In Kürze:
- Das älteste Seismoskop, ein Gerät zur Erkennung von Erdbeben, wurde 132 n. Chr. von dem chinesischen Universalgenie Zhang Heng gebaut.
- Laut Schriftquellen zeigte der Apparat in Form eines Bronzegefäßes im Jahr 138 die Richtung eines über 400 Kilometer entfernten Erdbebens korrekt an.
- Möglich macht dies ein ausgeklügeltes, bis heute teils unerklärtes Schwingsystem im Inneren des Gefäßes, das einen Drachen eine Kugel speien und in das Maul einer Kröte fallen lässt.
Im Jahr 138 n. Chr. stand am kaiserlichen Hof der chinesischen Han-Dynastie ein großes Bronzegefäß. Was auf den ersten Blick wie ein zeremonielles Objekt aussah, war das weltweit erste Gerät, das Erdbeben anzeigte.
Das Seismoskop war ein großes, schweres Gefäß, an dessen Rand acht Drachen mit dem Kopf nach unten saßen. Im Maul hatten diese eine kleine Bronzekugel und blickten auf je eine mit offenem Maul lauernde Kröte hinab – jene Tiere, die im Alten China mit Katastrophen und Unheil in Verbindung gebracht wurden.
Eines Tages ertönte ein schriller, metallischer Klang – eine der acht Kugeln war in das Maul der Amphibie gefallen. Doch niemand am kaiserlichen Hof spürte auch nur die geringste Erschütterung. Der Boden bebte nicht, die Wände bekamen keine Risse und es waren keine Schreie zu hören.
Man hätte das Gerät leicht als defekt abtun können. Doch schon bald traf ein Bote mit der Nachricht ein, dass im Westen, weit entfernt vom kaiserlichen Hof, ein Erdbeben stattgefunden hatte. Wie sich herausstellte, hatte das geheimnisvolle Instrument das ferne Ereignis erfasst und dessen Richtung korrekt angegeben.
Nachbau eines Seismoskops von Zhang Heng in einem Museum für chinesische Kultur im kanadischen Calgary.
Der Zeit voraus
Geschichten wie diese fesseln uns unter anderem deshalb, weil sie unsere gewohnte Sichtweise auf den menschlichen Fortschritt ins Wanken bringen. Wir neigen dazu, uns menschliches Wissen als einen langsamen, aber stetigen Aufstieg auf einer Leiter vorzustellen: von der Unwissenheit über die Entdeckung bis hin zur Verfeinerung. Jede Generation steht auf den Schultern der vorherigen und wird mit jedem Schritt ein wenig klüger.
Das reale Leben verläuft jedoch nicht immer so geradlinig wie eine Leiter. Manchmal gleicht es einem Archiv, das teilweise verbrannt wurde. So wurde vielleicht eine clevere Maschine, die einst perfekt funktionierte, nie nachgebaut oder eine Idee entstand vielleicht zu früh – lange bevor die Welt wusste, was sie damit anfangen sollte.
Zu diesen Maschinen, die trotz ihrer Perfektion in Vergessenheit gerieten, gehört der Erdbebendetektor des chinesischen Astronomen, Mathematikers und Erfinders Zhang Heng (78–139).
Replik des Seismoskops von Zhang Heng im Museum von Macau.
Zhang Heng: Ein frühes Universalgenie
Zhang Heng studierte zunächst Literatur und arbeitete als Dokumentenmeister, bis er sich im Alter von 30 Jahren für ein Astronomiestudium entschied. Schnell wurde er für seine mathematischen und astronomischen Kenntnisse bekannt und als Astronom an den Hof von Hàn Āndì (94–125) berufen. Dort diente er dem Kaiser sowie seinen Nachfolgern Liu Yi und Shun.
Seine Aufgaben am kaiserlichen Hof umfassten unter anderem die Aufzeichnung von Himmelsbeobachtungen und Vorzeichen sowie die Erstellung eines Kalenders. Letzteres setzte er im Jahr 123 mit einem überarbeiteten Kalendersystem in die Tat um.
Außerdem verzeichnete Zhang Heng, der an das geozentrische Weltbild glaubte, 2.500 Sterne, beschrieb 124 Sternbilder und erkannte bereits die Zusammenhänge zwischen Sonnen- und Mondfinsternissen. Mit seinen Berechnungen, bei denen er den Himmelskreis mit dem Erddurchmesser verglich, kam er im Jahr 130 als erster Chinese mit 3,162… sehr nah an die Kreiszahl Pi (3,141…) heran.
Gedenkstatue von Zhang Heng an seinem Grab im chinesischen Nanyang.
Seine Kreativität und sein technisches Verständnis blieben jedoch nicht auf das Geistige beschränkt. Stattdessen betätigte sich der chinesische Gelehrte auch als Erfinder. So soll er als Erster eine mit Wasserkraft betriebene Armillarsphäre gebaut haben, also ein astronomisches Anschauungsmodell, das die Positionen und Bewegungen von Himmelskörpern darstellt.
