Чжан Хэн ( кит .張衡; 78–139 гг. н. э.), ранее романизированный Чан Хэн , был китайским ученым- полиматиком и государственным деятелем, жившим во времена династии Хань . Получив образование в столицах Лоян и Чанъань , он добился успеха как астроном , математик , сейсмолог , инженер-гидравлик , изобретатель , географ , картограф , этнограф , художник , поэт , философ , политик и литературовед.
Чжан Хэн начал свою карьеру в качестве мелкого государственного служащего в Наньяне . В конце концов, он стал главным астрономом, префектом майоров официальных экипажей, а затем дворцовым служителем при императорском дворе. Его бескомпромиссная позиция по историческим и календарным вопросам привела к тому, что он стал противоречивой фигурой, что помешало ему подняться до статуса великого историка. Его политическое соперничество с дворцовыми евнухами во время правления императора Шуня (годы правления 125–144) привело к его решению уйти из центрального двора, чтобы служить администратором королевства Хэцзянь в современном Хэбэе . Чжан вернулся домой в Наньян на короткое время, прежде чем был отозван на службу в столицу еще раз в 138 году. Он умер там год спустя, в 139 году.
Чжан применил свои обширные знания механики и передач в нескольких своих изобретениях. Он изобрел первую в мире армиллярную сферу, работающую на воде, для помощи в астрономических наблюдениях; [1] усовершенствовал приточные водяные часы , добавив еще один резервуар; [2] и изобрел первый в мире сейсмоскоп , который различал кардинальное направление землетрясения на расстоянии 500 км (310 миль). [1] [3] [4] Он улучшил предыдущие китайские вычисления для числа пи . Помимо документирования около 2500 звезд в своем обширном звездном каталоге , Чжан также выдвинул теории о Луне и ее связи с Солнцем : в частности, он обсуждал сферичность Луны, ее освещение отраженным солнечным светом с одной стороны и скрытую природу другой, а также природу солнечных и лунных затмений . Его поэзия фу (рапсодия) и ши была известна в его время и изучалась и анализировалась более поздними китайскими писателями. Чжан получил множество посмертных почестей за свою ученость и изобретательность; Некоторые современные ученые сравнивают его труды в области астрономии с трудами греко-римского Птолемея (86–161 гг. н. э.).
Родившийся в городе Сиэ в округе Наньян (к северу от современного города Наньян в провинции Хэнань ), Чжан Хэн происходил из знатной, но небогатой семьи. [5] [6] [7] Его дед Чжан Кань (張堪) был губернатором округа и одним из лидеров, поддержавших восстановление Хань императором Гуанву ( годы правления 25–57) после смерти узурпатора Ван Мана из династии Синь (9–23 годы н. э.). [5] [8] [9] [10] Когда Чжану было десять лет, умер отец, оставив его на попечении матери и бабушки. [9]
Будучи в юности талантливым писателем, Чжан покинул дом в 95 году, чтобы продолжить учебу в столицах Чанъань и Лоян . [5] Во время путешествия в Лоян Чжан проезжал мимо горячего источника недалеко от горы Ли и посвятил ему одну из своих ранних поэм фу . [11] Эта работа под названием « Фу на горячих источниках» ( Wēnquán fù溫泉賦) описывает толпы людей, посещающих горячие источники, которые позже стали известны как « Горячие источники Хуацин », любимое место отдыха императорской наложницы Ян Гуйфэй во времена династии Тан . [12] После нескольких лет обучения в Тайсюэ в Лояне он хорошо разбирался в классике и дружил с несколькими известными людьми, включая математика и каллиграфа Цуй Юаня (78–143), официального и философского комментатора Ма Жуна (79–166) и философа Ван Фу (78–163). [5] [7] Правительственные власти предлагали Чжану назначения на несколько должностей, включая должность одного из императорских секретарей , однако он проявил скромность и отказался. [5] [11]
В возрасте 23 лет Чжан вернулся домой со званием «Офицер заслуг в Наньяне», выступая в качестве мастера документов под управлением губернатора Бао Дэ (находившегося на своем посту с 103 по 111 год). [5] [7] [8] Поскольку ему было поручено составлять надписи и панихиды для губернатора, он приобрел опыт в написании официальных документов. [8] Как офицер заслуг в командовании, он также отвечал за местные назначения на должности и рекомендации столице кандидатов на более высокие должности. [13] Он проводил большую часть своего времени, сочиняя рапсодии о столичных городах. Когда Бао Дэ был отозван в столицу в 111 году, чтобы служить министром финансов, Чжан продолжил свою литературную работу дома в Сиэ. [5] [8] [11] Чжан Хэн начал изучать астрономию в возрасте 30 лет и начал публиковать свои работы по астрономии и математике . [8]
В 112 году Чжан был вызван ко двору императора Ань (годы правления 106–125), который был наслышан о его познаниях в математике. [8] Когда его назначили на службу в столицу, Чжана сопровождали в карете — символе его официального статуса — в Лоян, где он стал придворным джентльменом, работающим в императорском секретариате . [5] [8] Он был повышен до должности главного астронома двора, прослужив свой первый срок с 115 по 120 год при императоре Ань, а второй — при следующем императоре с 126 по 132 год. [8] Как главный астроном, Чжан был подчиненным министра церемоний, одного из девяти министров, рангом чуть ниже трех превосходительств. [14] Помимо записи небесных наблюдений и предзнаменований, подготовки календаря и сообщения о том, какие дни были благоприятными, а какие — неблагоприятными, Чжан также отвечал за продвинутый тест на грамотность для всех кандидатов в Имперский секретариат и Цензорат , оба члена которого должны были знать не менее 9000 иероглифов и все основные стили письма. [14] [15] При императоре Ань Чжан также служил префектом майоров официальных экипажей при Министерстве гвардии, отвечая за прием мемориалов трону (официальные эссе о политике и администрации), а также кандидатов на официальные назначения. [16] [17]
