Trương Hành: nhà bác học làm chiếc máy báo động đất năm 132

Trương Hành: nhà bác học làm chiếc máy báo động đất năm 132

Trương Hành sống từ năm 78 tới năm 139, đúng giữa thời Đông Hán. Ông làm quan ở Lạc Dương, viết thơ được người đương thời truyền tụng, tính lại số Pi, đóng một chiếc hỗn thiên nghi chạy bằng sức nước, và đúc một cỗ máy bằng đồng có tám con rồng ngậm bi để báo hướng động đất. Cỗ máy ấy đã mất từ lâu, và câu chuyện về nó chính là chỗ tập trung nhiều tranh cãi nhất trong toàn bộ tiểu sử của ông. Bài này kể rõ chỗ nào sử liệu chắc chắn, chỗ nào còn phải để ngỏ.

Thân thế và quê quán

• Sinh năm 78, mất năm 139, thọ khoảng 61 tuổi theo cách tính phương Tây.
• Quê: làng Tây Ngạc, quận Nam Dương, nay thuộc phía bắc thành phố Nam Dương, tỉnh Hà Nam. Ông mất tại Lạc Dương, và theo ghi chép được an táng ở quê nhà; bạn ông là Thôi Viện viết văn bia.
• Tên tự: Bình Tử. Một số tài liệu phiên âm tên ông thành Trương Hoành.
• Gia thế: dòng dõi quan lại nhưng không giàu. Ông nội là Trương Kham từng làm thái thú một quận và thuộc nhóm ủng hộ Hán Quang Vũ đế dựng lại nhà Hán; cha mất khi ông mới mười tuổi, ông ở với mẹ và bà nội.
• Học vấn: theo học ở hai cố đô Trường An và Lạc Dương, nổi tiếng văn chương trước khi nổi tiếng khoa học. Ông từng được mời làm quan và có lần từ chối để tiếp tục học.
• Ông để lại khoảng ba mươi hai tác phẩm thuộc nhiều lĩnh vực: văn học, triết học, khoa học, và cả những bài mang tính chiêm nghiệm.

Đường quan lộ

Sự nghiệp của ông gắn với chức quan coi việc thiên văn và lịch. Ông giữ chức thái sử lệnh hai nhiệm kỳ: khoảng 115 đến 120 dưới thời Hán An Đế, và 126 đến 132 dưới thời Hán Thuận Đế. Đây là chức phụ trách quan sát thiên tượng và làm lịch, nên mọi phát minh của ông đều ra đời trong khuôn khổ công việc nhà nước.

Ông không phải người biết dung hoà. Chính sử ghi rằng lập trường cứng rắn của ông trong các vấn đề sử liệu và lịch pháp khiến ông trở thành người gây tranh cãi ở triều đình, và điều đó chặn ông khỏi chức đứng đầu viện sử. Xung đột với phe hoạn quan dưới thời Hán Thuận Đế khiến khoảng năm 133 ông xin rời triều đình ra làm tướng quốc nước Hà Gian, một vùng ở Hà Bắc ngày nay. Sau đó ông về quê Nam Dương một thời gian, được gọi lại kinh đô năm 138, và mất ở đó năm 139.

Trong bài "Ứng Gian", ông viết như một cuộc đối thoại với người khuyên ông nên biết thời thế mà tiến thân. Học giả Dominik Declercq cho rằng người đối thoại ấy đại diện cho phe hoạn quan hoặc ngoại thích họ Lương, và Trương Hành đã từ chối dứt khoát việc ngả theo họ.

Hỗn thiên nghi và việc sửa chiếc đồng hồ nước

Trương Hành được ghi nhận là người đầu tiên áp dụng động lực nước để quay một vòng hỗn thiên nghi — dụng cụ gồm nhiều vòng cầu biểu diễn vòm trời, có ống ngắm để dóng sao và hành tinh. Việc quay đều nhờ sức nước cho phép quan sát liên tục mà không phải chỉnh tay liên tục.