Beben in Hunderten Kilometern Entfernung erkannt
Im Jahr 132 führte Zhang dem Kaiser schließlich seine berühmteste Erfindung vor: das Seismoskop. Anders als moderne Seismometer konnte es lediglich die ungefähre Richtung anzeigen, in der sich ein Erdbeben ereignete, ohne dabei den Zeitpunkt und die Stärke aufzuzeichnen.
Wie effizient das Bronzegefäß war, das auch „Houfeng Didong Yi“, also „Instrument zur Erfassung von Wind und Erdbewegungen“, genannt wurde, beschreibt der Historiker Fan Ye rund 300 Jahre später in seinem Werk „Hou Hanshu“ („Schriften der Späteren Han“).
Demnach gab das Seismoskop an, dass nordwestlich vom Kaiserhof die Erde bebte. Ein mehrere Tage später eintreffender Bote meldete schließlich, dass sich im 400 bis 500 Kilometer entfernten Longxi ein Erdbeben ereignet hatte. Dies war tatsächlich die Richtung, die das Seismoskop von Zhang Heng mit seiner heruntergefallenen Kugel angezeigt hatte. Doch wie war das möglich?
Die erste Seite des Buches „Hou Hanshu“, in dem vieles über die Geschichte des Alten Chinas überliefert ist.
Foto: gemeinfrei
Wie funktionierte das Seismoskop?
Zhangs Erdbebendetektor bestand aus Bronze und hatte acht außen angebrachte Drachen, die in die Himmelsrichtungen Norden, Nordosten, Osten, Südosten, Süden, Südwesten, Westen und Nordwesten zeigten – wie die Rose eines Kompasses.
Im Inneren des Gefäßes befand sich ein feiner Mechanismus, vermutlich ein Pendel oder ein anderes Schwingungssystem, das auf die bei Erdbeben entstehenden seismischen Wellen reagierte. Dieses Schwingungssystem war zudem mit den Drachenköpfen verbunden, die jeweils eine Kugel im Maul hielten.
Die wahrscheinlichste Erklärung seiner Funktionsweise ist folgende: Bewegt sich der Boden, auf dem das Gerät steht, in eine Richtung, bringt das den inneren Mechanismus aus dem Gleichgewicht. Dies öffnet wiederum das Maul des entsprechenden Drachen und gibt die darin ruhende Bronzekugel frei. Fällt diese in das Maul der darunter wartenden Kröte, entsteht ein Geräusch. Somit zeigt jene Kröte mit der Kugel an, in welcher Himmelsrichtung sich das Beben ereignete. Mögliche Folgebeben konnten ohne das Zurücklegen der Kugel ins Maul des Drachen nicht angezeigt werden.
Vereinfachte Konstruktionszeichnung des Seismoskops von Zhang Heng.
Foto: gemeinfrei
Während mehrere Nachbauten des Geräts in Schriftquellen überliefert sind, fehlen ausgerechnet die Angaben zu Zhangs Seismoskop. Aus diesem Grund kennen wir heute weder sein genaues Aussehen noch seine Funktionsweise. Alle in Museen zu findenden Stücke sind daher mehr oder weniger originalgetreue Repliken aus späteren Epochen. Dabei experimentierten ihre Erfinder mit verschiedenen Mechanismen, erreichten jedoch nie die Präzision und Perfektion des Originals.
Je nach verbautem Mechanismus zeigen sich zudem unterschiedliche Probleme: Ist das Pendel an der Oberseite aufgehängt, müssten bei einem Erdstoß zwei gegenüberliegende Kugeln fallen. Balanciert das Pendel auf einer Befestigung auf der Unterseite, wären prinzipiell weder Drachen noch Kröten erforderlich. Dafür muss das Seismoskop nach jedem Beben „zurückgesetzt“ und das Pendel neu ausbalanciert werden.
Im Jahr 2005 verkündeten Seismologen aus China, dass sie eine erfolgreiche Nachbildung anfertigen konnten, die auf „replizierte Wellen vierer echter Erdbeben“ reagierte. Ob dieser Nachbau auch auf reale Erdbeben reagiert und wie er im Inneren aufgebaut ist, bleibt offen. Andere Forscher bezeichnen sämtliche Nachbauten mangels konkretem Wissen als Produkte von Versuch und Vorstellung oder bezweifeln sogar, dass das Seismoskop jemals existierte.
Vom Seismoskop zum Seismografen
Über die folgenden Jahrhunderte scheint das Wissen um Zhang Hengs Erfindung verloren gegangen zu sein. Zwar ist aus dem Persien des 13. Jahrhunderts ein Erdbebendetektor bekannt, doch ob dieser auf dem chinesischen Apparat beruhen könnte, ist unklar.
Weitere 500 Jahre später bauten italienische und französische Erfinder ein Seismoskop mit Quecksilber, das anhand der Bewegung des flüssigen Metalls die Richtung der Beben wies. Etwa zur gleichen Zeit experimentierte unter anderem der Benediktinermönch Andrea Bina mit Pendeln, die aufgrund des Ausschlags sogar die Stärke des Bebens verzeichneten.
Stetige Verbesserungen führten schließlich in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts zur Entwicklung der ersten Seismografen mit Nadel und Papier. Heutige Geräte besitzen elektronische Sensoren und können Bewegungen mit Frequenzen von 500 bis 0,00118 Hertz messen.
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