Когда правительственный чиновник Дань Сун предложил реформировать китайский календарь в 123 году, чтобы принять некоторые апокрифические учения , Чжан выступил против этой идеи. Он считал, что учения имеют сомнительный статус и могут внести ошибки. [5] Другие разделяли мнение Чжана, и календарь не был изменен, однако предложение Чжана о запрете апокрифических писаний было отклонено. [5] Чиновники Лю Чжэнь и Лю Таоту, члены комитета по составлению династической истории Дунгуань Ханьцзи (東觀漢記), запросили у суда разрешение проконсультироваться с Чжан Хэном. [5] Однако Чжану было запрещено помогать комитету из-за его противоречивых взглядов на апокрифы и его возражений против принижения роли императора Гэнши (годы правления 23–25) в восстановлении династии Хань как меньшей, чем роль императора Гуанву. [20] [21] Лю Чжэнь и Лю Таоту были единственными историками, союзниками Чжана при дворе, и после их смерти у Чжана не было дальнейших возможностей для продвижения на престижную должность придворного историка. [20]
Несмотря на эту неудачу в своей официальной карьере, Чжан был повторно назначен главным астрономом в 126 году после того, как император Шунь из Хань (годы правления 125–144) взошел на престол. [18] [22] Его интенсивная астрономическая работа была вознаграждена только званием и жалованьем в 600 бушелей, или ши , зерна (в основном заменявшегося на наличные деньги или рулоны шелка ). [18] [23] Чтобы поместить это число в контекст, в иерархии из двадцати официальных рангов, самый низкооплачиваемый чиновник получал звание и жалованье в 100 бушелей, а самый высокооплачиваемый чиновник получал 10 000 бушелей во время Хань. [24] Ранг в 600 бушелей был самым низким, который император мог напрямую назначить на центральную правительственную должность; любой чиновник более низкого статуса находился под надзором центральных или провинциальных чиновников высокого ранга. [25]
В 132 году Чжан представил суду сложный сейсмоскоп, который, как он утверждал, мог определять точное кардинальное направление отдаленного землетрясения . [26] Однажды его устройство показало, что землетрясение произошло на северо-западе. Поскольку в столице не ощущалось ощутимых толчков, его политические враги некоторое время могли наслаждаться неудачей его устройства, [26] пока вскоре после этого не прибыл посланник, чтобы сообщить, что землетрясение произошло примерно в 400 км (248 миль) - 500 км (310 миль) к северо-западу от Лояна в провинции Ганьсу . [26] [27] [28] [29]
Через год после того, как Чжан представил свой сейсмоскоп суду, чиновников и кандидатов попросили прокомментировать серию недавних землетрясений, которые можно было бы истолковать как знаки недовольства Небес. [18] Древние китайцы рассматривали стихийные бедствия как космологические наказания за проступки, совершенные китайским правителем или его подчиненными на земле. В меморандуме Чжана, обсуждая причины этих стихийных бедствий, он критиковал новую систему набора Цзо Сюна, которая устанавливала возраст подходящих кандидатов на звание « Сыновний и неподкупный » в сорок лет. [18] Новая система также передала полномочия по оценке кандидатов Трем Превосходительствам, а не Генералам Двора, которые по традиции курировали дела придворных джентльменов. [18] Хотя меморандум Чжана был отклонен, его статус вскоре был значительно повышен до Дворцового прислужника, должности, которую он использовал, чтобы влиять на решения императора Шуня. [17] [18] Занимая эту престижную новую должность, Чжан получал зарплату в 2000 бушелей и имел право сопровождать императора. [30]
Будучи дворцовым помощником императора Шуня, Чжан Хэн пытался убедить его, что придворные евнухи представляют угрозу для императорского двора. Чжан указал на конкретные примеры прошлых придворных интриг с участием евнухов и убедил Шуня, что он должен взять на себя большую власть и ограничить их влияние. [18] Евнухи попытались оклеветать Чжана, который ответил рапсодией фу под названием « Фу, размышляющий о тайне», в которой выразил свое разочарование. [12] Раф де Креспиньи утверждает, что рапсодия Чжана использовала образы, похожие на поэму Цюй Юаня (340–278 до н. э.) « Ли Сао », и сосредоточилась на том, должны ли хорошие люди бежать из развращенного мира или оставаться добродетельными в нем. [18] [31]
Работая в центральном суде, Чжан Хэн имел доступ к различным письменным материалам, находящимся в Архивах Восточного павильона. [33] Чжан прочитал многие из великих исторических трудов своего времени и утверждал, что нашел десять случаев, когда « Записи великого историка» Сыма Цяня (145–90 гг. до н. э.) и « Книга Хань» Бань Гу (32–92 гг. н. э.) отличались от других древних текстов, которые были ему доступны. [5] [34] Его рассказ был сохранен и записан в тексте V века «Книги поздней Хань» Фань Е (398–445 гг.). [34] Его рапсодии и другие литературные произведения продемонстрировали глубокое знание классических текстов, китайской философии и истории . [5] Он также составил комментарий к «Тайсюань» (太玄, «Великая тайна») даосского автора Ян Сюна (53 г. до н. э. – 18 г. н. э.). [7] [8] [18]
