11. Zhang Heng; 78 – 139; Wiskundige, astronoom, dichter, uitvinder en technicus

Zhang Heng; 78 – 139; Wiskundige, astronoom, dichter, uitvinder en technicus.

8. Zhang Heng postzegel

Zhang Heng zoals hij staat afgebeeld op een Chinese postzegel uit 1955. Of hij er daadwerkelijk zo heeft uitgezien is de vraag.

Zhang Heng is vooral bekend geworden doordat hij als eerste, bijna 2000 jaar geleden, een seismograaf bedacht. Met zijn apparaat kon hij niet alleen aardbevingen waarnemen die op meer dan 600 km afstand plaats vonden, maar kon hij ook zeggen uit welke richting de trillingen kwamen, iets waardoor in het grote Chinese rijk al hulp gezonden kon worden voordat de boodschappers met het nieuws over de aardbeving het keizerlijke hof bereikten.

Naast de seismograaf bedacht hij ook allerlei andere technische apparaten zoals een odometer (dat is een soort kilometerteller) en een wagen met daarop een pop die tijdens het rijden altijd naar het zuiden bleef wijzen zonder dat daarbij gebruik werd gemaakt van magnetisme. Hij gebruikte hiervoor een tandwielentechniek die zo’n vijftienhonderd jaar later ook werd gebruikt in de eerste mechanische rekenmachines.

Daarnaast is Zhang Heng bekend geworden als wiskundige, astronoom en dichter. Als astronoom toonde hij aan dat de maan geen eigen licht had maar dat het alleen maar het licht van de zon weerkaatste.

Zhang Heng

Zhang Heng wordt geboren in het jaar 78 na Christus in Nanyang, een stad gelegen zo’n 1000 km ten zuiden van Beijing. Zijn vader, die een hoge functie heeft in het bestuur van de provincie Henan, overlijdt als hij tien jaar oud was. Zijn moeder en grootmoeder voeden hem daarna gezamenlijk op volgens de leer van Confucius. Ze brengen hem vooral de liefde voor lezen, schrijven en literatuur bij. Zhang Heng zal tijdens zijn leven veel gedichten schrijven, die door zijn tijdgenoten zeer gewaardeerd worden.

Van zijn zeventiende tot zijn drieëntwintigste studeert hij literatuur en dichtkunst in de steden Changan en Luoyang. Daarna keert hij terug naar zijn geboortestad Nanyang, waar hij in dienst treed van de gouverneur van de stad. Hij houdt zich vooral bezig met het beheren van de officiële stadsdocumenten. Na zijn dertigste ontwikkelt hij dankzij vrienden die hij heeft ontmoet in de universiteit een belangstelling voor de wetenschap. Hij vestigt hij zijn naam niet alleen als wiskundige – zijn benadering (3,16) van het getal pi (afgerond 3,14) is een aanmerkelijke verbetering ten opzichte van eerdere Chinese benaderingen – maar vooral als astronoom.

Zhang Heng houdt zich onder andere bezig met het identificeren van sterrenbeelden. Zo beschrijft hij in zijn boek ‘Ling Xian’ (‘Mystieke Wetten’) 124 verschillende sterrengroepen. Ook benoemt hij 320 heldere sterren bij naam.

8. Zhang Heng sterrenkaartEen Chinese sterrenkaart gemaakt omstreeks 1200 na Christus zoals te zien is in het Suzhou museum.

Het totaal aantal sterren schat Zhang Heng op 15.000 stuks (zo’n 2.500 grote sterren plus ongeveer 12.500 kleinere sterren). Deze schatting is voor wat betreft het aantal met het oog zichtbare sterren echter te hoog. Het aantal met het blote oog zichtbare sterren bedraagt (het noordelijk plus het zuidelijk halfrond samen)  ongeveer 10.000 stuks.

(Even tussen haakjes, over de vraag hoeveel sterren er in het universum in totaal zijn, verschillen de meningen. Volgens Dave Kornreich van ‘Ask an Astronomer’ zouden het er wel eens 1.000.000.000.000.000.000.000.000 kunnen zijn; dat is een ‘1’ met 24 nullen, maar misschien zijn het er nog veel meer – niet de nullen maar de sterren – niet een antwoord dus waar je veel aan hebt.)

