В 132 году н. э. гениальный китайский астроном, математик и инженер по имени Чжан Хэн представил суду Хань впечатляющее изобретение – первый в мире сейсмоскоп.

Сейсмоскоп – это прибор, который показывает сотрясение земли во время землетрясения. Его не следует путать с сейсмометром или сейсмографом, который также фиксирует движение. По сути, любой подвесной маятник или тонко сбалансированный объект, который может колебаться при малейшем сотрясении, будет функционировать как сейсмоскоп. Наивно полагать, что таких инструментов не существовало до изобретения Чжана Хэна. Но что делает сейсмоскоп Хэна особенным, так это его чувствительность и способность определять направление, откуда пришло землетрясение.

Прибор Чжана Хэна напоминал большой кувшин для вина, сделанный из бронзы, он обладал диаметром около 1,8 метра. На внешней стороне сосуда было восемь драконьих голов, обращённых к восьми главным направлениям компаса. Под головами драконов, на дне сосуда, сидели восемь лягушек с открытыми ртами и запрокинутыми назад головами. Содержимое кувшина неизвестно, но есть подозрение, что в нём имелся какой-то маятниковый механизм.

Когда происходило землетрясение, даже если оно было слишком слабым, чтобы его можно было почувствовать, маятник качался вместе с дрожащей землей и выбивал металлический шар из пасти дракона в пасть лягушки. Направление, с которого падал шар, указывало, откуда происходили толчки. Падающий шар также издал громкий звук, когда он приземлился в рот лягушки, предупреждая о землетрясении.

Чжан Хэн назвал своё изобретение Houfeng Didong Yi, или «флюгер землетрясения».

Чжана Хэна первоначально восприняли со скептицизмом, но, как гласит история, через несколько лет спустя всё изменилось. Поскольку в столице никто не ощущал никаких сотрясений, критики сочли прибор провальным. Но через несколько дней прибыл человек, который сообщил о серьёзном землетрясении, произошедшем в сотнях километров – в том направлении, которое указал сейсмоскоп.

В течение столетий после смерти Чжана Хэна другие китайские интеллектуалы, как говорят, успешно воссоздали сейсмоскоп Чжана Хэна, но ни один прибор не сохранился. Современные писатели описали природу этого инструмента, но его внутренняя часть остаётся загадкой. Например, пока неясно, почему древняя конструкция маятника была настолько чувствительной, что могла обнаруживать землетрясения на расстоянии сотен километров.

Попытки построить сейсмоскоп Чжана Хэна были предприняты в 19-м и 20-м веках, но эти копии не достигли уровня точности и чувствительности, описанных в китайских исторических записях. Ещё в 2005 году группа сейсмологов и археологов из Китайской академии наук объявила, что они создали функционирующую копию.

В своей версии исследователи использовали только один шар, а не восемь отдельных для каждой из сторон света. Этот шар был аккуратно сбалансирован на тонкой подставке в центре прибора. Прямо над шаром был подвешен маятник, с которым он слегка соприкасался. Когда маятник качался, он мягко толкал шар с подставки вниз по одному из восьми каналов. Таким образом, инструмент можно было запустить только один раз, и последующее движение маятника не могло вытолкнуть шары из других ртов просто потому, что их больше не было.

Возраст сейсмоскопа Чжана Хэна насчитывает 1800 лет, но принцип его работы остался практически неизменным. Маятниковые сейсмометры использовались до 19-го века. Современный сейсмограф использует сложную электронику, но датчик по-прежнему представляет собой подвешенную массу, своего рода маятник, удерживаемый электрическими силами вместо механических рычагов и стержней. Некоторые модели используют пружины вместо маятников.

В период с 2016 по 2017 год группа исследователей продемонстрировала, что можно обнаруживать землетрясения с помощью обычных подводных телекоммуникационных кабелей путём измерения колебаний в фазе передаваемых световых импульсов, вызванных сейсмическим событием. В отличие от сейсмометров, которые располагаются в одной точке пространства и таким образом измеряют только один ряд сейсмических волн, оптические волокна подвергаются сейсмическим влияниям по всей длине.