Сяо Тун (501–531), наследный принц династии Лян (502–557), увековечил несколько произведений Чжана в своей литературной антологии Selections of Refined Literature . Рапсодии фу Чжана включают «Рапсодия западной столицы» ( Xī jīng fù 西京賦), «Рапсодия восточной столицы» ( Dōng jīng fù 東京賦), «Рапсодия южной столицы» ( Nán dū fù 南都賦), «Рапсодия о размышлениях о тайне» ( Sī xuán fù 思玄賦) и «Возвращение в поле» . [35] Последний сплавляет даосские идеи с конфуцианством и был предшественником более поздней китайской метафизической поэзии природы, согласно Лю У-чи. [36] Набор из четырех коротких лирических стихотворений под названием «Лирические поэмы о четырех печали» ( Sì chóu shī 四愁詩) также включен в предисловие Чжана. Этот набор представляет собой некоторые из самых ранних написанных китайских стихов в стиле семисложного ши . [37] [38] Еще находясь в Лояне, Чжан вдохновился на написание своих «Рапсодии западной метрополии» и «Рапсодии восточной метрополии», которые были основаны на «Рапсодии о двух столицах» историка Бань Гу. [5] Работа Чжана была похожа на работу Баня, хотя последний полностью восхвалял современный ему режим Восточной Хань, в то время как Чжан предупреждал, что его может постигнуть та же участь, что и Западную Хань, если он тоже скатится в состояние упадка и моральной развращенности. [5] Эти две работы высмеивали и критиковали то, что он считал чрезмерной роскошью высших классов. [11] «Южная столичная рапсодия» Чжана увековечивала его родной город Наньян, дом восстановителя династии Хань, Гуанву. [5]
В стихотворении Чжан Хэна «Четыре печали» он сетует, что не может добиться расположения прекрасной женщины из-за препятствий в виде гор, снегов и рек. [8] [18] Ученые Раф де Креспиньи и Дэвид Р. Кнехтгес утверждают, что Чжан написал это как намёк на свою неспособность поддерживать связь с императором, которому мешают недостойные соперники и мелкие люди. [8] [18] Это стихотворение является одним из первых в Китае, в котором в строке содержится семь слов. [37] Его «Четыре печали» гласят:
В другом его стихотворении под названием «Успокоение страстей» ( Dìng qíng fù定情賦) — сохранившемся в энциклопедии династии Тан (618–907), но ранее упомянутом Тао Цянем (365–427) в похвалу лирическому минимализму Чжана — Чжан выражает свое восхищение привлекательной и образцовой женщиной. [39] Этот более простой тип стихотворения фу повлиял на более поздние работы выдающегося чиновника и ученого Цай Юна (132–192). [37] Чжан писал:
Длинные лирические поэмы Чжана также раскрывают большой объем информации о городской планировке и базовой географии. Его рапсодия «Господин, основанный на ничто» содержит подробную информацию о местности, дворцах, охотничьих парках, рынках и выдающихся зданиях Чанъаня , столицы Западной Хань. [11] [35] Демонстрируя его внимание к деталям, его рапсодия о Наньяне описывает сады, заполненные весенним чесноком, летними побегами бамбука , осенним луком-пореем, зимней рапсовой репой, периллой , эводией и пурпурным имбирем. [40] Вместе с Сыма Сянжу (179–117 до н. э.) Чжан перечислил множество животных и охотничьих дичей, населяющих парк, которые были разделены на северную и южную части парка в зависимости от того, откуда изначально пришли животные: из северного или южного Китая . [41] Несколько похоже на описание Сыма Сянжу, Чжан описал императоров Западной Хань и их окружение, наслаждающихся прогулками на лодках, водными играми, рыбалкой и демонстрациями стрельбы из лука, целясь в птиц и других животных с помощью натянутых стрел с вершин высоких башен вдоль озера Куньмин в Чанъане. [42] Сосредоточение внимания Чжана на конкретных местах и их ландшафте, обществе, людях и их обычаях также можно рассматривать как ранние попытки этнографической категоризации. [43] В своей поэме «Сицзин фу» Чжан показывает, что он был осведомлен о новой иностранной религии буддизма , привнесенной через Шелковый путь , а также о легенде о рождении Будды с видением белого слона, вызвавшим зачатие. [44] В своей «Рапсодии Западной столицы» (西京賦) Чжан описал придворные развлечения, такие как цзюэди (角抵), форма театральной борьбы, сопровождаемая музыкой, в которой участники бодались головами с масками из бычьих рогов. [45]
Со своим «Ответом на критику» ( Ying jian 應間), произведением, смоделированным по образцу «Оправдания против насмешек» Ян Сюна , [46] Чжан был одним из первых писателей и сторонников китайского литературного жанра шелунь , или гипотетического дискурса. Авторы этого жанра создавали письменный диалог между собой и воображаемым человеком (или реальным человеком из их окружения или ассоциации); последний задавал вопросы автору о том, как вести успешную жизнь. [47] Он также использовал его как средство критиковать себя за то, что не смог получить высокий пост, но пришел к выводу, что истинный джентльмен проявляет добродетель вместо жадности к власти. [18] В этой работе Доминик Деклерк утверждает, что человек, побуждавший Чжана продвигаться по карьерной лестнице во времена коррупции в правительстве, скорее всего, представлял евнухов или могущественных родственников императрицы Лян (116–150) в клане Лян . [22] Деклерк утверждает, что эти две группы были бы «озабочены тем, чтобы узнать, можно ли переманить этого знаменитого ученого на свою сторону», но Чжан категорически отверг такую возможность, заявив в этом политически заряженном произведении, что его джентльменское стремление к добродетели превзошло любое его желание власти. [48]