8. Zhang Heng sterrenZo’n 100.000 sterren gefotografeerd door de Hubble Telescope. Foto; NASA

In één van zijn werken beschrijft  Zhang Heng hoe het universum er uit zag. Volgens hem is het heelal een ronde bol gevuld met lucht met in het midden de Aarde. Je kan, zo schrijft hij, het universum vergelijken met een kippenei waarbij je de aarde moet zien als de dooier in het midden van het ei. De zon, maan en de sterren bewegen zich in zijn kippeneimodel in verschillende snelheden over de eierschaal.

Vanwege zijn astronomische kennis komt Zhang Heng in de belangstelling te staan van het keizerlijk hof. De Chinezen geloven in die tijd dat de keizer zijn recht om te regeren vanuit de hemel heeft gekregen en dat gebeurtenissen in het heelal een relatie hebben met gebeurtenissen op aarde. Mensen met astronomische kennis staan dan ook in hoog aanzien in China. In  het jaar 112 na Christus wordt de 34-jarige Zhang Heng naar het keizerlijk hof van keizer Han Andi in Luoyang geroepen. Luoyang is gelegen zo’n 800 km ten zuidwesten van Beijing. Tegenwoordig telt de stad ruim 6,5 miljoen inwoners. Ten tijde van de Han-dynastie is Luoyang  de hoofdstad van China. Uiteindelijk zal Zhang Heng de hoofdastronoom van het hof worden.

Eén van zijn taken is het maken van een nieuwe kalender. Haast elke keizer uit die tijd laat een nieuwe kalender maken gebaseerd op de positie van de sterren aan de hemel tijdens zijn regime. Vaak wijken  die kalenders na een tijdje af van de seizoengetijden en moet er weer een nieuwe kaart worden gemaakt. In het jaar 123 voltooit Zhang Heng zijn kalender.

Zhang Heng is echter vooral beroemd geworden door de verschillende apparaten die hij ontwerpt en laat bouwen. De tandwielentechniek die Zhang bij deze machines gebruikt zou je bijna duizend jaar later terugzien in de eerste mechanische rekenmachines. De vier belangrijkste apparaten die Zhang Heng ontwerpt zijn een armillarium, een kompaswagen, een odometer en een seismograaf. De eerste drie apparaten zijn  verbeteringen van bestaande uitvindingen, de vierde – de seismograaf – daarentegen betreft een geheel nieuw idee.

Het armillarium

Eén van de apparaten die Zhang Heng verbeterdt, is het armillarium (ook wel armillairsfeer) genaamd. Een armillarium is een hemelbol met een aantal metalen ringen. Een kleine versie van het instrument werd in de Middeleeuwen vaak door zeelieden gebruikt als een navigatie-instrument. Ook kan je er de (plaatselijke) tijd mee vast stellen. Het middelpunt van het apparaat stelt de aarde voor. Eén van de ringen geeft de horizon weer, een andere de poolas, weer anderen ringen de evenaar en de meridianen. Daarnaast zijn er ringen waarop de bewegingen aan de hemel van de zon, de maan en planeten kunnen worden weergeven. Op de ronde schijf die kan roteren om de poolas, staan meestal sterrenbeelden aangeven.

8. Zhang Heng ammarilium

Een model van een armillarium zoals deze te zien is in de Mathematisch-Physikalischer Salon in Dresden; foto Faferot; Wikipedia

Het is al een oud apparaat. De Griekse wiskundige, astronoom en filosoof Eratosthenes – hij leefde omstreeks 250 voor Christus – geldt als de bedenker van het toestel. In de loop van de tijd zijn er veel verbeteringen aangebracht. Eén van de opvallendste zaken van het model van Zhang Heng is  dat hij met hulp van een waterklok en een ingewikkeld tandwielencomplex zijn model “automatisch” laat bewegen. Zijn model laat nauwkeurig zien hoe de zon, de maan en de planeten opkomen en onder gaan. De uitkomst (de posities van de zon, maan en sterrenbeelden) stemde nauwkeurig overheen met de werkelijkheid. Hij toonde met zijn apparaat aan dat de maan alleen verlicht was als het zonlicht er op viel, waarmee hij bewees dat de maan geen ”eigen licht” heeft.

