یک لرزه نگار باستانی چینی، حیرت دانشمندان مدرن را برانگیخت

لرزه‌نگار یا «سایزموسکوپ» (seismoscope)، دستگاهی است که که شتاب یا تغییر مکان ناشی از امواج لرزه‌ای درونی زمین را در حین وقوع زلزله، اندازه‌گیری می‌کند. این دستگاه را نباید با سایزمومتر (seismometer) یا سایزموگراف (seismograph) اشتباه گرفت، زیرا این دو دستگاه، حرکت زمین‌لرزه را به نحو دیگری ثبت می‌کنند. در اصل، هر آونگ آویزان یا یک جسم کاملا متعادل که بتواند با کوچک‌ترین آشفتگی، تعادلش را از دست بدهد و تکان بخورد، به‌عنوان یک لرزه‌نگار عمل خواهد کرد.

بسیار ساده‌انگارانه است اگر باور کنیم که چنین ابزارهایی قبل از اختراع چانگ هنگ، وجود نداشته‌اند. اما آنچه اختراع هنگ را خاص می‌کند، میزان حساسیت و توانایی آن برای تشخیص جهت مکان زلزله است.

یک کپی از لرزه‌نگار چانگ هنگ

چانگ هنگ، ستاره‌شناس، ریاضیدان، مخترع، جغرافیادان، نقشه‌کش، مهندس، هنرمند، شاعر، سیاستمدار و ادیب چینی از «نانیانگ هنان» بود که در عصر خاندان «هان» زندگی می‌کرد. وی زمین را گوی‌مانند و تعداد قاره‌های زمین را ۹ عدد فرض می‌کرد.

دودمان هان، که بعد از دودمان «چین» به قدرت رسیدند، بین سال‌های ۲۰۶ قبل از میلاد و ۲۲۰ میلادی، حدود ۴۰۰ سال بر چین فرمانروایی کردند. این دوره طولانی یکی از پرتاثیرترین دوره‌ها در تاریخ چین به شمار می‌آید. هم‌اکنون، هان‌ها حدود ۹۲ درصد جمعیت چین و ۱۷ درصد جمعیت کره زمین را تشکیل می‌دهند و بزرگ‌ترین گروه قومی کره زمین محسوب می‌شوند.

دستگاه چانگ هنگ، شبیه به یک خمره دهان‌گشاد بزرگ با قطر شش فوت (۸۳٫۱ متر) ساخته‌شده از برنج بود. در بیرون دستگاه، هشت سر اژدها قرار داشت که رو به هشت جهت اصلی قطب‌نما قرار گرفته‌ بودند. هشت قورباغه نیز زیر سرهای اژدها و پایین ظرف هستند که دهان‌هایشان باز و سرهایشان رو به بالا است. محتوای داخل خمره ناشناخته است، اما احتمالا باید نوعی مکانیزم آونگی در آن به کار رفته باشد.

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

چانگ هنگ در ابتدا با تردید جامعه چین روبه‌رو شد، اما پس از چند سال، بالاخره یک توپ فلزی از دهان اژدها افتاد. اما از آنجا که هیچ‌کس، زلزله را در پایتخت حس نکرده بود، منتقدان، اختراع وی را یک شکست خواندند. البته چند‌روز بعد، پیام‌رسانی به شهر آمد و از زلزله شدیدی که کیلومترها دورتر و دقیقا در جهت تشخیص این لرزه‌نگار اتفاق افتاده بود، خبر آورد.

گفته می‌شود قرن‌ها پس از مرگ چانگ هنگ، دیگر دانشمندان چینی توانستند با موفقیت، لرزه‌نگار وی را بازآفرینی کنند، اما هیچ اثر یا نشانه‌ای از دستگاه‌‌های آن‌ها با گذشت زمان، باقی نماند.

نویسندگان معاصر، ماهیت دستگاه هنگ را توصیف کرده‌اند، اما مکانیزم داخلی آن، کماکان یک راز عجیب است. برای مثال، هنوز مشخص نیست، چگونه یک آونگ باستانی آن‌قدر حساس طراحی شده است که لرزش زمین را از فاصله هزاران کیلومتری تشخیص می‌دهد و درهمین‌حین، به‌قدری پایدار است که تنها یکی از اهرم‌ها را بدون تکان دادن دیگر اهرم‌ها به کار می‌اندازد.

مکانیزم احتمالی لرزه‌نگار. عکس از كتابخانه تصوير علوم و جامعه

در قرن نوزدهم و بیستم، افراد بسیاری تلاش کردند نا لرزه‌نگار چانگ هنگ را بسازند، اما این مدل‌های کپی، نتوانستند به سطح دقت و حساسیت توصیف‌شده در اسناد تاریخی چین، برسند. البته بالاخره در سال ۲۰۰۵، گروهی از باستان‌شناسان و زلزله‌شناسان آکادمی علوم چین، اعلام کردند که موقف به ساخت مدلی شده‌اند که درست مانند نسخه اصلی عمل می‌کند.

در نسخه آن‌ها، محققان به‌ جای استفاده از هشت توپ برای هشت جهت قطب‌نما، 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 به‌طرز بسیار نامحسوسی با توپ در تماس است. هنگامی‌که آونگ تاب می‌خورد، توپ را به‌طور خیلی آهسته‌ای از روی پایه به‌ طرف یکی از هشت کانال، هدایت می‌کند و به دهان اژدها می‌اندازد. با این روش، دستگاه، تنها یک‌بار به کار می‌افتد و حرکت‌های بعدی آونگ، دیگر نمی‌توانند توپ‌های دیگری را از سایر دهان‌ها به بیرون بیندازند، زیرا توپ دیگری وجود ندارد.

لرزه‌نگار چانگ هنگ، ممکن است حدود ۱۸۰۰ سال، عمر داشته باشد، اما نحوه عملکرد آن تا عصر مدرن، کمابیش ثابت مانده و تغییری نکرده است.

سایزمومترهای آونگی تا قرن ۱۹ میلادی استفاده می‌شدند. در سایزموگراف‌های مدرن از علم پیشرفته الکترونیک بهره گرفته می‌شود، اما حسگر آن‌ها کماکان یک جرم معلق یا نوعی آونگ است که به‌جای اهرم و میله‌های مکانیکی، توسط نیروهای الکتریکی، نگه داشته می‌شود. در برخی از این دستگاه‌ها، به‌جای آونگ از فنر استفاده می‌شود.

بین سال‌های ۲۰۱۶ و ۲۰۱۷، یک تیم از محققان ثابت کردند که می‌توان زلزله را با استفاده از اندازه‌گیری نوسان‌های ایجادشده توسط زمین‌لرزه در پالس نور عبوری کابل‌های مخابراتی زیردریایی، تشخیص داد.

برخلاف سایزمومترها که در یک موقعیت مکانی ثابت قرار می‌گیرند و برای همین، می‌توانند تنها یک دسته از موج‌های لرزه‌ای را اندازه‌گیری کنند، فیبرهای نوری در تمام طول خود، در معرض آشفتگی‌های لرزه‌ای قرار می‌گیرند و همین امر به محققان اجازه می‌دهد تا اطلاعات ارزشمندی را درباره زلزله، استخراج کنند، اطلاعاتی که یک سایزمومتر نمی‌تواند 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 داده‌های اینترنتی و صوتی در سراسر جهان، وجود دارند و با استفاده از این زیرساخت موجود، ممکن است بتوان یک شبکه لرزه‌نگار جهانی را با هزینه‌ای بسیار اندک، پیاده‌سازی کرد.