Чжан писал о различных любовных похождениях императоров, недовольных императорским гаремом, которые выходили в город инкогнито, чтобы искать проституток и девушек-певчих. Это рассматривалось как общая критика императоров Восточной Хань и их императорских фаворитов, замаскированная под критику более ранних императоров Западной Хань. [49] Помимо критики императоров Западной Хань за расточительный декаданс, Чжан также указывал, что их поведение и церемонии не соответствовали должным образом китайским циклическим верованиям в инь и ян . [50] В стихотворении, критикующем предыдущую династию Западной Хань, Чжан писал:
В течение столетий китайцы приближали число пи к 3; Лю Синь (ум. 23 г. н. э.) предпринял первую известную китайскую попытку более точного вычисления числа 3,154, но нет никаких записей, подробно описывающих метод, который он использовал для получения этой цифры. [51] [52] В своей работе около 130 г. [53] Чжан Хэн сравнил небесный круг с диаметром Земли, пропорционируя первый как 736, а второй как 232, таким образом вычислив число пи как 3,1724. [54] Во времена Чжана соотношение площади квадрата к площади вписанного в него круга составляло 4:3, а объем куба и объем вписанной сферы также должны быть 4 2 :3 2 . [54] В формуле, где D — диаметр, а V — объем, D 3 : V = 16: 9 или V = D 3 ; Чжан понял, что значение диаметра в этой формуле было неточным, отметив несоответствие, поскольку значение, принятое для отношения, было неточным. [52] [54] Затем Чжан попытался исправить это, изменив формулу с помощью дополнительного D 3 , отсюда V = D 3 + D 3 = D 3 . [54] При отношении объема куба к вписанной сфере 8:5 подразумеваемое отношение площади квадрата к кругу составляет √ 8 :√ 5 . [54] [55] Из этой формулы Чжан вычислил пи как квадратный корень из 10 (или приблизительно 3,162). [17] [18] [54] [55] [56] В 3 веке Лю Хуэй сделал вычисления более точными с помощью своего алгоритма π , что позволило ему получить значение 3,14159. [57] Позже Цзу Чунчжи (429–500) приблизительно вычислил число пи как 3,141592, что является самым точным расчетом числа пи, которого достигли древние китайцы. [58]
В своей публикации 120 г. н. э. под названием « Духовная конституция Вселенной» (靈憲, Ling Xian , букв. «Возвышенная модель») [18] [59] Чжан Хэн выдвинул теорию, что Вселенная подобна яйцу «круглому, как пуля для арбалета » со звездами на скорлупе и Землей в качестве центрального желтка. [4] [60] Эта теория вселенной согласуется с геоцентрической моделью, в отличие от гелиоцентрической модели . Хотя древние китайские астрономы Воюющих царств (403–221 гг. до н. э.) Ши Шэнь и Гань Дэ составили первый китайский звездный каталог в 4 веке до н. э., Чжан тем не менее каталогизировал 2500 звезд, которые он поместил в категорию «ярко сияющих» (китайцы оценили общее число в 14 000), и он распознал 124 созвездия. [18] [60] Для сравнения, этот звездный каталог включал гораздо больше звезд, чем 850, задокументированных греческим астрономом Гиппархом ( ок. 190 – ок. 120 до н. э. ) в его каталоге, и больше, чем Птолемей (83–161 н. э.), который каталогизировал более 1000. [61] Чжан поддерживал теорию «лучистого влияния» для объяснения солнечных и лунных затмений, теорию, против которой выступал Ван Чун (27–97 н. э.). [62] В « Лин Сянь » Чжан писал:
夫日譬猶火,月譬猶水,火則外光,水則含景。故月光生於日之所照,魄生於日之所蔽,當日則光盈, 就日則光盡也。
Солнце подобно огню, а Луна подобна воде. Огонь излучает свет, а вода отражает его. Таким образом, яркость Луны возникает из-за сияния Солнца, а тьма Луны происходит из-за того, что (свет) Солнца заслоняется. Сторона, обращенная к Солнцу, полностью освещена, а сторона, обратная от него, темна
.在星星微,月過則食。
Планеты (как и Луна) имеют природу воды и отражают свет. Свет, исходящий от Солнца, не всегда достигает Луны из-за препятствия самой Земли — это называется « ансу », лунное затмение. Когда (аналогичный эффект) происходит с планетой (мы называем ее) затмением; когда Луна проходит по (пути Солнца), происходит солнечное затмение.— Чжан Хэн (120 г. н. э.), Возвышенная модель ( перевод Джозефа Нидхэма ) [63]
Чжан Хэн также рассматривал эти астрономические явления в сверхъестественных терминах. Знаки комет, затмений и движения небесных тел могли быть интерпретированы им как небесные руководства по ведению государственных дел. [18] Современные писатели также писали о затмениях и сферичности небесных тел. Теоретик музыки и математик Цзин Фан (78–37 до н. э.) писал о сферической форме Солнца и Луны, обсуждая затмения:
Луна и планеты — это Инь; они имеют форму, но не имеют света. Его они получают только тогда, когда их освещает Солнце. Прежние мастера считали Солнце круглым, как пуля арбалета, и думали, что Луна имеет природу зеркала. Некоторые из них также признавали Луну шаром. Те части Луны, которые освещает Солнце, выглядят яркими, те части, которые оно не освещает, остаются темными. [64]
Теория, выдвинутая Чжаном и Цзином, была поддержана более поздними досовременными учеными, такими как Шэнь Ко (1031–1095), который расширил рассуждения о том, почему Солнце и Луна были сферическими. [65] Теория небесной сферы, окружающей плоскую квадратную Землю, позже подверглась критике со стороны ученого-чиновника династии Цзинь Юй Си (307–345). Он предположил, что Земля может быть круглой, как небеса, теория сферической Земли, полностью принятая математиком Ли Е (1192–1279), но не общепринятой китайской наукой до европейского влияния в 17 веке. [66]
