Zhang Heng

Zhang Heng était un fonctionnaire lettré au service de la dynastie Han orientale, qui gouverna la Chine depuis sa capitale de Luoyang entre 25 et 220 apr. J.-C. Aujourd'hui, on se souvient de lui avant tout comme d'un scientifique et d'un inventeur. À son époque et pendant des siècles après sa mort, il fut tout aussi célèbre comme poète.

On le qualifie souvent de polymathe, une personne aux connaissances expertes dans de nombreux domaines. Il travailla sur l'astronomie, les mathématiques, les calendriers, la mécanique, la géographie et la cartographie, et il écrivit de longues rhapsodies (fu) ainsi que de courts poèmes lyriques qui furent rassemblés dans la plus importante anthologie de la littérature chinoise ancienne.

Son invention la plus connue, présentée à la cour en 132 apr. J.-C., fut un sismoscope : un instrument qui réagissait aux tremblements de terre et en indiquait la direction. Les historiens le considèrent généralement comme le plus ancien appareil de ce type connu au monde.

Zhang Heng vécut presque à la même époque que le grand astronome grec Ptolémée dans l'Égypte romaine. Les deux hommes ne surent jamais l'un de l'autre, mais les historiens modernes les comparent parfois comme les principaux astronomes des deux grands empires situés aux deux extrémités de l'Eurasie.

Zhang Heng naquit en 78 apr. J.-C. à Xi'e, une ville de la commanderie de Nanyang, dans l'actuelle province du Henan. Sa famille était respectée mais pas riche ; son grand-père avait été gouverneur de commanderie et avait soutenu la restauration de la dynastie Han sous l'empereur Guangwu. Son père mourut quand il avait environ dix ans, et il fut élevé par sa mère et sa grand-mère.

En 95, à environ dix-sept ans, il quitta sa maison pour étudier dans les deux grandes villes de Chang'an et de Luoyang, où il fréquenta l'Académie impériale (Taixue). Il se lia d'amitié avec des lettrés notables tels que le mathématicien et calligraphe Cui Yuan, le classiciste Ma Rong et le philosophe Wang Fu. On lui offrit des postes officiels qu'il refusa d'abord.

Vers 100, il retourna à Nanyang comme officier du mérite, rédigeant des documents officiels pour le gouverneur local. Il y passa des années à composer ses rhapsodies sur les capitales, et vers l'âge de trente ans, il commença l'étude sérieuse de l'astronomie et des mathématiques.

En 112, l'empereur An le convoqua à Luoyang en raison de sa réputation en mathématiques. Il servit deux fois comme astronome en chef (115-120 et 126-132), puis devint assistant du palais, conseiller proche de l'empereur Shun. Après s'être heurté aux puissants eunuques du palais, il quitta la capitale vers 136 pour servir comme chancelier du royaume de Hejian, dans le nord. Il fut rappelé à Luoyang en 138 et y mourut en 139.

Les tremblements de terre étaient une préoccupation sérieuse pour l'État Han. Ils détruisaient des villes, et on y voyait aussi des signes du Ciel indiquant qu'il y avait un problème dans le gouvernement. Savoir rapidement où un séisme avait frappé aidait la cour à envoyer des secours et à répondre au présage.

En 132, Zhang Heng présenta un appareil appelé houfeng didong yi (候風地動儀), souvent traduit par « instrument pour mesurer les vents saisonniers et les mouvements de la terre ». Selon le Livre des Han postérieurs, il s'agissait d'un grand récipient de bronze en forme de jarre à vin, d'environ deux mètres de diamètre, avec un couvercle en forme de dôme. Huit têtes de dragon étaient tournées vers l'extérieur tout autour, une pour chaque direction principale, chacune tenant une boule de bronze. Sous chaque dragon était accroupi un crapaud de bronze, la bouche ouverte.

À l'intérieur se trouvait une colonne centrale (duzhu) reliée à huit bras ou rails. Quand le sol tremblait, le mécanisme faisait s'ouvrir la bouche d'un des dragons, qui laissait tomber sa boule dans le crapaud en dessous avec un bruit sonore. La direction de ce dragon indiquait d'où venait le séisme.

La même histoire raconte la célèbre anecdote selon laquelle, un jour, une boule tomba alors que personne à Luoyang n'avait rien ressenti. Les fonctionnaires doutèrent de la machine jusqu'à ce que, plusieurs jours plus tard, un messager arrive pour signaler un tremblement de terre à Longxi, dans l'actuel Gansu, à plusieurs centaines de kilomètres au nord-ouest. Après cela, dit le récit, la cour se mit à consigner la direction des séismes grâce à l'instrument.

En tant qu'astronome en chef, Zhang Heng était chargé d'observer le ciel, de consigner les présages, de préparer le calendrier et de conseiller quels jours étaient fastes ou néfastes. Dans la Chine des Han, l'astronomie était à la fois une science et une part du gouvernement : on croyait que les mouvements des cieux reflétaient et répondaient aux événements sur terre.

Dans son traité Constitution spirituelle de l'univers (Lingxian, 靈憲), écrit vers 120, il décrivit le cosmos selon la théorie huntian (« ciel enveloppant ») : les cieux sont comme un œuf de poule, ronds comme une bille d'arbalète, et la terre se trouve à l'intérieur comme le jaune. Cette théorie rivalisait avec l'ancienne théorie gaitian, selon laquelle le ciel était un dais au-dessus d'une terre plate.