Năm 117, ông cải tiến chiếc đồng hồ nước kiểu chảy vào, vốn là loại phổ biến thời Hán. Vấn đề của nó là mực nước trong bình chứa hạ dần nên áp suất giảm, tốc độ nước chảy chậm lại, và đồng hồ chạy sai về cuối chu kỳ. Cách sửa của ông rất cụ thể: đặt thêm một bình bù giữa bình chứa và bình thu, để áp suất ổn định hơn. Ông còn gắn hai tượng nhỏ trên nắp bình thu, một tượng đỡ que chỉ và một tượng chỉ vào vạch chia. Nhà sử khoa học Joseph Needham coi đây có thể là tổ tiên của các cơ cấu gõ giờ trong đồng hồ cơ sau này, nhưng ông cũng lưu ý rằng chi tiết này còn được chép khác nhau giữa các bản.

Cũng thuộc nhóm này là hai chiếc xe mà sử gán cho ông: xe chỉ nam và xe trống đếm dặm đường. Không bản vẽ nào còn lại, nên học giả vẫn tranh cãi về nguyên lý bên trong. Có ý kiến cho rằng thời ấy xe chỉ nam có thể do một người ngồi kín bên trong điều khiển, chứ không chạy bằng bánh răng tự động như hình dung sau này. Vì vậy đây là chỗ nên nói là "được cho là", không nên khẳng định.

Linh Hiến năm 120: vũ trụ hình quả trứng

Năm 120, ông công bố tác phẩm "Linh Hiến", trình bày quan niệm vũ trụ của mình: vòm trời giống vỏ trứng, các sao gắn trên vỏ, còn Trái Đất là lòng đỏ ở giữa. Đây là mô hình địa tâm, và phải hơn một nghìn năm sau người ta mới thay đổi được nó.

Điểm sáng của tác phẩm nằm ở phần giải thích Mặt Trăng và các hiện tượng nhật thực, nguyệt thực. Ông viết rằng Mặt Trăng giống như nước, không tự phát sáng mà phản chiếu ánh Mặt Trời; nửa hướng về Mặt Trời thì sáng, nửa kia thì tối; khi bóng Trái Đất che mất ánh sáng tới Mặt Trăng thì thành nguyệt thực, còn khi Mặt Trăng đi qua giữa Trái Đất và Mặt Trời thì thành nhật thực. Đây là cách giải thích gần với hiểu biết ngày nay, và nó đứng trong một dòng tư duy đã có từ trước như Kinh Phòng đời Tây Hán.

Ông lập một danh mục sao gồm khoảng hai nghìn năm trăm ngôi sao sáng, gom theo 124 chòm, nhiều hơn đáng kể so với khoảng tám trăm năm mươi ngôi trong danh mục của Hipparchus và hơn một nghìn ngôi của Ptolemy. Cũng cần nói ngay mặt hạn chế: như hầu hết học giả thời ông, Trương Hành vẫn gắn thiên tượng với việc triều chính. Sao chổi, nhật thực, nguyệt thực được ông đọc như điềm báo để bàn chuyện trị nước. Đó là giới hạn thời đại, và cũng là lý do công việc thiên văn thời Hán luôn gắn với chính trị.

Số Pi: một con số gần đúng

Trước Trương Hành, người Trung Quốc dùng số Pi bằng 3 trong nhiều thế kỷ. Tài liệu đời sau chép rằng khoảng năm 130, ông so vòng tròn thiên thể với đường kính Trái Đất theo tỉ lệ 736 chia 232, do đó tính ra Pi xấp xỉ 3,1724. Trong lúc làm việc này, ông còn nhận ra rằng tỉ lệ 4 trên 3 dùng cho diện tích hình vuông và hình tròn nội tiếp là sai, và tìm cách hiệu chỉnh bằng cách thêm một số hạng vào công thức. Tác phẩm toán của ông mang tên "Toán Võng Luận" đã thất truyền, nên các con số hiện nay đều là chép lại gián tiếp và không hoàn toàn thống nhất giữa các tài liệu.

Cần đặt con số 3,1724 vào đúng chỗ của nó. Nó chính xác hơn số 3 rất nhiều, nhưng vẫn kém giá trị 3,1415926 mà Tổ Xung Chi đạt được hơn ba thế kỷ sau. Nói Trương Hành "tính được số Pi" là cách nói tắt; thực chất ông đưa ra một giá trị gần đúng tốt hơn những giá trị đương thời.