Выпускная клепсидра была устройством для измерения времени, которое использовалось в Китае еще во времена династии Шан (ок. 1600–ок. 1050 до н. э.) и, безусловно, во времена династии Чжоу (1122–256 до н. э.). [67] Приточная клепсидра с индикаторным стержнем на поплавке была известна в Китае с начала династии Хань в 202 г. до н. э. и заменила выпускной тип. [67] Китайцы Хань отметили проблему с падающим напором в резервуаре, что замедляло отсчет времени устройством по мере заполнения приточного сосуда. [67] Чжан Хэн был первым, кто решил эту проблему, указанную в его трудах от 117 г., добавив дополнительный компенсационный бак между резервуаром и приточным сосудом. [2] [18] Чжан также установил две статуэтки китайского бессмертного и небесного стража на вершине приточной клепсидры, двое из которых направляли стержень индикатора левой рукой и указывали на градуировку правой. [68] Джозеф Нидхэм утверждает, что это, возможно, был предок всех часовых домкратов, которые позже отбивали часы, найденные в механических часах к 8-му веку, но он отмечает, что эти фигурки на самом деле не двигались, как фигурки часовых домкратов, и не отбивали часы. [68] К более поздним клепсидрам в традиции Чжан Хэна было добавлено много дополнительных компенсационных резервуаров. В 610 году инженеры династии Суй (581–618) Гэн Сюнь и Юйвэнь Кай создали неравноплечие безменовые весы, способные вносить сезонные корректировки в напор компенсационной емкости, так что они могли контролировать скорость потока воды для разной продолжительности дня и ночи в течение года. [69] Чжан упоминал «шею нефритового дракона», что в более поздние времена означало сифон. [70] Он писал о поплавках и индикаторных стержнях приточной клепсидры следующим образом:
以銅為器,再疊差置,實以清水,下各開孔,以玉虯吐漏水入兩壺。右為夜,左為晝). один над
другим на разных уровнях; они наполнены чистой водой. Внизу каждого имеется небольшое отверстие в форме «шеи нефритового дракона». Капающая вода (сверху) поступает в два приточных приемника (поочередно), левый – на ночь, а правый – на день
.左手抱箭,右手指刻,以別天時早晚。
На крышках каждого (приемника притока) имеются небольшие литые статуэтки из позолоченной бронзы; левый (ночной) — бессмертный, а правый (дневной) — полицейский. Эти фигуры левыми руками управляют стержнем-индикатором (букв. стрелка), а правыми указывают на нем деления, указывая таким образом время. [70]
Чжан Хэн — первый известный человек, применивший гидравлическую движущую силу (т. е. с помощью водяного колеса и клепсидры ) для вращения армиллярной сферы , астрономического инструмента, представляющего небесную сферу . [71] [72] [73] Греческий астроном Эратосфен (276–194 до н. э.) изобрел первую армиллярную сферу в 255 г. до н. э. Китайская армиллярная сфера была полностью разработана к 52 г. до н. э., когда астроном Гэн Шоучан (耿壽昌) добавил к ней постоянно закрепленное экваториальное кольцо . [74] В 84 г. н. э. астрономы Фу Ань и Цзя Куй добавили эклиптическое кольцо, и, наконец, Чжан Хэн добавил кольца горизонта и меридиана . [18] [74] Это изобретение описано и приписано Чжану в цитатах Сюй Чена и Ли Шаня, ссылающихся на его книгу Lou Shui Chuan Hun Thien I Chieh (Устройство для вращения армиллярной сферы с помощью воды клепсидры). Скорее всего, это была не настоящая книга Чжана, а глава из его Hun I или Hun I Thu Chu , написанная в 117 году нашей эры. [75] Его армиллярный механизм с водяным приводом повлиял на конструкцию более поздних китайских водяных часов и привел к открытию спускового механизма к 8 веку. [76] Историк Джозеф Нидхэм (1900–1995) утверждает:
Каковы были факторы, приведшие к появлению первых спусковых часов в Китае? Главной традицией, приведшей к И Син (725 г. н. э.), была, конечно, последовательность «дочасов», которая началась с Чжан Хэна около 125 г. Было дано основание полагать, что они применяли энергию для медленного поворота вычислительных армиллярных сфер и небесных глобусов с помощью водяного колеса, использующего каплю клепсидры, которая периодически оказывала силу выступа, чтобы воздействовать на зубцы колеса на валу полярной оси. Чжан Хэн, в свою очередь, составил эту конструкцию, объединив армиллярные кольца своих предшественников в экваториальную армиллярную сферу и объединив ее с принципами водяных мельниц и гидравлических молотов, которые стали столь распространенными в китайской культуре в предыдущем столетии. [76]
Чжан не был инициатором китайской традиции гидротехники , которая началась в середине династии Чжоу (ок. 6 в. до н. э.) благодаря работе таких инженеров, как Суньшу Ао и Симэнь Бао . [77] Современник Чжана, Ду Ши (ум. 38 г. н. э.), был первым, кто применил движущую силу водяных колес для управления мехами доменной печи для производства чугуна и вагранкой для производства чугуна . [78] [79] Чжан дал ценное описание своей армиллярной сферы, приводимой в действие водой, в трактате 125 г., заявив:
Экваториальное кольцо огибает живот армиллярной сферы на расстоянии 91 и 5/19 (градуса) от полюса. Окружность эклиптики также огибает живот инструмента под углом 24 (градуса) к экватору. Таким образом, в летнее солнцестояние эклиптика находится на расстоянии 67 (градусов) и одной доли от полюса, а в зимнее солнцестояние — на расстоянии 115 (градусов) и одной доли. Следовательно, (точки), где пересекаются эклиптика и экватор, должны давать северные полярные расстояния весеннего и осеннего равноденствий. Но теперь (было зафиксировано, что) весеннее равноденствие находится на расстоянии 90 и 1/4 (градуса) от полюса, а осеннее равноденствие — на расстоянии 92 и 1/4 (градуса). Первая цифра принята только потому, что она согласуется с (полученными результатами) методом измерения солнечных теней в дни солнцестояния, воплощенным в календаре (династии) Ся. [80]
