Сейсмоскоп Чжан Хэна

Сейсмоскоп Чжан Хэна — это первое в истории человечества зарегистрированное устройство для обнаружения землетрясений, созданное в Древнем Китае во II веке нашей эры. Аппарат представлял собой бронзовый сосуд, способный указывать направление на эпицентр подземного толчка, что делало его прообразом современных сейсмографов. Изобретение приписывается китайскому учёному, астроному и математику Чжан Хэну (78–139 гг. н. э.), служившему при дворе династии Восточная Хань.

История создания

Предпосылки и личность изобретателя

Чжан Хэн (Чжан Пинцзы) был одним из самых разносторонних учёных своего времени. Он занимался астрономией, механикой, математикой, картографией и литературой. В 117 году н. э. он построил первую в мире вращающуюся армиллярную сферу, приводимую в движение водяным колесом. Интерес к сейсмологии возник у него на фоне частых землетрясений в регионе, которые наносили серьёзный урон хозяйству и вызывали панику среди населения. В то время в Китае существовала развитая система государственных метеорологических наблюдений, но инструментальных методов регистрации подземных толчков не было.

Создание и первые испытания

Согласно историческим хроникам, в частности «Хоу Ханьшу» («История династии Поздняя Хань», V век н. э.), сейсмоскоп был изготовлен в 132 году н. э. Устройство имело форму кувшина диаметром около 2 метров (6 чи). Внешняя поверхность сосуда была украшена изображениями драконов, лягушек и мифических существ. Вокруг кувшина, по окружности, располагались восемь голов драконов, каждая из которых держала в пасти бронзовый шар. Под головами находились восемь бронзовых жаб с открытыми ртами.

Принцип работы был основан на маятниковом механизме. Внутри сосуда на центральной оси подвешивался тяжёлый маятник. Во время землетрясения маятник отклонялся в сторону эпицентра и ударял по одному из восьми рычагов, соединённых с головами драконов. Рычаг освобождал шар, который падал в рот соответствующей жабы. Звук падения шара сигнализировал о землетрясении, а положение жабы указывало направление на эпицентр.

Первое задокументированное испытание устройства произошло в 138 году н. э., когда сейсмоскоп зафиксировал толчок, который не ощущался в столице Лояне. Через несколько дней прибыл гонец с сообщением о землетрясении в провинции Лунси (современная провинция Ганьсу), что подтвердило точность прибора. Этот случай считается первым в истории инструментальным подтверждением землетрясения.

Устройство и принцип действия

Конструкция

Сейсмоскоп Чжан Хэна был выполнен из бронзы. Основные элементы конструкции:

• Корпус: полый бронзовый сосуд сферической или кувшинообразной формы, установленный на устойчивом основании.
• Маятник: центральный подвесной груз (вероятно, бронзовый или каменный), соединённый с системой рычагов.
• Восемь рычагов: расположены по окружности, каждый соединён с одной из голов драконов.
• Головы драконов: восемь бронзовых голов, расположенных под углом 45 градусов друг к другу, с разомкнутыми пастями, в которых находятся шары.
• Жабы: восемь бронзовых фигур жаб, расположенных под головами драконов, с открытыми ртами для приёма шаров.

Механизм работы

Точное описание внутреннего механизма не сохранилось, но реконструкции основаны на принципе инерции. В состоянии покоя маятник удерживался в центре сосуда. При землетрясении маятник отклонялся в сторону, противоположную направлению толчка, и задевал один из рычагов. Рычаг высвобождал шар, который падал в пасть жабы. Шар не мог упасть обратно, так как жаба удерживала его. Таким образом, устройство не только фиксировало факт землетрясения, но и указывало его азимут (направление).