Hậu Phong Địa Động Nghi: cỗ máy nổi tiếng nhất

Năm 132, niên hiệu Dương Gia thứ nhất, Trương Hành đúc một cỗ máy mà sử gọi là hậu phong địa động nghi. Nguyên văn mô tả rất cụ thể về hình dáng ngoài và rất mơ hồ về cấu tạo trong:

• Vật liệu và kích thước: đúc bằng đồng tinh, đường kính tám thước. Thời Đông Hán một thước khoảng 24 cm, nên đường kính cỗ máy vào khoảng gần hai mét.
• Hình dáng: giống một chiếc bình rượu lớn, có nắp đậy, bên ngoài khắc hình núi, rùa, chim, thú.
• Cấu tạo ngoài: tám con rồng quay ra tám hướng, mỗi rồng ngậm một viên bi đồng; phía dưới mỗi rồng là một con cóc há miệng đỡ lấy viên bi khi rơi xuống.
• Cấu tạo trong: sử chỉ nói có một cột giữa gọi là đô trụ, tám đường chạy quanh nó, và các cơ cấu bật mở. Cụ thể cột ấy treo hay dựng, bi truyền động thế nào, thì văn bản không nói.
• Cách dùng: khi có động đất, cơ cấu mở miệng một con rồng, viên bi rơi xuống miệng cóc kêu to, người trực nghe tiếng mà biết. Vì chỉ một rồng nhả bi còn bảy rồng kia đứng yên, nên từ đó suy ra hướng phát sinh động đất.

Sử chép sự việc được xem là lần kiểm chứng duy nhất. Một hôm rồng hướng tây bắc nhả bi, nhưng không ai ở kinh đô Lạc Dương cảm thấy rung chấn, nên các học giả trong triều dị nghị rằng cỗ máy vô dụng. Vài ngày sau, người trạm từ Lũng Tây, tức vùng Cam Túc ngày nay, phi báo về rằng nơi đó vừa có động đất, đúng hướng tây bắc. Từ đó triều đình mới cho sử quan ghi lại hướng động đất.

Chi tiết cuối cùng này cũng là chỗ học giả đời sau đặc biệt chú ý, vì nó là bằng chứng duy nhất về việc cỗ máy từng hoạt động trong thực tế.

Vì sao sử liệu về cỗ máy vẫn còn tranh cãi

Bản gốc đã mất từ lâu, không còn bản vẽ, nên gần hai nghìn năm qua người ta chỉ có chữ nghĩa để dựng lại. Các mốc chính:

• Thời Bắc Tề và thời Tuỳ đã có người viết sách và thử phục dựng lại cỗ máy, cho thấy văn bản về nó được coi trọng từ sớm chứ không phải chuyện bịa đặt về sau.
• Năm 1936, học giả Vương Chấn Đạc phục dựng cỗ máy với một con lắc treo trong bình, và tới năm 1963 sửa lại mô hình theo kiểu con lắc ngược. Bản phục dựng đặt ở bảo tàng quốc gia trở thành hình ảnh in trong sách giáo khoa suốt nhiều thập kỷ. Nhưng các thử nghiệm sau này cho thấy mô hình ấy không kích hoạt ổn định trước chấn động thật: ngưỡng để nó bật hoặc quá cao với động đất xa, hoặc quá thấp tới mức rung động thường ngày cũng làm nó nổ máy.
• Năm 2005, nhóm nghiên cứu do nhà nghiên cứu Phùng Nhuệ đứng đầu, phối hợp giữa Trung tâm Mạng lưới Địa chấn Trung Quốc và Bảo tàng Hà Nam, công bố một bản phục dựng mới. Nhóm đọc lại bảy nguồn sử liệu khác nhau, kết luận nguyên lý làm việc là con lắc treo chứ không phải cột đứng, rồi thử mô hình trên bàn rung với dữ liệu của bốn trận động đất có thật, trong đó có trận Đường Sơn năm 1976. Mô hình phản ứng đúng hướng và không tự kích hoạt vì rung động do người đi lại. Một mẫu nhỏ một phần ba được trưng bày ở Bảo tàng Hà Nam.
• Tranh cãi về ghi chép: nhà phê bình khoa học Phương Chu Tử nêu rằng "Hậu Hán thư" phần Ngũ hành chí nói trận động đất Lũng Tây năm 138 làm sập thành, đổ nhà, chết người, và kinh đô cảm nhận được. Nếu vậy thì chi tiết "không ai ở kinh đô cảm thấy" trong phần truyện Trương Hành là mâu thuẫn. Phía Phùng Nhuệ trả lời rằng trận được cỗ máy bắt có thể là một trận khác, khoảng năm 134, và việc nhiều nguồn sử liệu đều nhắc tới cỗ máy cho thấy nó có thật.