Водяная армиллярная сфера Чжан Хэна оказала глубокое влияние на китайскую астрономию и машиностроение в последующих поколениях. Его модель и ее сложное использование шестеренок оказали большое влияние на водные инструменты более поздних астрономов, таких как И Син (683–727), Чжан Сысунь (ок. 10 в.), Су Сун (1020–1101), Го Шоуцзин (1231–1316) и многих других. Водяные армиллярные сферы в традиции Чжан Хэна использовались в эпоху Троецарствия ( 220–280) и династии Цзинь (266–420) , однако ее конструкция временно вышла из употребления между 317 и 418 годами из-за вторжений северных кочевников хунну . [81] Старые инструменты Чжан Хэна были восстановлены в 418 году, когда император У из Лю Сун (годы правления 420–422) захватил древнюю столицу Чанъань. Хотя они все еще были целы, градуировочные отметки и изображения звезд, Луны, Солнца и планет были довольно сильно изношены временем и ржавчиной. [81] В 436 году император приказал Цяню Лочжи, секретарю Бюро астрономии и календаря, воссоздать устройство Чжана, что ему удалось успешно сделать. [81] Небесный глобус Цяня, работающий на воде, все еще использовался во времена династии Лян (502–557), и последующие модели армиллярных сфер, работающих на воде, были разработаны в последующих династиях. [81]
С самых древних времен китайцы были обеспокоены разрушительной силой землетрясений. В « Записях великого историка» Сыма Цяня за 91 г. до н. э. записано, что в 780 г. до н. э. землетрясение было достаточно сильным, чтобы изменить русла трех рек. [82] В то время не было известно, что землетрясения были вызваны смещением тектонических плит в земной коре; вместо этого люди древней династии Чжоу объясняли их как возмущения с космическими инь и ян , а также недовольство небес действиями, совершенными (или игнорированием обид простых людей) нынешней правящей династией. [82] Эти теории в конечном итоге были получены из древнего текста Ицзин , в его пятьдесят первой гексаграмме. [83] Были и другие ранние теории о землетрясениях, разработанные такими людьми, как древние греки . Анаксагор (ок. 500–428 до н. э.) считал, что они были вызваны избытком воды вблизи поверхности земной коры, прорывающейся в земные впадины; Демокрит (ок. 460–370 до н. э.) считал, что их причиной является насыщение Земли водой; Анаксимен (ок. 585–ок. 525 до н. э.) считал, что они были результатом падения огромных кусков Земли в пещеристые впадины из-за высыхания; а Аристотель (384–322 до н. э.) считал, что они были вызваны нестабильностью пара ( пневмы ), вызванной высыханием влажной Земли солнечными лучами. [83]
Во времена династии Хань многие учёные, включая Чжан Хэна, верили в « оракулов ветров». [84] Эти оракулы оккультизма наблюдали за направлением, силой и временем ветров, чтобы строить предположения о работе космоса и предсказывать события на Земле. [85] Эти идеи повлияли на взгляды Чжан Хэна на причину землетрясений.
В 132 году Чжан Хэн представил ханьскому двору то, что многие историки считают его самым впечатляющим изобретением, — первый сейсмоскоп. Сейсмоскоп регистрирует движения земной тряски, но в отличие от сейсмометра он не сохраняет временную запись этих движений. [86] Он был назван «флюгером землетрясения» ( hòufēng dìdòngyí 候風地動儀), [87] и мог приблизительно определить направление (из восьми направлений), откуда произошло землетрясение. [18] [72] Согласно « Книге поздней Хань» (составленной Фань Е в V веке), его бронзовое устройство в форме урны с качающимся маятником внутри могло определять направление землетрясения на расстоянии сотен миль/километров. [88] [89] Это было необходимо для правительства Хань для отправки быстрой помощи и облегчения в регионы, опустошенные этим типом стихийного бедствия. [3] [90] [91] В « Книге поздней династии Хань» записано, что однажды устройство Чжана сработало, хотя ни один наблюдатель не почувствовал никаких сейсмических возмущений; несколько дней спустя с запада прибыл посланник и сообщил, что в Лунси (современная провинция Ганьсу ) произошло землетрясение, в том же направлении, на которое указывало устройство Чжана, и поэтому суд был вынужден признать эффективность устройства. [92]
Чтобы указать направление отдаленного землетрясения, устройство Чжана сбрасывало бронзовый шар с одного из восьми трубчатых выступов в форме голов дракона; шар падал в рот соответствующего металлического предмета в форме жабы, каждый из которых представлял направление, подобное точкам на розе компаса . [93] Его устройство имело восемь подвижных рычагов (для всех восьми направлений), соединенных с кривошипами, имеющими механизмы захвата на периферии. [94] При срабатывании кривошип и прямоугольный рычаг поднимали голову дракона и отпускали шар, который поддерживался нижней челюстью головы дракона. [94] Его устройство также включало вертикальный штифт, проходящий через прорезь в кривошипе, устройство захвата, ось на выступе, стропу, подвешивающую маятник, крепление для стропы и горизонтальную планку, поддерживающую маятник. [94] Ван Чжэньдуо утверждал, что технология эпохи Восточной Хань была достаточно сложной, чтобы изготовить такое устройство, о чем свидетельствуют современные рычаги и кривошипы, используемые в других устройствах, таких как спусковые механизмы арбалета. [95]
