Đi tìm địa chấn kế đầu tiên trên thế giới

Trương Hành và thiết bị phát hiện động đất của ông. Ảnh: Ancient Origins.

Tính đến nay, con người đã đi được một chặng dài trong việc phát hiện, ghi chép và đo đạc các cơn địa chấn. Tuy nhiên, nhiều người có thể không biết rằng điều này đã bắt đầu từ gần 2000 năm trước, khi một nhà phát minh người Trung Quốc tên là Trương Hành sáng chế ra địa chấn kế đầu tiên. Thiết bị này có độ chính xác đáng kể trong việc phát hiện động đất từ xa.

Người Trung Quốc cổ đại không biết rằng động đất là do sự dịch chuyển của các mảng kiến tạo trong lớp vỏ Trái đất. Thay vào đó, họ giải thích chúng hình thành so sự mất cân bằng giữa âm và dương, hoặc sự tức giận của Ngọc hoàng trước những hành động trái luân thường đạo lý cũng như sự ngó lơ của triều đình với nỗi thống khổ của dân chúng. Điều quan trọng đối với các vị vua thời bấy giờ là họ muốn được báo động về các trận động đất đang xảy ra ở bất cứ đâu trong vương quốc họ cai trị.

Nhà phát minh nổi tiếng thời nhà Hán

Trương Hành (78 – 139 sau Công nguyên) là một nhà thiên văn học, toán học, nhà địa lý học và nhà phát minh sống trong thời nhà Hán. Nhờ vào tài năng và quá trình siêng năng học hỏi, nghiên cứu, ông đã trở thành một nhà thiên văn học nổi tiếng nhất Trung Quốc thời bấy giờ. Năm 116, lúc đó Trương Hành 38 tuổi, ông được làm Thái sử lệnh phụ trách mảng quan sát thiên văn học trong triều đình.

Trương Hành nổi tiếng vì đã sáng chế ra Hỗn Thiên Nghi chạy bằng sức nước đầu tiên trên thế giới (một mô hình hoạt động nhằm mô tả sự chuyển động của các thiên thể trong vũ trụ). Ông cũng đạt được nhiều thành tựu trong việc cải tiến đồng hồ nước, ghi chép 2.500 ngôi sao trong một danh mục sao chi tiết.

Tuy nhiên, sáng chế nổi bật nhất của ông là thiết bị phát hiện động đất đầu tiên trên thế giới được gọi là “Hậu phong địa động nghi”, tức là “Công cụ theo dõi gió và chuyển động của Trái đất”. Theo cuốn Hậu Hán Thư do Phạm Diệp biên soạn vào thế kỷ thứ 5, máy phát hiện động đất của Trương Hành có thể xác định phương hướng của một trận động đất cách xa hàng trăm km.

Sở dĩ Trương Hành muốn tạo ra thiết bị này là do kinh đô Lạc Dương thời bấy giờ thường hay xảy ra động đất, có khi một năm động đất diễn ra đến mấy lần. Động đất lớn gây tổn hại đến tính mạng và tài sản của người dân, nhưng không ai biết động đất xảy ra lúc nào và cách đề phòng ra sao.

Thiết bị của Trương Hành là một chiếc chum bằng đồng có đường kính lên tới 1,8m, trông giống ấm đun trà samovar của Nga. Phía bên ngoài thân chum được tạo hình 8 con rồng đang chúc đầu xuống, đánh dấu các hướng chính giống trên la bàn bao gồm: Tây, Bắc, Đông, Nam, Đông Bắc, Đông Nam, Tây Bắc, Tây Nam. Trong miệng của mỗi con rồng là một viên bi nhỏ bằng đồng. Phần đế hình bát giác bên dưới có 8 con cóc bằng đồng đang ngồi há miệng để chờ nhận những viên bi.

Cấu tạo bên trong thiết bị của Trương Hành. Ảnh: Wikimedia.

Cơ chế chính xác khiến một viên bi rơi xuống từ miệng của con rồng trong trường hợp xảy ra động đất cho đến nay vẫn là điều bí ẩn. Các nhà khoa học tin rằng, bên trong phần thân rỗng của thiết bị treo một con lắc hình trụ ở chính giữa. Con lắc gắn với 8 thanh truyền nhỏ, trong đó mỗi thanh truyền kết nối với hệ thống đòn bẩy giúp đóng và mở miệng trên mỗi chiếc đầu rồng.

Khi xuất hiện động đất, sóng xung kích phát ra từ tâm chấn khiến con lắc dao động, làm dịch chuyển thanh truyền và kích hoạt cơ chế khiến đầu rồng hướng về nơi xảy ra động đất há miệng. Viên bi đồng từ miệng con rồng sẽ rơi xuống miệng con cóc bên dưới, tạo ra âm thanh báo hiệu cũng như giúp người sử dụng dễ dàng phán đoán sơ bộ về hướng phát sinh động đất.

Trận động đất đầu tiên được phát hiện từ xa

Vào năm 138 sau Công nguyên, âm thanh của viên bi đồng rơi xuống đã khiến cả hoàng cung xôn xao. Theo hướng con rồng thả viên bi, người ta xác định rằng trận động đất xảy ra ở phía Tây của kinh đô Lạc Dương. Bởi vì không ai cảm nhận thấy bất kỳ sự rung chuyển nào nên mọi người đã hoài nghi về hiệu quả hoạt động của thiết bị. Nhưng vài ngày sau đó, một người đưa tin từ thành phố Lũng Tây nằm ở phía Tây Lạc Dương đã báo cáo lên triều đình về trận động đất tại đó. Thời điểm nó xảy ra trùng khớp với thời điểm thiết bị của Trương Hành được kích hoạt, khiến bá quan văn võ rất ấn tượng với thiết bị của Trương Hành.

Năm 1939, nhà khoa học Nhật Bản Akitsune Imamura đã chế tạo một bản sao thiết bị của Trương Hành có khả năng hoạt động khá hiệu quả. Tuy nhiên, trong một số trường hợp hướng tâm chấn của trận động đất lại nằm vuông góc với hướng quả bóng rơi, tác giả Hong-Sen Yan viết trong cuốn sách “Bản thiết kế các cỗ máy đã bị thất lạc của Trung Quốc cổ đại”.

Năm 2005, một số chuyên gia thuộc nhiều lĩnh vực của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Bảo tàng Quốc gia, và Cục Địa chấn Trung Quốc đã cố gắng tái tạo lại thiết bị của Trương Hành. Hình dáng của nó trùng khớp với những miêu tả trong các tư liệu lịch sử. Họ sử dụng thiết bị để phát hiện các trận động đất mô phỏng dựa trên thông số của bốn trận động đất ngoài đời thực từng xảy ra ở Đường Sơn, Vân Nam, Cao nguyên Thanh Hải – Tây Tạng. Kết quả thiết bị đã phát hiện được cả bốn và có độ chính xác khá cao.

Ngày nay, từ quan điểm khoa học và công nghệ hiện đại, phát minh của Trương Hành vẫn được coi là đáng kinh ngạc và đi trước thời đại.