《梦溪笔谈》中曾提到指南针的四种装置方法，即水浮法、缕悬法、指甲法和碗唇法。其中，水浮法是把指南针放在有水的碗里，使它浮在水面上，指示方向；缕悬法就是在磁针中部涂上一些蜡，上面粘一根丝线，把丝线悬在木架上，针下安放一个标有方位的圆盘，静止时钢针就指示南北；指甲法就是把钢针放在手指甲面上，轻轻转动，由于手指甲光滑，磁针就和司南一样也能起到指南作用；碗唇法是把磁针放在光滑的碗边上，转动磁针，便和指甲法一样起到指南作用。 
        沈括还分析了四种方法的利弊。他说，水浮法的最大缺点就是水面容易晃动影响测量结果。碗唇法和指甲法由于摩擦力小，转动虽很灵活，但容易掉落。沈括更喜欢缕悬法，他认为这是比较理想而又切实可行的方法。沈括在研究指南针的过程中，还总结和发现了地磁有偏角存在，指出指南针指示的方向“常微偏东，不全南也”。而这是我国对地磁学的伟大贡献。 
        中国使用指南针导航不久，就被阿拉伯海船使用，并经阿拉伯人把这一伟大发明传到欧洲。恩格斯在《自然辩证法》中指出：“磁针从阿拉伯人传至欧洲人手中在1180年左右。”1180年是我国南宋孝宗淳熙七年。中国人首先将指南针应用于航海比欧洲人至少早80年。指南针的发明与西传促进了当时我国和印度洋、太平洋西部沿岸国家经济文化的交流，促进了各国航海事业的发展，并为1492年哥伦布“发现新大陆”创造了前提条件。指南针的发明和应用于航海对全世界做出了重大贡献。