Позже китайцы последующих периодов смогли заново изобрести сейсмоскоп Чжана. Среди них были математик и геодезист 6-го века Синьду Фан из династии Северная Ци (550–577) и астроном и математик Линь Сяогун из династии Суй (581–618). [96] Как и Чжан, Синьду Фан и Линь Сяогун получили императорское покровительство за свои заслуги в изготовлении устройств для двора. [97] Ко времени династии Юань (1271–1368) было признано, что все ранее изготовленные устройства были сохранены, за исключением сейсмоскопа. [98] Это обсуждалось ученым Чжоу Ми около 1290 года, который заметил, что книги Синьду Фана и Линь Сяогуна, подробно описывающие их сейсмологические устройства, больше не были найдены. [98] Хорвиц, Крейтнер и Нидхэм размышляют о том, нашли ли сейсмографы эпохи династии Тан (618–907) свой путь в современную Японию ; по словам Нидхэма, «там были описаны приборы, по-видимому, традиционного типа, в которых маятник несет штыри, выступающие во многих направлениях и способные прокалывать окружающий бумажный цилиндр». [99]
Хун-сен Янь утверждает, что современные копии устройства Чжана не достигли уровня точности и чувствительности, описанного в китайских исторических записях. [100] Ван Чжэндо представил две разные модели сейсмоскопа, основанные на древних описаниях устройства Чжана. [101] В его реконструкции 1936 года центральный столб ( ду чжу ) устройства представлял собой подвешенный маятник, действующий как датчик движения, в то время как центральный столб его второй модели в 1963 году представлял собой перевернутый маятник . [101] По словам Нидхэма, во время работы в сейсмологической обсерватории Токийского университета в 1939 году Акицунэ Имамура и Хагивара сделали реконструкцию устройства Чжана. [95] [102] Хотя именно Джон Милн и Ван Чжэндо на раннем этапе утверждали, что «центральный столб» Чжана представлял собой подвешенный маятник, Имамура был первым, кто предложил перевернутую модель. [103] Он утверждал, что поперечный удар сделал бы механизм иммобилизации Вана неэффективным, поскольку он не предотвратил бы дальнейшее движение, которое могло бы сбить другие шары с их места. [95] 13 июня 2005 года современные китайские сейсмологи объявили, что им удалось успешно создать копию инструмента. [104]
Энтони Дж. Барбьери-Лоу, профессор ранней китайской истории в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре , называет Чжан Хэна одним из нескольких высокопоставленных чиновников Восточной Хань, которые занимались ремеслами, традиционно зарезервированными для ремесленников ( gong工), такими как машиностроение. [105] Барбьери-Лоу предполагает, что Чжан только разработал свой сейсмоскоп, но на самом деле не изготовил устройство сам. Он утверждает, что это, скорее всего, была работа ремесленников, заказанных Чжаном. [106] Он пишет: «Чжан Хэн был чиновником умеренно высокого ранга и не мог быть замечен потеющим в литейных цехах с ремесленниками гонга и государственными рабами. Скорее всего, он работал совместно с профессиональными литейщиками и изготовителями форм в императорских мастерских». [106]
Картограф и чиновник династий Вэй (220–265) и Цзинь (266–420) Пэй Сю (224–271) был первым в Китае, кто полностью описал геометрическую сетку координат для карт, которая позволяла выполнять точные измерения с использованием градуированной шкалы , а также топографическую высоту . [107] [108] Однако картографирование в Китае существовало по крайней мере с 4 века до н. э., и карты государства Цинь были найдены в Ганьсу в 1986 году. [109] Точная точность извилистых русел рек и знакомство с масштабированным расстоянием были известны со времен династий Цинь и Хань, соответственно, о чем свидетельствуют их существующие карты, в то время как использование прямоугольной сетки было известно в Китае также со времен Хань. [110] [111] Историк Говард Нельсон утверждает, что, хотя отчеты о работе Чжан Хэна в области картографии несколько расплывчаты и отрывочны, существует достаточно письменных свидетельств того, что Пэй Сю заимствовал использование прямоугольной сетки координат из карт Чжан Хэна. [112] Раф де Креспиньи утверждает, что именно Чжан создал систему прямоугольной сетки в китайской картографии. [18] Нидхэм указывает, что название его книги « Календарь летящих птиц» могло быть ошибкой, и что книгу более точно называть « Карта с высоты птичьего полета » . [113] Историк Флориан К. Рейтер отмечает, что повествование Чжана «Гуйтянь фу» содержит фразу о восхвалении карт и документов Конфуция династии Чжоу, что, по мнению Рейтера, ставит карты ( ту ) на один уровень важности с документами ( шу ) . [114] Документально подтверждено, что карта физической географии была впервые представлена Чжан Хэном в 116 году нашей эры и называлась Дисинту (地形圖). [115]
Чжан Хэну часто приписывают изобретение первого одометра , [17] [60] достижение, также приписываемое Архимеду (ок. 287–212 до н. э.) и Герону Александрийскому (ок. 10–70 н. э.). Похожие устройства использовались Римской и Ханьско-китайской империями примерно в тот же период. К 3 веку китайцы назвали устройство jili guche (記里鼓車, « ли -записывающая барабанная тележка» (современная единица измерения ли = 500 м/1640 футов). [116]
