12. 4 Zhang Heng; 78 – 139; Wiskundige, astronoom, dichter, uitvinder en technicus.

Zhang Heng is vandaag de dag vooral bekend omdat hij in de tweede eeuw na Christus de seismograaf uitvond. Met zijn apparaat kan hij niet alleen aardbevingen waarnemen die op meer dan 600 km afstand plaats vinden, maar hij kan ook zeggen in welke richting de aardbeving gezocht moet worden, iets wat in het grote Chinese rijk heel nuttig is, want daardoor kan al hulp naar het getroffen gebied worden gezonden voordat boodschappers met het nieuws over de aardbeving het keizerlijke hof bereiken.

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.

Naast de seismograaf construeert hij ook allerlei andere technische apparaten waaronder een hodometer en een wagen met daarop een pop die tijdens het rijden altijd naar het zuiden blijft wijzen zonder dat daarbij gebruik wordt gemaakt van magnetisme. Hij gebruikt hiervoor een tandwielentechniek die zo’n vijftienhonderd jaar later ook wordt gebruikt in de eerste mechanische rekenmachines. Hij is ook wiskundige, astronoom en vooral dichter. Als astronoom toont hij onder andere aan dat de maan geen eigen licht heeft maar dat de maan alleen maar het licht van de zon weerkaatst.

Wie is 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 Zhang Heng tien jaar oud is. Zijn moeder en grootmoeder voeden hem daarna gezamenlijk op. Ze doen dit volgens de leer van Confucius en brengen hem vooral de liefde voor lezen, schrijven en literatuur bij. Zhang Heng zal later veel gedichten schrijven, die door zijn tijdgenoten zeer gewaardeerd worden.

Van zijn zeventiende tot zijn drieëntwintigste studeert Zhang Heng literatuur en dichtkunst in de steden Changan en Luoyang. Na zijn studie keert hij terug naar zijn geboortestad Nanyang, waar hij in dienst treedt van de gouverneur van de stad. Hij houdt zich bezig met het beheren en archiveren van de stadsdocumenten. Op aandringen van studievrienden verdiept Zhang Heng – hij is dan de dertig al gepasseerd – zich op een gegeven moment in de wiskunde en astronomie. Hij blijkt er talent voor te hebben. Zhang Heng vestigt al snel naam als wiskundige – zijn benadering (3,16) van het getal pi (afgerond 3,14) is een aanmerkelijke verbetering ten opzichte van eerdere Chinese benaderingen, en ook als astronoom treedt hij op de voorgrond.

Hij houdt zich onder andere bezig met het identificeren van sterrenbeelden en schrijft er een boek over. In dit boek, ‘Ling Xian’ (‘Mystieke Wetten’), beschrijft hij 124 verschillende sterrengroepen en benoemt 320 heldere sterren bij naam. Zhang Heng schat het totaal aantal sterren in het heelal op ongeveer 15.000 stuks (2.500 grote sterren plus ongeveer 12.500 kleinere sterren, aldus Zhang). Voor wat betreft het aantal met het oog zichtbare sterren is dit iets te hoog. Het totaal aantal sterren dat met het blote oog zichtbaar is (het noordelijk en het zuidelijk halfrond samen) bedraagt ongeveer 10.000 stuks. Handig om te weten als u ’s avonds een keertje de sterren gaat tellen.

(Even tussen haakjes, over de vraag hoeveel sterren, de zichtbare plus de onzichtbare) er in totaal in het heelal zijn, daarover verschillen de meningen. De ESA houdt het op 1022 tot 1024 Dat is een 1 met 24 nullen er achter. Ook al is een nul niks, een 1 met 24 nullen er achter is wel veel.)

8. Zhang Heng sterren

Op deze foto gemaakt door de Hubble Telescope staan alleen al zo’n 100.000 sterren. Foto; NASA

In één van zijn werken beschrijft Zhang Heng het universum. 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 kippenei-model in verschillende snelheden over de eierschaal. Een interessant theorie maar niet helemaal juist. Hoe we het heelal daadwerkelijk moeten zien, daarover denken mensen verschillend.

