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 maar 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 construeerde hij 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 werd 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 had in het bestuur van de provincie Henan, overleed toen hij tien jaar oud was. Zijn moeder en grootmoeder voeden hem daarna samen op in de leer van Confucius en brachten hem vooral de liefde voor literatuur bij. Zhang Heng zou tijdens zijn leven veel gedichten schrijven, die door zijn tijdgenoten zeer gewaardeerd werden.

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

Zhang Heng hield zich onder andere bezig met het identificeren van sterrenbeelden. Zo beschreef hij in zijn boek ‘Ling Xian’ (‘Mystieke Wetten’) 124 verschillende sterrengroepen. Ook benoemde 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 schatte 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 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 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 beschreef Zhang Heng hoe het universum er uit zag. Volgens hem was het heelal een ronde bol gevuld met lucht met in het midden de Aarde. Je kon, zo schreef hij, het universum vergelijken met een kippenei waarbij je de aarde moest zien als de dooier in het midden van het ei. De zon, maan en de sterren bewogen zich in zijn kippeneimodel in verschillende snelheden over de eierschaal.

Vanwege zijn astronomische kennis kwam Zhang Heng in de belangstelling te staan van het keizerlijk hof. De Chinezen geloofden in die tijd dat de keizer zijn recht om te regeren vanuit de hemel had gekregen en dat gebeurtenissen in het heelal een relatie hadden met gebeurtenissen op aarde. Mensen met astronomische kennis stonden dan ook in hoog aanzien in China. In 112 na Christus werd de toen 34-jarige Zhang Heng naar het keizerlijk hof van keizer Han Andi in Luoyang geroepen. Luoyang, gelegen zo’n 800 km ten zuidwesten van Beijing; tegenwoordig telt de stad ruim 6,5 miljoen inwoners, was ten tijde van de Han-dynastie de hoofdstad van China. Uiteindelijk zou hij hoofdastronoom van het hof worden.

Eén van zijn taken was het maken van een nieuwe kalender. Haast elke keizer uit die tijd liet een nieuwe kalender maken gebaseerd op de positie van de sterren aan de hemel tijdens zijn regime. Vaak weken die kalenders na een tijdje af van de seizoengetijden. In het jaar 123 voltooide Zhang Heng zijn kalender.

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

Het armillarium

Eén van de apparaten die Zhang Heng verbeterde was het armillarium (ook wel armillairsfeer) genoemd. 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 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 was dat hij met hulp van een waterklok en een ingewikkeld tandwielencomplex zijn model “automatisch” liet bewegen. Zijn model liet nauwkeurig zien hoe de zon, de maan en de planeten opkwamen en onder gingen. De uitkomst (de posities van de zon, maan en sterrenbeelden) stemde nauwkeurig overheen met de werkelijkheid. Hij toonde hiermee aan dat de maan alleen verlicht was als het zonlicht er op viel – als de aarde de maan verduisterde liet zijn model dat ook zien – waarmee hij bewees dat de maan geen ”eigen licht” had.

De altijd naar het zuiden wijzende wagen

Een andere machine die Zhang Heng verbeterde, was een soort kompaswagen. Op deze wagen stond een beeld, een soort mannetje, die als de wagen bewoog en van richting veranderde, met zijn arm consequent naar het zuiden bleef wijzen zonder dat hierbij gebruik werd 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 kon worden genomen, moest het aanwijsmannetje bij de aanvang van de reis wel eerst handmatig richting het zuiden wijzend gezet worden. Daarna bleef hij – doordat de bewegingen van de wielen van de wagen met behulp van tandwielen één op één door het mannetje werden overgenomen – altijd naar het zuiden wijzen. De wagen zou vooral op het slagveld zijn gebruikt. Soldaten konden tijdens een slag, waarbij rook of mist het zicht op de vijand belemmerde, dankzij het apparaat zien in welke richting de vijanden gezocht moest worden. Ook zou het apparaat gebruikt zijn bij het reizen over uitgestrekte vlakten.

Het was al een eeuwenoud apparaat. In een militair handboek uit de elfde eeuw voor Christus werd al een soortgelijke wagen beschreven. Het was geen erg nauwkeurig apparaat. Dankzij zijn technische kennis met betrekking tot het gebruik van tandraderen verbeterde 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, verdween 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 is gegaan. Een odometer, te vergelijken met een kilometerteller in een auto, kan je beschouwen als een voorloper van een mechanische rekenmachine. Alleen kan je met dit apparaat niet rekenen maar er alleen maar mee tellen. Hierbij was de teleenheid de omtrek van een wiel of een veelvoud daarvan. De oude Grieken kenden al een soortgelijk apparaat, evenals als de Romeinen. Vitruvius, een Roemeinse architect en ingenieur – hij leefde in de eerste eeuw voor Christus – beschreef in één van zijn werken een dergelijk apparaat. Vrijwel tegelijk met Zhang Heng vond ook Hero van Alexandrië de odometer opnieuw uit (voor zijn verhaal, en hoe zijn apparaat werkte: zie het vorige portret.)

In tegenstelling tot “het kompaswagentje” had de odometer wel praktisch nut. Landmeters gebruikten 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 liet twee mechanische poppen op een soort gong slaan. Elke gongslag stond daarbij voor een bepaalde aantal maal de wielomtrek. Je moest dus zelf bij houden hoe vaak er op welke gong was geslagen. Net zoals bij de kompaswagen maakte 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 apparaat bedacht dat niet alleen een aardbeving registreerde, maar dat ook aangaf 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 was om zo vroeg mogelijk vast te stellen wanneer en waar er ergens een aardbeving in het Chinese rijk had plaats gevonden – dit in verband met de hulpverlening – bedacht Zhang Heng een soort seismograaf. Het apparaat legde niet vast hoe krachtig de waardbeving was, maar het gaf wel aan dat er een aardbeving was geweest en in welke richting deze gezocht moest 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 seismograaf

Een 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 bevonden zich een achttal draken. Elke draak had een balletje in zijn bek. Als er nu ergens een aardbeving plaats vond, dan bewoog er zich binnen in het apparaat (vermoedelijk) een slinger die één van de draken aan tikte, waardoor deze zijn balletje liet vallen in de bek van de kikker. Door te kijken welke kikker een balletje opving, kon men zien in welke richting de aardbeving gezocht moest worden.

Hoe het mechanisme er van binnen uit zag, is niet bekend. Het kan niet gewerkt hebben met alleen een heen en weer zwaaiende slinger, want dan zouden twee – tegenover elkaar liggende – draken hun balletje laten vallen en wist men 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 kwam, dan werd dit balletje aangetikt. Het rolde vervolgens in de richting van één van de draken. Deze ‘aangetikte’ draak liet 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 presenteerde Zhang Heng zijn apparaat aan het hof. Het werd met de nodige scepsis bekeken, maar zes jaar later bewees 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 geen waarde gehecht aan de waarneming. Maar een paar dagen later melden boodschappers te paard zich bij het hof, die zeiden dat er 640 km ten westen van het hof een aardbeving was geweest.

Over het leven van Zhang Heng aan het hof is niet zo veel bekend. Met het besturen van het land hield hij zich niet echt bezig. Zijn hart lag bij de wetenschap, zijn machines en de dichtkunst. In het jaar 139 overleed 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