De altijd naar het zuiden wijzende wagen

Een andere machine die Zhang Heng verbetert, is een soort kompaswagen. Op deze wagen staat een beeld, een soort mannetje, die als de wagen beweegt en van richting verandert, met zijn arm toch consequent naar het zuiden blijft wijzen (zonder dat hierbij gebruik wordt gemaakt van magnetisme).

8. Zhang Heng kompaswagen

Model van een kompaswagen met daarop een altijd naar het zuiden wijzend persoon. Foto: Andy Dingley; Wikipedia

Voordat de wagen in gebruik kan worden genomen, moet het aanwijsmannetje bij de aanvang van de reis wel eerst handmatig richting het zuiden wijzend gezet worden. Daarna blijft hij – doordat de bewegingen van de wielen van de wagen met behulp van tandwielen één op één door het mannetje worden overgenomen – altijd naar het zuiden wijzen. De wagen zou vooral op het slagveld worden gebruikt. Soldaten kunnen tijdens een slag, waarbij rook of mist het zicht op de vijand belemmert, dankzij het apparaat zien in welke richting de vijanden gezocht moet worden. Ook wordt het apparaat gebruikt bij het reizen over uitgestrekte vlakten.

Het is al een eeuwenoud apparaat. In een militair handboek uit de elfde eeuw voor Christus wordt al een soortgelijke wagen beschreven. Het is geen erg nauwkeurig apparaat. Dankzij zijn technische kennis met betrekking tot het gebruik van tandraderen verbetert Zhang Heng de werking van het apparaat echter wel aanzienlijk. Maar of zijn exemplaar daadwerkelijk echt in gebruik is genomen is onduidelijk. Algemeen wordt Ma Ju, een Chinese geleerde die leefde van 200 – 265; ruim een eeuw na Zhang Heng, gezien als degene die de best werkende ‘kompaswagen’ construeerde. Na de opkomst van het kompas, zo omstreeks 1000 naar Christus, verdwijnt de kompaswagen uit “het straatbeeld.”

De odometer

De odometer, ook wel hodometer genoemd, is een apparaat dat meermalen in de loop van de tijd “opnieuw” is uitgevonden. Dit omdat de kennis op de een of andere wijze verloren ging. Een odometer kan je vergelijken met een kilometerteller in een auto. De oude Grieken kennen al een soortgelijk apparaat, evenals als de Romeinen. Vitruvius, een Romeinse architect en ingenieur – hij leefde in de eerste eeuw voor Christus – beschrijft in één van zijn werken een dergelijk apparaat. Vrijwel tegelijk met Zhang Heng vindt ook Hero van Alexandrië de odometer opnieuw uit (voor zijn verhaal, en hoe zijn apparaat werkt: zie zijn portret.)

In tegenstelling tot “het kompaswagentje” heeft de odometer wel praktisch nut. Landmeters gebruiken de wagen om afstanden mee op te meten. Liet de odometer van Hero van Alexandrië stenen in een mandje vallen waarmee je kon uitrekenen hoeveel er mee was gereden, het apparaat van Zhang Heng laat twee mechanische poppen op een soort gong slaan. Elke gongslag staat daarbij voor een bepaalde aantal maal de wielomtrek. Je moet dus zelf bij houden hoe vaak er op welke gong is geslagen. Net zoals bij de kompaswagen maakt Zhang Heng bij zijn ontwerp van de odometer gebruik van een ingenieuze tandwielenconstructie.

8. Zhang Heng odometer

Afbeelding van een odometer ergens uit de periode 202 BC–220 AD; gebaseerd op het model van Zhang Heng zoals deze te zien is in het Palace Museum in Beijing.

