手机里的罗盘

臣心一片磁针石，不指南方不肯休

手机里突然多了个指南针，我也不知道什么时候装上的。我拿着它玩了玩，好像也可以用，有时候也确实能指对北方。使用前装模作样地转动手机360度，就算是校准了。可是我不知道它是怎么工作的。

据说，有的手机罗盘系统靠的是太阳。校准的时候，把手机的特定方向与当时的太阳位置对准，就可以使用了。从这个意义上来说，使用月亮或者北*星应该也是可以的。手机当然会知道具体的时间和地理位置（因为有GPS嘛），再知道了日月星辰的位置，就可以了。但是这种方法应该是需要陀螺仪来确定手机的转动情况。好像有些难。

大概也可以利用手机基站来定位。每个手机收到几个基站的信号，这样就可以定位了，这和GPS是一个道理。把手机转动360度，可以确认周围基站的方向（也就是看看哪个方向的信号强、哪个方向弱），基站的坐标当然是早就知道的。好像也有些困难。

如果手机上装有两个GPS接受器，二者的距离应该可以超过10厘米，那么原则上也可以用差分GPS技术来确认方向，但是太贵了。这样就可以不用陀螺仪了，但是精度恐怕很难优于0.5度。也许本来就做不到这个精度？

原则上当然也可以装个小磁针，但是，很难相信手机里会装这么个狼犺东西。也许就是一对相互垂直的半导体器件，利用霍尔效应来感应地磁场。将来也许还可以利用垂直磁化薄膜材料制成的共振隧穿器件来测量微弱的磁信号。

不是很清楚到底是哪种方式。让手机靠近永磁铁，确实可以改变罗盘的指向，可是靠近暖气和铁皮柜子，也有类似的效果，而且都依赖于靠近的方式。也许这些东西早都已经被磁化了，也许只是因为他们阻挡了基站的信号？

不管怎么说，找方向无非就是确定地理北*或者地磁北*。不幸的是，这两者并不重合，而且各地的偏差情况也不一样。中国人早就知道这一点，北宋沈括的《梦溪笔谈》里就讲过这些事情。后来人们还认识到，即使在一个地方，地磁场的方向也会随着时间变化，几十年就可以变化几度乃至几十度的。所以，利用地标来确定地理北*和地磁北*的关系，就很重要了：李兆良老师指出，《坤舆万国全图》中标明了“罗经正峰”，就是明代大航海越过非洲南部的铁证。

磁场和物质的相互作用是很弱的，通常要么需要很强的磁场，要么需要大量的物质，要么两者都要，比如说核磁共振。生物中的磁效应就更弱了，***的有两例：悬浮的青蛙和趋磁的细菌。

如果能用磁场来控制生物，当然很好了，但是磁场对微小物体的作用太弱了，在室温下就更弱了。有些人想用磁场影响带有铁原子的生物蛋白，有用磁学效应的，有用力学效应的，有用热学效应的，文章也都发表了，可惜结果并不能让人信服，甚至可能违反了基本的物理规律[1]。其实这种错误也不罕见，别说做生物的了，就是做物理的，也有搞错的时候[2]。人非圣贤，孰能无过？犯些错误，才容易发大新闻的，比如说，人的嗅觉可以分辨一万亿种气味——幸亏也是错的[3]。

回到手机的问题上来。不管怎么说，手机现在有了指南针，每个人都可以确定地磁方向和地理方向——尽管准确性值得怀疑。但是，如果采用大数据的方法，把每个人、每个时间、每个地点得到的地磁方向和地理方向数据都汇集起来加以分析，**是了不起的，可以用来做很多事情，比如说检损，比如说探矿。

[1] M. Meister, Physical limit to magnetogenetics, eLife, 5:e17210 (2016)

[2] D. C. Ralph, The electromotive force of MnAs nanoparticles, Nature 474, e6 (2011)

[3] M. Meister, On the dimensionality of odor space, eLife, 4:e07865 (2015)