  • Ons heelal bevindt zich misschien in de kies van een of ander monster” – Anton Tsjechow, Russisch schrijver 1860-1904
  • Het Heelal: hoe verder men keek, hoe groter het leek.” – Jules Deelder
  • Wij hopen het volledige heelal te verklaren met een enkele, eenvoudige formule die je op je T-shirt kunt zetten “ – Leon Max Lederman, Amerikaans natuurkundige en Nobelprijswinnaar Natuurkunde

De Italiaanse priester en filosoof Giordano Bruno omschrijft in 1584 het heelal als volgt: “Wij kunnen met zekerheid stellen dat het middelpunt van het heelal overal en de omtrek nergens is.” Misschien is dit wel de beste beschrijving.

 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 dan 34-jarige Zhang Heng naar het keizerlijk hof van keizer Han Andi in Luoyang geroepen. Luoyang, in de tijd van de Han-dynastie de hoofdstad van China, ligt op zo’n 800 km ten zuidwesten van Beijing. (Tegenwoordig telt de stad ruim 6,5 miljoen inwoners.)

Zhang Heng wordt op een gegeven moment de hoofdastronoom van de keizer. Eén van zijn taken is het maken van een nieuwe kalender. Bijna elke keizer uit die tijd laat een nieuwe kalender maken gebaseerd op de positie van de sterren aan de hemel tijdens diens regeerperiode. Vaak wijken die kalenders na een tijdje af van de seizoengetijden en moet er een nieuwe kalender 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 hij bij deze machines gebruikt zou je bijna vijftienhonderd 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.

Eén van de apparaten die Zhang Heng verbetert, is het armillarium (ook wel armillairsfeer) genaamd. Een armillarium is een weergave van de hemelbol door middel van een aantal metalen ringen. Een kleine versie van het instrument wordt in de Middeleeuwen vaak door zeelieden als navigatie-instrument gebruikt. Het middelpunt stelt de aarde voor. Eén van de ringen geeft de horizon weer, andere ringen de poolas, de evenaar en de meridianen. Daarnaast zijn er ringen waarop de bewegingen aan de hemel van de zon, de maan en planeten worden weergeven. Op de ronde schijf die kan roteren om de poolas heen staan 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. 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” kan laten draaien. Hij toont met zijn apparaat aan dat de maan alleen verlicht is als het zonlicht er op valt, waarmee hij bewijst dat de maan geen eigen lichtbron heeft.

Een andere machine die Zhang Heng verbetert is de kompaswagen. Op deze wagen staat een beeld, een mannetje die met zijn vinger, als de wagen beweegt en van richting verandert, 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 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 mechanisme in 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 differentiële tandraderen verbetert Zhang Heng de werking van het apparaat echter wel aanzienlijk.

8 zang tandwielen

Een voorbeeld van een systeem met differentiële tandwielen; afbeelding afkomstig uit een Engels overheidsboek ui 1937.

Kompaswagens bestaan niet meer. Na de opkomst van de kompassen met naalden, zo omstreeks 1000 naar Christus, zijn alle kompaswagens uit “het straatbeeld” verdwenen.

Zhang Heng bedenkt ook een verbeterde versie van een odometer. Voor meer informatie over de odometer, zie het voorgaande portret over Hero van Alexandrië. Liet de odometer van Hero van Alexandrië stenen in een mandje vallen waarmee je kan uitrekenen hoe ver er is gereden, het apparaat van Zhang Heng laat twee mechanische poppen op een gong slaan. Je moet uiteraard wel bij houden hoe vaak er op de gong is geslagen. Elke gongslag staat daarbij voor een bepaalde afgelegde afstand die afhangt van de wielomtrek. 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 met een (dubbele) gongslag; gebaseerd op het model van Zhang Heng; afbeelding afkomstig uit het Palace Museum in Beijing.

De seismograaf

Het bekendste apparaat van Zhang Heng is zijn seismograaf. Zhang Heng geldt als de eerste persoon die een dergelijk apparaat bedenkt. Het registreert niet alleen aardbevingen maar het geeft ook aan in welke richtingen deze gezocht moeten worden. In de tijd van Zhang Heng vermoedt men dat aardbevingen worden veroorzaakt door luchtstromingen. Men denkt dat het hele heelal vol met lucht zit. Deze lucht verplaatst zich constant in allerlei richtingen. Meestal gaat het goed, maar heel af en toe komt de lucht met grote kracht op aarde terecht en dat veroorzaakt dan een aardbeving. Althans zo denken de Chinezen in die tijd.