De seismograaf

Het veruit bekendste apparaat van Zhang Heng is echter zijn seismograaf. Hij wordt algemeen gezien als de eerste die een dergelijk apparaat bedacht. Het registreert niet alleen een aardbeving , maar het geeft ook aan in welke richting deze gezocht moest worden. In de tijd van Zhang Heng werd gedacht dat aardbevingen werden veroorzaakt door bepaalde luchtstromingen. Men dacht dat het hele heelal vol met lucht zat. Deze verplaatste zich steeds in allerlei richtingen. Meestal ging dat goed, maar heel af en toe kwam de lucht met grote kracht op aarde terecht en dat veroorzaakte dan een aardbeving. Althans dat dachten de Chinezen in die tijd.

Omdat het van groot belang is om zo vroeg mogelijk vast te stellen wanneer en waar er ergens een aardbeving in het Chinese rijk heeft plaats gevonden – dit in verband met de hulpverlening – bedenkt Zhang Heng een apparaat wat we kunnen zien als de eerste seismograaf. Het apparaat legt weliswaar niet vast hoe krachtig de aardbeving is , maar het laat wel aan dat er een aardbeving is geweest en in welke richting deze gezocht moes worden. Helaas is er geen complete beschrijving van het apparaat bewaard gebleven. We weten alleen hoe de buitenkant van zijn toestel er uit zag.

8. Zhang Heng seismograafEen replica van het apparaat van Zhang Heng; gefotografeerd juli 2004 in het Chabot Space & Science Center in Oakland, Californië.; foto: Kowloonese: Wikipedia

Aan de buitenkant van zijn seismograaf bevinden zich een achttal draken. Elke draak heeft een balletje in zijn bek. Als er nu ergens een aardbeving plaats vindt, dan beweegt er binnen in het apparaat (vermoedelijk) een slinger die één van de draken aan tikt, waardoor deze zijn balletje laat vallen in de bek van de kikker. Door te kijken welke kikker een balletje opvangt, kan men zien in welke richting de aardbeving gezocht moet worden.

Hoe het mechanisme er van binnen uit ziet, is niet bekend. Het kan niet gewerkt hebben met alleen maar een heen en weer zwaaiende slinger, want dan zouden twee – tegenover elkaar liggende – draken hun balletje laten vallen en wist men nog niet in welke richting men de aardbeving moest zoeken.

Hoogstwaarschijnlijk werkte het apparaat binnen met een slinger en één extra balletje in het instrument. Als de slinger door trillingen in beweging komt, dan wordt dit balletje aangetikt. Het rolt vervolgens in de richting van één van de draken. Deze ‘aangetikte’ draak laat vervolgens zijn balletje in de bek van de kikker vallen. Na vijf jaar bouwen slaagde een Chinese universiteit er in 2005 in om een apparaat te construeren dat op een degelijke wijze werkte. Maar of het apparaat van Zhang Heng inderdaad ook zo functioneerde, is niet bekend.

8. Zhang Heng Chines postzegel 8. Zhang Heng postzegel hong kongEen Chinese postzegel uit 1953 en een postzegel van Hong Kong uit 2015 met op beide afgebeeld de seismograaf van Zhang Heng.

In het jaar 132 presenteert Zhang Heng zijn apparaat aan het hof. Het wordt met de nodige scepsis bekeken, maar zes jaar later bewijst het zijn waarde toen het een aardbeving aangaf ten westen van de hoofdstad. Niemand bij het hof had echter iets van een beving gevoeld en er werd dan ook geen waarde gehecht aan de waarneming. Maar een paar dagen later arriveren boodschappers te paard zich bij het hof, die melden dat er 640 km ten westen van het hof een aardbeving is geweest. Dat was de richting die seismograaf van Zhang Heng aangaf.

Over het leven van Zhang Heng aan het hof is niet zo veel bekend. Met het besturen van het land houdt hij zich niet bezig. Zijn hart ligt bij de wetenschap, zijn machines en de dichtkunst. In het jaar 139 overlijdt hij op 61-jarige leeftijd.

Een maandkrater en een astroïde zijn naar hem genoemd.

8. Zhang Heng krater

De Zhang Heng krater op de achterkant van de maan (de diameter bedraagt zo’n 25 km). Fotobewerking James Stuby; Wikipedia

 

My WordPress Blog