Это позволяет исследователям извлекать ценную информацию о землетрясении, что может быть невозможно с помощью сейсмометра. Установка сейсмометров на дне океана является сложной и дорогостоящей, но уже существуют тысячи километров подводных кабелей для передачи Интернета и голосовых данных по всему миру. Используя эту существующую инфраструктуру, можно было бы создать глобальную сейсмическую сеть с очень небольшими затратами.

Изобретение Чжан Хэна, представляющее собой смесь мастерства и инженерной мысли, стало чудом древней изобретательности, а его истинная работа свидетельствует о глубоком понимании природных сил.

Известно, что на территории Китая не одно тысячелетие развивалась уникальная цивилизация. Китайцы подарили миру бумагу, порох, фейерверки и много других изобретений, которыми люди пользуется веками. Существуют и другие удивительные китайские разработки, которые, к сожалению, утрачены. Одной из таких разработок является невероятный прибор Чжан Хэна, который мог определить, в какой части огромной Поднебесной империи произошло землетрясение.

В 132 году нашей эры в одной из провинций Китая произошло разрушительное землетрясение. Людям срочно нужна была помощь, и в Пекин отправили гонца. Тот скакал несколько дней, загнал нескольких лошадей и прибыл к императорскому двору даже раньше, чем планировал. Но император уже несколько дней знал о бедствии. Как это было возможно во времена, когда не было радиосвязи? Все просто – о природном катаклизме императора оповестил сейсмограф Чжан Хэна.

Многие регионы Китая находятся в сейсмически активных зонах. Исторические хроники рассказывают о землетрясениях, стиравших с лица земли целые города. Для империи Хань такие катаклизмы несли дополнительную угрозу – бедствиями часто пользовались для нападения внешние враги. Налеты на пострадавшие города были обычным явлением и это беспокоило императоров.

После землетрясения нужно было немедленно отправить помощь, материальную и военную. Чтобы не зависеть от гонцов, которые были относительно медленными и могли погибнуть в дороге, для императора создали единственный в своем роде сейсмограф. Этот прибор точно определял, в какой части империи произошло землетрясение.

Сейсмограф изобрел китайский ученый Чжан Хэн. Он родился в 78 году нашей эры в семье бедного провинциального чиновника. С детства мальчик тяготел к знаниям и все свое время посвящал учебе. Усилия не прошли даром, и к 37 годам Чжан Хэн сделал блестящую карьеру, став придворным историографом-астрологом.

Ученый оставил заметный след в истории науки Китая. Чжан Хэн усовершенствовал географические карты империи и внес значительный вклад в развитие математики и астрономии. Он первым заявил, что лунный свет – это отраженный солнечный. Однако самым важным его изобретением стал сейсмограф.

Идея прибора возникла после землетрясения, которое нанесло серьезный урон столице, включая императорский дворец. Чжан Хэн работал над сейсмографом несколько лет, и в 132 году устройство доказало свою эффективность. Никто не верил, что аппарат, больше похожий на произведение искусства, чем на точный прибор, сможет «увидеть» землетрясение за сотни километров. Но сейсмограф действительно работал.

Сейсмограф Чжан Хэна представлял собой внушительный медный сосуд, украшенный снаружи восемью драконами, ориентированными по сторонам света. Каждый дракон держал в пасти медный шар. На основании прибора находились восемь жаб с широко открытыми ртами, по одной для каждого дракона.

Когда сейсмограф улавливал подземные толчки с одной из сторон, дракон, отвечающий за это направление, ронял из пасти шар. Шар падал в рот жабе, издавая звон, который был слышен по всему дворцу. Точное устройство механизма прибора неизвестно, и сохранившиеся описания часто противоречат друг другу. Ученые предполагают, что внутри находился чувствительный маятник, окруженный восемью рычагами, соединенными с драконами.

Землетрясения вызывают колебания почвы, ощутимые за сотни и даже тысячи километров. Люди могут их не замечать, но приборы улавливают малейшие движения. Маятник сейсмографа Чжан Хэна отклонялся от вертикали и задевал один из рычагов. Это приводило в действие пружинный механизм, который выталкивал шар из пасти дракона.

Император оценил изобретение придворного ученого. С этого момента сейсмограф всегда стоял во дворце и исправно указывал направление, где случилось несчастье. Но ни это великое изобретение, ни множество более мелких открытий не уберегли Чжан Хэна от недоброжелателей. Через четыре года после создания сейсмографа из-за придворных интриг он попал в опалу и был отправлен управлять отдаленной провинцией. Там он провел оставшуюся жизнь, среди книг, карт и хитроумных приборов.

