یک لرزه نگار باستانی چینی، حیرت دانشمندان مدرن را برانگیخت - گفتمان برتر

در سال 123 میلادی، یک دانشمند بااستعداد چینی به نام چانگ هنگ (Zhang Heng)، یک اختراع شگفت انگیز را به دودمان هان، ارائه کرد؛ یک لرزه نگار. خبرنگاران در این مقاله قصد دارد شما را با شگفتی های این اختراع خلاقانه و پیشرو در هزاران سال قبل، آشنا کند.

لرزه نگار یا سایزموسکوپ (seismoscope)، دستگاهی است که که شتاب یا تغییر مکان ناشی از امواج لرزه ای درونی زمین را در حین وقوع زلزله، مقدار گیری می کند. این دستگاه را نباید با سایزمومتر (seismometer) یا سایزموگراف (seismograph) اشتباه گرفت، زیرا این دو دستگاه، حرکت زمین لرزه را به نحو دیگری ثبت می کنند. در اصل، هر آونگ آویزان یا یک جسم کاملا متعادل که بتواند با کوچک ترین آشفتگی، تعادلش را از دست بدهد و تکان بخورد، به عنوان یک لرزه نگار عمل خواهد کرد.

بسیار ساده انگارانه است اگر باور کنیم که چنین ابزارهایی قبل از اختراع چانگ هنگ، وجود نداشته اند. اما آنچه اختراع هنگ را خاص می کند، مقدار حساسیت و توانایی آن برای تشخیص جهت مکان زلزله است.

چانگ هنگ، ستاره شناس، ریاضیدان، مخترع، جغرافیادان، نقشه کش، مهندس، هنرمند، شاعر، سیاستمدار و ادیب چینی از نانیانگ هنان بود که در عصر خاندان هان زندگی می کرد. وی زمین را گوی مانند و تعداد قاره های زمین را 9 عدد فرض می کرد.

دودمان هان، که بعد از دودمان چین به قدرت رسیدند، بین سال های 206 قبل از میلاد و 220 میلادی، حدود 400 سال بر چین فرمانروایی کردند. این دوره طولانی یکی از پرتاثیرترین دوره ها در تاریخ چین به شمار می آید. هم اکنون، هان ها حدود 92 درصد جمعیت چین و 17 درصد جمعیت کره زمین را تشکیل می دهند و بزرگ ترین گروه قومی کره زمین محسوب می شوند.

دستگاه چانگ هنگ، شبیه به یک خمره دهان گشاد بزرگ با قطر شش فوت (83.1 متر) ساخته شده از برنج بود. در بیرون دستگاه، هشت سر اژدها قرار داشت که رو به هشت جهت اصلی قطب نما قرار گرفته بودند. هشت قورباغه نیز زیر سرهای اژدها و پایین ظرف هستند که دهان هایشان باز و سرهایشان رو به بالا است. محتوای داخل خمره ناشناخته است، اما احتمالا باید نوعی مکانیزم آونگی در آن به کار رفته باشد.

در زمان وقوع زلزله، حتی اگر آن قدر ضعیف باشد که نتوان آن را حس کرد، آونگ خمره با لرزش زمین، تاب می خورد و یک توپ فلزی را از دهان اژدها به دهان قورباغه می اندازد. جهت پرتاب توپ فلزی به ما نشان می دهد که لرزش ها از کجا آمده اند. علاوه بر این، افتادن توپ درون دهان قورباغه صدای بلندی ایجاد و مانند یک هشدار عمل می کند.

چانگ هنگ، نام اختراعش را هوفنگ دیدونگ یی (Houfeng Didong Yi) یا بادنمای زلزله گذاشت.

چانگ هنگ در ابتدا با تردید جامعه چین روبه رو شد، اما پس از چند سال، بالاخره یک توپ فلزی از دهان اژدها افتاد. اما از آنجا که هیچ کس، زلزله را در مرکز حس نکرده بود، منتقدان، اختراع وی را یک شکست خواندند. البته چند روز بعد، پیام رسانی به شهر آمد و از زلزله شدیدی که کیلومترها دورتر و دقیقا در جهت تشخیص این لرزه نگار اتفاق افتاده بود، خبر آورد.