Древние китайские тексты описывают функции механической повозки; после того, как один ли был пройден, механически управляемая деревянная фигура ударяла в барабан, а после того, как десять ли были пройдены, другая деревянная фигура ударяла в гонг или колокол своей механически управляемой рукой. [116] Однако есть основания полагать, что изобретение одометра было постепенным процессом в Китае времен династии Хань, который был сосредоточен на «хуан мэнь» — придворных людях (т. е. евнухах, дворцовых чиновниках, слугах и приближенных, актерах, акробатах и т. д.), которые следовали за музыкальной процессией королевской «барабанной колесницы». [117] Есть предположение, что в какой-то момент в I веке до н. э. удары барабанов и гонгов приводились в действие механическим способом вращением колес дороги. [117] На самом деле это мог быть проект Луося Хонга (ок. 110 г. до н. э.), однако по крайней мере к 125 г. механическая тележка одометра уже была известна, поскольку она была изображена на фреске гробницы Сяо Таншань. [117]
Колесница , указывающая на юг, была еще одним механическим устройством, приписываемым Чжан Хэну. [17] Это было немагнитное компасное транспортное средство в форме двухколесной колесницы. Дифференциальные шестерни, приводимые в движение колесами колесницы, позволяли деревянной фигурке (в форме китайского государственного министра) постоянно указывать на юг, отсюда и ее название. В « Сун Шу » (ок. 500 г. н. э.) записано, что Чжан Хэн заново изобрел ее из модели, использовавшейся в эпоху династии Чжоу, но насильственный крах династии Хань, к сожалению, не позволил ее сохранить. Независимо от того, изобрел ее Чжан Хэн или нет, Ма Цзюнь (200–265) преуспел в создании колесницы в следующем столетии. [118]
Механические изобретения Чжан Хэна оказали влияние на более поздних китайских изобретателей, таких как И Син, Чжан Сысунь, Су Сун и Го Шоуцзин. Су Сун прямо назвал армиллярную сферу Чжана, работающую на воде, источником вдохновения для своей часовой башни XI века . [120] Космическая модель девяти точек Неба, соответствующих девяти регионам Земли, задуманная в работе ученого-чиновника Чэнь Хунмоу (1696–1771), продолжила традицию книги Чжана «Духовная конституция Вселенной» . [121] Сейсмолог Джон Милн, создавший современный сейсмограф в 1876 году вместе с Томасом Греем и Джеймсом А. Юингом в Императорском инженерном колледже в Токио , в 1886 году прокомментировал вклад Чжан Хэна в сейсмологию . [122] [123] Историк Джозеф Нидхэм подчеркнул его вклад в досовременные китайские технологии, заявив, что Чжан был известен даже в свое время тем, что мог «заставить три колеса вращаться, как будто они были одним». [124] Более чем один ученый описывал Чжана как полимата . [7] [29] [38] [91] Однако некоторые ученые также отмечают, что в трудах Чжана отсутствуют конкретные научные теории. [119] Сравнивая Чжана с его современником Птолемеем (83–161) из Римского Египта , Цзинь Гуантао , Фань Хунъе и Лю Цинфэн утверждают:
Поэзия Чжана широко читалась при его жизни и после его смерти. В дополнение к сборнику Сяо Туна, упомянутому выше, чиновник Восточного У Сюэ Цзун (ум. 237) написал комментарий к поэмам Чжана «Дунцзин фу» и «Сицзин фу». [125] Влиятельный поэт Тао Цянь писал, что восхищается поэзией Чжан Хэна за ее «обуздание экстравагантной дикции и стремление к простоте», в отношении воспринимаемого спокойствия и прямоты, коррелирующих с простым, но эффективным языком поэта. [126] Тао писал, что и Чжан Хэн, и Цай Юн «избегали напыщенного языка, стремясь главным образом к простоте», и добавлял, что их «сочинения начинаются с предоставления свободного выражения их фантазиям, но заканчиваются на ноте тишины, превосходно служащей для сдерживания недисциплинированной и страстной натуры». [127]
Чжану оказывали большие почести при жизни и смерти. Философ и поэт Фу Сюань (217–278) из династий Вэй и Цзинь однажды сетовал в эссе на то, что Чжан Хэн никогда не был назначен в Министерство работ . Высоко оценивая Чжана и инженера-механика 3-го века Ма Цзюня, Фу Сюань писал: «Ни один из них никогда не был чиновником Министерства работ, и их изобретательность не принесла пользы миру. Когда (власти) нанимают персонал, не обращая внимания на особый талант, и, услышав о гениальности, пренебрегают даже ее проверкой — разве это не отвратительно и не катастрофично?» [128]
В честь достижений Чжана в науке и технике его друг Цуй Цзыюй (Цуй Юань) написал памятную надпись на его погребальной стеле, которая сохранилась в Гувэнь юань . [8] Цуй заявил: «Математические вычисления [Чжан Хэна] исчерпали (загадки) небес и земли. Его изобретения были сравнимы даже с изобретениями Автора Перемен. Превосходство его таланта и великолепие его искусства были едины с таковыми у богов». [129] Мелкий чиновник Сяхоу Чжань (243–291) династии Вэй сделал надпись для своей собственной памятной стелы, которая была помещена у могилы Чжан Хэна. Она гласила: «С тех пор, как джентльмены сочиняли литературные тексты, никто не был столь искусен, как Мастер [Чжан Хэн] в выборе слов... если бы только мертвые могли воскреснуть, о, я мог бы тогда обратиться к нему за учителем!» [130]
В наше время в честь Чжана были названы несколько вещей, включая лунный кратер Чан Хэн [131] , астероид 1802 Чжан Хэн [ 132] и минерал чжанхэнгит . В 2018 году Китай запустил исследовательский спутник под названием China Seismo-Electromagnetic Satellite (CSES), который также называется Zhangheng-1 (ZH-1). [133]