Cách kết luận công bằng nhất: sự tồn tại của cỗ máy là điều khó phủ nhận, vì có nhiều nguồn sử liệu cổ ghi lại và các triều đại sau từng tìm cách phục dựng. Nhưng hình dáng cấu tạo bên trong, và mức độ hiệu quả thực tế của nó, thì tới nay vẫn chưa được chứng minh dứt khoát.

Những mặt hạn chế không nên bỏ qua

• Vũ trụ quan địa tâm và chưa biết Trái Đất hình cầu. Phải tới thế kỷ thứ tư, học giả Dư Hi mới nêu ý kiến Trái Đất có thể tròn như trời, và mãi tới thế kỷ mười bảy ý niệm đó mới được chấp nhận rộng.
• Thiên tượng học gắn với điềm báo chính trị. Ông đọc nhật thực và sao chổi như lời nhắc cho nhà vua, không tách thiên văn khỏi chính trị.
• Hai chiếc xe không được xác minh. Xe chỉ nam và xe đếm dặm gán cho ông không lưu lại thiết kế, và khả năng chúng tự động hoàn toàn hay không còn bị nghi ngờ.
• Không leo tới đỉnh của bộ máy quan liêu. Ông được đánh giá cao về học vấn nhưng thất bại trên chính trường: bị chặn khỏi chức đứng đầu viện sử vì quan điểm không dung hoà, rồi phải rời kinh đô trong cuộc đấu với phe hoạn quan. Ông cũng không để lại một học trò hay một trường phái nối tiếp công việc của mình.
• Phần lớn văn bản khoa học của ông thất truyền. Điều ta biết về ông chủ yếu qua "Hậu Hán thư" do Phạm Diệp biên soạn gần ba trăm năm sau khi ông mất, và một phần hình ảnh về ông đã được lý tưởng hoá bởi những người kế thừa về sau. Vì vậy nên đọc tiểu sử Trương Hành với một chút dè chừng, nhất là các chi tiết không có nguồn độc lập.

Di sản

Mộ của ông ở thị trấn Thạch Kiều, Nam Dương được nhà nước Trung Quốc xếp hạng di tích trọng điểm quốc gia năm 1988. Tên ông được đặt cho một miệng núi lửa ở mặt xa của Mặt Trăng, cho tiểu hành tinh số 1802, và cho một khoáng vật hiếm. Trong lịch sử khoa học, ông là nhân vật được đem ra so với Ptolemy: cùng thời đại, cùng kiểu công việc là quan sát bầu trời, làm lịch, chế dụng cụ đo, và cùng bị giới hạn bởi mô hình vũ trụ của thời mình.

Nhưng có lẽ giá trị lớn nhất của Trương Hành không nằm ở con số Pi hay danh mục sao, mà ở chỗ ông đưa ra một câu hỏi kỹ thuật mà hậu thế phải mất gần hai nghìn năm để trả lời: làm sao biết được có động đất ở nơi cách xa hàng trăm cây số, khi chính mình không hề cảm thấy gì.

Nguồn: Wikipedia tiếng Việt — Trương Hành · Bách khoa toàn thư Britannica — Zhang Heng · Hậu Hán thư của Phạm Diệp — Truyện Trương Hành · Tân Hoa Xã — Trung Quốc phục dựng thành công cỗ máy đo động đất đầu tiên trong lịch sử · Tạp chí Địa chấn học Trung Quốc — Đông Hán và phát minh hậu phong địa động nghi của Trương Hành