Отличие от современного сейсмографа

Сейсмоскоп Чжан Хэна не измерял силу, продолжительность или глубину землетрясения. Он лишь регистрировал сам факт подземного толчка и его направление. Поэтому его называют «сейсмоскопом» (от греч. seismos — землетрясение и skopeo — смотреть), а не «сейсмографом» (от grapho — писать), так как он не создавал записи колебаний. Современные сейсмографы, появившиеся в конце XIX века, способны регистрировать волны в трёх измерениях и строить сейсмограммы.

Исторические свидетельства и утрата

Записи в хрониках

Основным источником информации о сейсмоскопе является «Хоу Ханьшу» (составлена Фань Е в V веке). В хронике описывается внешний вид устройства, принцип его работы и случай с землетрясением в Лунси. Текст гласит: «Когда происходило землетрясение, один из драконов открывал пасть, и шар падал в рот жабы. Звук был слышен, и наблюдатель мог определить направление толчка».

Утрата и реконструкции

Оригинальный сейсмоскоп был утерян, вероятно, во время войн или пожаров, характерных для того периода. Точная дата и обстоятельства утраты неизвестны. В последующие столетия предпринимались попытки воссоздать устройство по описаниям. Первые реконструкции были выполнены в XX веке китайскими и западными учёными. В 1936 году японский исследователь С. К. Морита построил первую действующую модель. В 1950-х годах китайский сейсмолог Ли Шаньбань создал реконструкцию, которая использовалась в учебных целях. Современные реконструкции, например, в Музее науки и техники в Пекине, демонстрируют работоспособность механизма, хотя некоторые детали (например, точная форма маятника) остаются спорными.

Значение и наследие

Вклад в науку

Сейсмоскоп Чжан Хэна считается важнейшим изобретением в истории сейсмологии. Он опередил своё время более чем на 1500 лет: первые европейские сейсмоскопы появились только в XVIII веке (например, сейсмоскоп Жана де Отфёя, 1703 год). Устройство продемонстрировало понимание древними китайцами принципов инерции и механики, а также их способность к точному наблюдению за природными явлениями.

Культурное значение

В Китае сейсмоскоп является национальным символом научного прогресса. Его изображение используется в образовательных программах, на почтовых марках и в музейных экспозициях. В 2005 году китайское правительство выпустило памятную монету с изображением сейсмоскопа. Устройство также упоминается в учебниках по истории науки и техники во всём мире.

Критика и сомнения

Некоторые современные исследователи высказывают сомнения в том, что описанный механизм мог работать с заявленной точностью. В частности, критикуется отсутствие в хрониках деталей о внутреннем устройстве, а также возможная чувствительность маятника к случайным вибрациям (например, от проезжающих повозок). Однако большинство реконструкций подтверждают принципиальную работоспособность конструкции, хотя и с ограниченной точностью (погрешность в определении направления могла составлять до 10–15 градусов).

Интересные факты

• В 2006 году группа китайских учёных из Сейсмологического бюро провинции Шаньси воссоздала точную копию сейсмоскопа и провела испытания с использованием вибростенда. Устройство успешно зафиксировало имитацию землетрясения магнитудой 3–4 балла.
• Сейсмоскоп Чжан Хэна упоминается в романе «Убить пересмешника» (1960) Харпер Ли в качестве метафоры чувствительности к несправедливости.
• В 2017 году китайский анимационный фильм «Чжан Хэн и его сейсмоскоп» был показан в рамках образовательной программы ЮНЕСКО.

Источники

• «Хоу Ханьшу» («История династии Поздняя Хань»), V век н. э., глава «Биография Чжан Хэна».
• Needham, Joseph. Science and Civilisation in China, Vol. 3: Mathematics and the Sciences of the Heavens and the Earth. Cambridge University Press, 1959.
• Li, Shanbang. The Seismoscope of Zhang Heng. Beijing: Seismological Press, 1956.
• Dewey, James; Byerly, Perry. The Early History of Seismometry (to 1900). Bulletin of the Seismological Society of America, 1969.
• Статья «Zhang Heng's seismoscope» в Encyclopedia of the History of Science, Technology, and Medicine in Non-Western Cultures, Springer, 2008.