К сожалению, до наших дней сейсмограф Чжан Хэна не сохранился. Многочисленные приборы, представленные в музеях и коллекциях, – это современные реплики, созданные по описаниям из древних трактатов. Они, конечно, не работают, так как чертежи чувствительного механизма были утрачены.

Энтузиасты много раз пытались воссоздать аппарат, применяя при этом современные технологии. Но ни один из этих механических сейсмографов не смог зафиксировать даже ближайшие подземные толчки. В лучшем случае шары падали хаотично, не указывая даже примерное направление. Так что секрет древнего китайского сейсмографа, скорее всего, утрачен навсегда.

Так в чем же загадка, спросите вы? Дело в том, что до сих пор неизвестно что находилось внутри этого устройства. Судя по всему, там был расположен некий маятник или аналогичное устройство, реагирующее на дрожь земли и заставляющее открываться пасть дракона и выпускать шарик. Поэтому остается только удивляться, как Чжан Хэн смог создать такую сложную и точную технологию.

Но остаётся самый главный вопрос – действительно ли сейсмограф Чжан Хэна регистрировал землетрясение, или описания его работы чересчур приукрашены? Интересно, что во всех сохранившихся описаниях большое внимание уделяется именно внешнему виду сейсмографа, а не принципу его работы. Прибор безусловно красив, а его дизайн поистине оригинален, но современным исследователям хотелось бы больше узнать о его внутренней начинке. Нет сомнений, что главной деталью внутреннего механизма являлся подвешенный маятник с невероятной точностью умевший реагировать на подземные толчки, происходившие на больших расстояниях. Как именно был он закреплён в сосуде и что позволяло ему замечать подземные толчки, которые не мог ощутить человек? К сожалению, это так и остаётся главной загадкой.

Конечно, энтузиасты много раз предпринимали попытки создать похожий прибор. Все сейсмографы Чжан Хэна, которые мы сегодня наблюдаем в музеях – это работы современных мастеров. При изготовлении внутренностей данных сейсмографов примерялись передовые материалы, а сам маятник изготавливался с ювелирной точностью, которая, при всём уважении к древнекитайским умельцам, не могла быть достигнута две тысячи лет назад. Расположенные во многих частях света, эти приборы ни разу не смогли зарегистрировать ни одного землетрясения. Хотя некоторые из природных бедствий были довольно сильными и даже привели к многочисленным жертвам. Но, быть может, мы просто недооцениваем гений изобретателя, который почти два тысячелетия назад смог с помощью простейших технологий создать удивительно точный работающий сейсмограф?

Исторические хроники повествуют о большой точности прибора, хотя его устройство остаётся загадкой. Внешний вид и функционирование понятно, но внутреннее устройство остаётся загадкой. На основе предположений учёных и были построены копии.

Самая общепринятая теория утверждает, что маятник внутри медного сосуда приходил в движение во время землетрясения, даже если оно случилась за сотни миль. Маятник приводил в действие систему рычагов, которые открывали пасть одного из восьми драконов на внешней стороне сосуда. В пасти каждого дракона находился бронзовый шарик. Этот шарик выкатывался и падал в рот находящейся под драконом лягушки, издавая громкий звон.

Д-р Ян Паяк из Веллингтонского института технологии написал в статье, приготовленной для Международной конференции по измерительным приборам в 2005 году, что, по историческим данным, звон во рту лягушки был настолько громким, что мог разбудить всех.

Дракон с открытой пастью указывал направление – где произошло землетрясение. Восемь драконов указывали на восток, запад, север, юг, север-восток, северо-запад, юго-восток и юго-запад.

В своё время изобретение вначале было встречено со скептицизмом, несмотря на то, что Чжан Хэн был признанным учёным, главным астрономом императорского двора. В 138 году бронзовый шарик впервые подал сигнал тревоги. Он возвестил, что к западу от столицы Лояна произошло землетрясение. Никто в Лояне не почувствовал толчков, поэтому сигналу тревоги не придали значения. Однако несколько дней спустя в Лоян прибыл гонец с запада и сообщил, что в его районе произошло землетрясение. Землетрясение произошло в то самое время, когда прозвучал сигнал тревоги. Город Лунси, находившийся на расстоянии 300 миль от Лояна, был полностью разрушен.