Omdat het van groot belang is om zo vroeg mogelijk vast te stellen of en waar er ergens een aardbeving in het Chinese rijk heeft plaats gevonden – dit in verband met de hulpverlening – bedenkt Zhang Heng een apparaat dat aangeeft dat er ergens een aardbeving is geweest. Zijn seismograaf (ook wel seismoscoop genoemd) laat weliswaar niet zien hoe krachtig de aardbeving is geweest, maar laat wel zien dat er een aardbeving is geweest en in welke richting deze gezocht moet worden. ‘Di dong yi’, een ‘aardbewegingsinstrument’, noemt Zhang Heng zijn apparaat. Helaas is er geen complete beschrijving van het apparaat bewaard gebleven. We weten uit tekeningen alleen maar hoe de buitenkant van zijn toestel er uit heeft gezien.

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:

Aan de buitenkant van de seismograaf bevindt zich een achttal draken met allemaal een balletje in hun bek. Als er nu ergens een aardbeving plaats vindt, dan beweegt er binnen in het apparaat (vermoedelijk) een slinger zich, die vervolgens één van de draken aan tikt, waarop deze zijn balletje laat vallen in de bek van de kikker die onder de betreffende draak staat. Het apparaat kan niet gewerkt hebben met alleen maar een heen en weer zwaaiende slinger, want dan zouden de twee (tegenover elkaar liggende) draken allebei een balletje laten vallen en weet men niet in welke richting men de aardbeving moet zoeken.

Hoogstwaarschijnlijk werkt het apparaat daarom met een slinger en een extra balletje in het instrument. Als de slinger door trillingen in beweging komt, dan wordt dit balletje aangetikt. Dit rolt vervolgens in de richting van één van de draken. De ‘aangetikte’ draak laat dan zijn balletje in de bek van de kikker vallen. Maar of het apparaat van Zhang Heng er van binnen inderdaad zo uit ziet, is niet helemaal zeker. Anderen denken bijvoorbeeld dat er in het apparaat een pendule zit die gaat bewegen als er een aardbeving plaats vindt en die dan de bek van één van de draken opent. De kans is echter groot dat door het bewegen van de pendule ook de tegenoverstaande draak zijn balletje laat vallen. Daarom wordt deze optie als minder waarschijnlijk gezien.

8 zhang heng pendule

Een doorsnede van een model met een pendule in het apparaat. Afbeelding Science Museum Group Collection

Door te kijken welke kikker een balletje heeft opgevangen, kan men zien in welke richting de aardbeving gezocht moet worden. Het apparaat laat wel zien dat er aardbeving heeft plaats gevonden, maar niet wanneer (tenzij iemand toevallig het balletje heeft zien vallen) en hoe krachtig hij was.

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 als het een aardbeving registreert die ergens ten westen van de hoofdstad moet hebben plaats gevonden. Niemand bij het hof heeft echter een beving gevoeld en er wordt dan ook geen waarde gehecht aan de melding van Zhang Heng. Maar twee dagen later komen boodschappers te paard bij het hof, die melden dat er 640 km ten westen van het hof een zware aardbeving is geweest, die veel schade heeft aangericht. De reputatie van het apparaat (en die van Zhang Heng) is gevestigd.

Over het leven van Zhang Heng aan het hof is verder niet zo veel bekend. Met het besturen van het land houdt hij zich niet zo bezig. Zijn hart ligt bij de wetenschap, zijn machines en vooral bij de dichtkunst. Hij vertrekt bij het hof om zich aan de dichtkunst te wijden, maar keert na een aantal jaar toch weer terug bij het hof. Een jaar later (in 139) overlijdt hij op 61-jarige leeftijd. Op zijn graftombe schrijft een tijdgenoot: ‘De uitmuntendheid van zijn talent en de pracht van zijn kunst zijn één met die van de goden.’

Naar het volgende verhaal uit deze serie.

Naar het vorige verhaal uit deze serie

My WordPress Blog