گفته می شود قرن ها پس از مرگ چانگ هنگ، دیگر دانشمندان چینی توانستند با موفقیت، لرزه نگار وی را بازآفرینی کنند، اما هیچ اثر یا نشانه ای از دستگاه های آن ها با گذشت زمان، باقی نماند.

نویسندگان معاصر، ماهیت دستگاه هنگ را توصیف کرده اند، اما مکانیزم داخلی آن، کماکان یک راز عجیب است. برای مثال، هنوز معین نیست، چگونه یک آونگ باستانی آن قدر حساس طراحی شده است که لرزش زمین را از فاصله هزاران کیلومتری تشخیص می دهد و درهمین حین، به قدری پایدار است که تنها یکی از اهرم ها را بدون تکان دادن دیگر اهرم ها به کار می اندازد.

در قرن نوزدهم و بیستم، افراد بسیاری تلاش کردند نا لرزه نگار چانگ هنگ را بسازند، اما این مدل های کپی، نتوانستند به سطح دقت و حساسیت توصیف شده در اسناد تاریخی چین، برسند. البته بالاخره در سال 2005، گروهی از باستان شناسان و زلزله شناسان آکادمی علوم چین، اعلام کردند که موقف به ساخت مدلی شده اند که درست مانند نسخه اصلی عمل می کند.

در نسخه آن ها، محققان به جای استفاده از هشت توپ برای هشت جهت قطب نما، تنها از یک توپ استفاده کردند. این توپ با ظرافت و حفظ تعادل کامل، روی یک پایه باریک در مرکز دستگاه قرار داده شد. درست در بالای توپ، یک آونگ معلق وجود دارد که به طرز بسیار نامحسوسی با توپ در تماس است. هنگامی که آونگ تاب می خورد، توپ را به طور خیلی آهسته ای از روی پایه به طرف یکی از هشت کانال، هدایت می کند و به دهان اژدها می اندازد. با این روش، دستگاه، تنها یک بار به کار می افتد و حرکت های بعدی آونگ، دیگر نمی توانند توپ های دیگری را از سایر دهان ها به بیرون بیندازند، زیرا توپ دیگری وجود ندارد.

لرزه نگار چانگ هنگ، ممکن است حدود 1800 سال، عمر داشته باشد، اما نحوه عملکرد آن تا عصر مدرن، کمابیش ثابت مانده و تغییری نکرده است.

سایزمومترهای آونگی تا قرن 19 میلادی استفاده می شدند. در سایزموگراف های مدرن از علم پیشرفته الکترونیک بهره گرفته می شود، اما حسگر آن ها کماکان یک جرم معلق یا نوعی آونگ است که به جای اهرم و میله های مکانیکی، از طریق نیروهای الکتریکی، نگه داشته می شود. در برخی از این دستگاه ها، به جای آونگ از فنر استفاده می شود.

بین سال های 2016 و 2017، یک تیم از محققان ثابت کردند که می توان زلزله را با استفاده از مقدار گیری نوسان های ایجادشده از طریق زمین لرزه در پالس نور عبوری کابل های مخابراتی زیردریایی، تشخیص داد.

برخلاف سایزمومترها که در یک موقعیت مکانی ثابت قرار می گیرند و برای همین، می توانند تنها یک دسته از موج های لرزه ای را مقدار گیری کنند، فیبرهای نوری در تمام طول خود، در معرض آشفتگی های لرزه ای قرار می گیرند و همین امر به محققان اجازه می دهد تا اطلاعات ارزشمندی را درباره زلزله، استخراج کنند، اطلاعاتی که یک سایزمومتر نمی تواند در اختیار ما بگذارد.

نصب سایزمومترها در کف اقیانوس، کاری مشکل و بسیار پرهزینه است، اما در حال حاضر، هزاران کیلومتر کابل زیردریایی برای انتقال داده های اینترنتی و صوتی در سراسر جهان، وجود دارند و با استفاده از این زیرساخت موجود، ممکن است بتوان یک شبکه لرزه نگار جهانی را با هزینه ای بسیار اندک، پیاده سازی کرد.