Địa chấn kế ra đời cách nay 2.000 năm?

Cách nay gần 2 ngàn năm, ở Trung Quốc có một người từng chế tạo thiết bị phát hiện hướng xảy ra rung chấn, ngay cả cách xa hàng trăm km.

Phác họa máy đo địa chấn của Trương Hành (trái) và thiết bị được phục chế.

Để tránh những thiệt hại do động đất gây ra, từ lâu các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu một hệ thống cảnh báo sớm nhưng chưa hoàn toàn thành công. Nhìn lại lịch sử, cách nay gần 2 ngàn năm, ở Trung Quốc có một người từng chế tạo thiết bị phát hiện hướng xảy ra rung chấn, ngay cả cách xa hàng trăm km…

Hệ thống cảnh báo tinh vi

Trương Hành (Zhang Heng) là một nhân tài sống vào triều đại nhà Hán ở Trung Quốc. Ông sinh năm 78 và mất năm 139 Công nguyên, được học tập tại kinh đô Trường An và Lạc Dương, nổi tiếng trong các lĩnh vực toán học, thiên văn học, dân tộc học, kỹ thuật, phát minh và chính trị.

Một số thành tựu của Trương Hành được nhắc đến như sáng tạo máy tính pi chính xác ở mức 3,154, hỗn thiên cầu chạy bằng nước dùng trong nghiên cứu thiên văn. Tuy nhiên, phát minh nổi bật nhất của ông là máy đo địa chấn, thiết bị cho biết sự rung chuyển của mặt đất trước khi động đất xảy ra.

Bản thân Trương Hành cũng không hiểu vì sao có hiện tượng này, ông nêu giả thuyết đó là do không khí và gió. Trong một bài viết của mình, ông giải thích: “Nguyên nhân chính của động đất là không khí, một yếu tố tự nhiên chuyển động nhanh và dịch chuyển từ nơi này sang nơi khác. Nếu không bị khuấy động, nó sẽ nằm yên trong một khoảng trống. Nhưng khi bị đánh thức, bị nén và đẩy vào một không gian chật hẹp, lối thoát bị cản trở, thì ‘với tiếng thì thầm sâu thẳm của núi’, nó gầm rú quanh các chướng ngại rồi sau đó bật ra và tung lên cao…”.

Vào năm 132 Công nguyên, Trương Hành giới thiệu cho triều đình phát minh của mình (được gọi là Houfeng Didong Yi, hay Hậu Phong địa động nghi), mà theo ông có thể phát hiện chính xác hướng chính của một trận động đất ở xa. Thật không may, máy đo địa chấn này đã bị thất lạc theo thời gian và không có bản thiết kế nào còn lưu lại để chứng minh hoạt động của nó.

Tuy nhiên, theo câu chuyện về phát minh Trương Hành được viết lại một cách kỹ lưỡng trong Hậu Hán thư, một trong những quyển sách lịch sử nổi tiếng nhất của Trung Quốc, người ta có thể hình dung công trình của ông và phác họa nó.

Theo đó, thiết bị trông giống như một chiếc bình bằng đồng với tám đầu rồng nhô ra khỏi thân, mỗi đầu đều ngậm một quả cầu kim loại nhỏ trong miệng, khi được thả xuống, các quả cầu sẽ rơi vào miệng của một con cóc bằng đồng đặt dưới đầu rồng.

Thiết bị có vẻ giống như một tác phẩm điêu khắc nghệ thuật, nhưng thực tế đầu của những con rồng không chỉ nhằm trang trí, mà nó còn xác định các phương hướng địa lý chính.

Mặc dù thiết kế cơ học máy đo địa chấn của Trương Hành vẫn chưa được biết, nhưng người ta tin rằng bên trong chiếc bình có cơ chế con lắc tinh vi. Khi động đất xảy ra, độ nhạy của con lắc đối với chuyển động này khiến nó bắt đầu lắc lư, ngay cả khi sự rung chuyển ở quá xa hoặc quá yếu mà con người khó cảm nhận.

Con lắc sẽ khiến một trong những đầu rồng thả quả bóng vào miệng cóc để cảnh báo mọi người rằng một trận động đất đã xảy ra hoặc đang xảy ra. Những người có trách nhiệm sẽ nhìn vào thiết bị và dựa vào con cóc ngậm quả bóng trong miệng để biết nên gửi lực lượng cứu hộ theo hướng nào.

Có một tài liệu đề cập rằng, ngày nọ, máy đo địa chấn đã hoạt động và chỉ ra có một trận động đất ở phía Tây Bắc của thủ đô. Vì không ai cảm nhận được sự rung chuyển nên hoàng đế và các cận thần của ông cho rằng thiết bị đã bị hỏng.

Tuy nhiên, vài ngày sau khi đầu rồng thả quả cầu xuống miệng cóc, một sứ giả đến báo tin cho hoàng đế về một trận động đất đã xảy ra cách vị trí của cung điện khoảng từ 400 km đến 500 km về phía Tây Bắc. Houfeng Didong Yi đã được chứng minh dự báo đúng.

Nỗ lực phục chế

Trương Hành (78 – 139), nhà khoa học nổi tiếng sống vào đời nhà Hán (Trung Quốc).

Đã có một số nỗ lực phục chế máy đo địa chấn của Trương Hành trong suốt thế kỷ 19 và 20. Tuy nhiên, thử nghiệm không đạt mức độ chính xác như các ghi chép lịch sử.

Vào năm 2005, một nhóm các nhà khảo cổ và địa chấn học từ Viện Khoa học Trung Quốc thông báo họ đã tạo thành công một bản sao hoạt động được của Hậu Phong địa động nghi. Nhóm đã thực hiện một số thay đổi khác với mô tả ban đầu về chiếc máy.

Thay vì tám quả bóng, họ chỉ sử dụng một quả bóng duy nhất đặt cân bằng trên một bệ nhỏ ở giữa bình. Một con lắc được treo phía trên chạm nhẹ vào quả cầu. Khi con lắc lắc lư, nó đẩy quả bóng ra khỏi bệ vào một trong tám kênh và thoát ra khỏi miệng rồng. Chỉ một quả bóng được sử dụng nên thiết bị sẽ không làm rơi quả bóng khác nếu con lắc di chuyển dẫn đến “chỉ số sai”.

Một số nhà sử học tin rằng lý do khó sao chép máy đo địa chấn của Trương Hành là vì mẫu hình của nó không còn tồn tại. Trên thực tế, ngày nay các nhà khoa học không còn sử dụng máy đo địa chấn để xác định hoặc định vị các trận động đất nữa, mà sử dụng các công cụ kỹ thuật số tiên tiến và nhạy hơn.

Vào năm 2016 và 2017, các nhà nghiên cứu đã xác định có thể phát hiện động đất bằng cách sử dụng cáp viễn thông dưới biển đo sự dao động trong pha của các xung ánh sáng truyền qua do sự kiện địa chấn gây ra.

Các sợi quang chịu nhiễu động địa chấn trên toàn bộ chiều dài của chúng, cho phép các nhà nghiên cứu trích xuất thông tin có giá trị về trận động đất mà với máy đo địa chấn thông thường không thực hiện được. Với hàng nghìn dặm cáp viễn thông dưới biển đã được triển khai, chúng có thể mang thông tin địa chấn đi khắp thế giới một cách nhanh chóng.