Фэн Жуй и Ю Янь Сян из Института геофизики при Управлении сейсмологии КНР в 2006 году сделали вывод, что первое землетрясение, зарегистрированное прибором Хэна, произошло 13 декабря 134 года в городе Лунси с эпицентром в Тяньшуе и имело магнитуду 7 баллов.

Назначением механизма было регистрировать землетрясения в удалённых районах, чтобы направлять туда помощь. Прибор функционировал, пока не умер его изобретатель. Очевидно, устройство было таким сложным, что только Хэн мог работать с ним.

Сейсмоскоп был назван «хоуфен дидун и», что означает «прибор для измерения сезонных ветров и движения Земли». Современные попытки воссоздать прибор имели переменный успех, они были построены на использовании инерции, неотъемлемом принципе современных сейсмографов.

Д-р Паяк так объясняет использование инерции в данном случае: «Этот принцип инерции состоит в том, что землетрясение сотрясает раму устройства, таким образом, эта рама смещается по отношению к инерционному маятнику, и это смещение регистрируется как указатель землетрясения».

В книге «Реконструкция утраченных древних китайских механизмов» Хун Сэнь Янь упоминает, что в 1939 году японский учёный Акицуне Имамура построил точную копию механизма, которая подтвердила эффективность сейсмоскопа. Однако, как отметил Хун Сэнь, «в некоторых случаях направление эпицентра землетрясения находилось под прямым углом к выпавшему шарику».

В 2005 году несколько учёных из Академии Наук КНР, Национального музея и Управления сейсмологии КНР объявили, что новая копия является наилучшей. «Эта модель представляет наше самое точное понимание древнего механизма», – заявил Тэн Цзивэнь, научный работник Института геологии и геофизики, как сообщалось в правительственном периодическом издании «Жэньминь Жибао».

По имеющимся данным, копия механизма реагировала на воспроизведённые волны четырёх реальных землетрясений, произошедших в Таншане, Юньнане, на Цинхай-Тибетском нагорье и во Вьетнаме. После сравнения показаний копии механизма с современными диаграммами землетрясений, была подтверждена их точность, а форма совпала с описанной в исторических хрониках.

Хун Сэнь привёл отрывок из современной биографии Чжан Хэна, первое описание изобретения, оставленное для нас в исторических хрониках: «Внутри по центру находится опора, возле которой расположены восемь передающих штоков». Передающими штоками, очевидно, названы каналы, по которым перемещается некий объект, объяснил Хун Сэнь, но ничего более конкретного о штоках написано не было.

Д-р Паяк придерживается другой теории. Он пишет, что в исторических хрониках упоминается, что внутри механизма была вода, которая фонтаном вытекала из пасти драконов. Он выдвинул теорию, что вода текла плавно (в отличие от турбулентного течения), что называется ламинарным течением. Форма сосуда (параболическая) предназначалась для отклонения вибраций из зоны землетрясения. Отклонённые вибрации фокусировались на входе трубы в соответствующем направлении, заставляя воду выталкивать шарик из пасти дракона.

Роберт Райтерман, исполнительный директор Консорциума университетов по исследованию сейсмостойкого строительства, в своей книге «Землетрясения и строительство: международная история» высказал сомнение в отношении исторических сведений о точности работы механизма. Он написал: «На близком расстоянии весь прибор получит такую встряску, что шарики на многочисленных подставках собьются в кучу. На [далёком] расстоянии движение земли не оставляет ясные следы, указывающие направление, откуда пришли эти колебания, потому что к тому времени, когда они достигают прибора, земля довольно хаотично колеблется в разных направлениях».

Если прибор работал так хорошо, как описано в исторических хрониках, и если успех использования некоторых современных копий подразумевает, что механизм мог работать с такой точностью, то гений Хэна пока для нас остаётся непостижимым.

Некоторые из других достижений Хэна включают подсчёт числа пи в пределах между 3,1466 и 3,1622, усовершенствование отсчитывающего время устройства, известного как «водяные часы», и применение гидравлической движущей силы для вращения астрономического прибора под названием армиллярная сфера.