Zhang écrivit que la Lune, comme l'eau, n'a pas de lumière propre et ne brille qu'en réfléchissant celle du Soleil, de sorte que la partie tournée vers le Soleil est brillante et l'autre partie sombre. Il expliqua les éclipses lunaires par le passage de la Lune dans une région où la lumière du Soleil est bloquée. Il compila aussi un catalogue d'étoiles recensant environ 2 500 étoiles réparties en 124 constellations, et nota qu'il en existait des milliers d'autres plus faibles.

Il prit part aux débats de cour sur le calendrier. En 123, il s'opposa à une proposition de réforme du calendrier fondée sur des textes prophétiques « apocryphes » (chenwei), affirmant qu'ils n'étaient pas fiables, et proposa même que de tels textes soient interdits. Le calendrier ne fut pas changé, mais sa proposition d'interdire les textes fut rejetée, et ses positions franches lui valurent des ennemis.

Une sphère armillaire est un modèle du ciel fait d'anneaux, chacun représentant un grand cercle tel que l'équateur céleste ou la trajectoire du Soleil (l'écliptique). Les astronomes chinois avaient ajouté un anneau équatorial dès 52 av. J.-C. et un anneau écliptique dès 84 apr. J.-C. Zhang Heng compléta l'instrument en ajoutant des anneaux d'horizon et de méridien.

Sa contribution la plus remarquable fut de le faire fonctionner tout seul. Grâce à l'eau s'écoulant d'une clepsydre et à une roue à eau munie d'engrenages, sa sphère tournait lentement pour correspondre à la rotation du ciel réel. Un observateur à l'intérieur pouvait annoncer quelles étoiles se levaient ou se couchaient, et cela concordait avec ce que voyaient ceux qui regardaient dehors. Zhang est la première personne connue à avoir utilisé la force de l'eau pour actionner un instrument astronomique.

Il améliora aussi la clepsydre à écoulement. Dans une horloge simple, l'eau goutte d'un réservoir vers un vase récepteur muni d'une tige flottante qui indique l'heure. À mesure que le réservoir supérieur se vide, la pression de l'eau diminue et l'horloge ralentit. Dans des écrits datant d'environ 117, Zhang décrit l'ajout d'un réservoir compensateur supplémentaire entre le réservoir et le récepteur pour maintenir un débit constant.

Ces idées eurent un long avenir. Les astronomes chinois ultérieurs construisirent des instruments actionnés par l'eau toujours plus élaborés, menant au mécanisme d'échappement de Yi Xing au VIIIe siècle et à la grande tour d'horloge astronomique de Su Song au XIe siècle, qui citait explicitement la sphère armillaire de Zhang comme modèle.

Zhang Heng travailla sur la valeur de pi, le rapport entre la circonférence d'un cercle et son diamètre. Pendant longtemps, les mathématiciens chinois avaient simplement utilisé 3. En travaillant sur les volumes d'un cube et d'une sphère inscrite, Zhang parvint à la racine carrée de 10, soit environ 3,162. Il utilisa aussi une valeur d'environ 3,17 dans ses calculs astronomiques. Des mathématiciens plus tardifs comme Liu Hui (IIIe siècle) et Zu Chongzhi (Ve siècle) obtinrent des valeurs bien plus précises.

Il fut aussi cartographe. Des sources rapportent qu'il présenta une carte topographique à la cour en 116. Certains historiens, dont Rafe de Crespigny, lui attribuent l'introduction d'un quadrillage rectangulaire pour les cartes chinoises, une idée décrite plus tard en détail par le cartographe Pei Xiu au IIIe siècle. Les preuves sont toutefois minces, et d'autres chercheurs restent plus prudents.

Des textes ultérieurs attribuent aussi à Zhang Heng un char pointant vers le sud, un chariot à deux roues dont les engrenages maintenaient une figurine pointée vers le sud, ainsi qu'un chariot odomètre qui frappait un tambour après chaque li parcouru. Ces attributions sont incertaines. Le char pointant vers le sud fut certainement construit par Ma Jun au IIIe siècle, et l'odomètre semble s'être développé progressivement parmi les artisans de la cour.

Il est également probable que Zhang ait conçu ses instruments plutôt que de les couler lui-même. L'historien Anthony Barbieri-Low soutient qu'un fonctionnaire de son rang aurait travaillé avec des artisans et fondeurs qualifiés des ateliers impériaux, qui méritent une part du mérite.

Pour ses contemporains, Zhang Heng était avant tout un écrivain. Ses rhapsodies jumelles sur la Capitale de l'Ouest (Xijing fu) et la Capitale de l'Est (Dongjing fu), inspirées des précédentes rhapsodies des « Deux Capitales » de Ban Gu, décrivent Chang'an et Luoyang avec une grande richesse de détails : palais, marchés, parcs de chasse, fêtes et divertissements. Contrairement à Ban Gu, Zhang se servit de la splendeur de l'ancienne capitale comme d'un avertissement : le luxe et la décadence avaient ruiné les Han occidentaux et pouvaient ruiner aussi les Han orientaux.

Sa Rhapsodie sur la Capitale du Sud célébrait sa région natale de Nanyang. Dans la Rhapsodie sur la contemplation du mystère (Sixuan fu), écrite alors qu'il était attaqué à la cour, il imagine un voyage spirituel à travers le cosmos, faisant écho à l'ancien poème Li Sao, et se demande si un homme bon doit se retirer d'un monde corrompu ou rester et demeurer intègre.

Deux œuvres plus courtes furent particulièrement influentes. Retour aux champs (Guitian fu) est une brève rhapsodie exprimant le désir de quitter ses fonctions pour une vie simple dans la nature, un thème qui devint central dans la poésie chinoise ultérieure. Les Quatre Chagrins (Sichou shi) comptent parmi les premiers poèmes chinois de sept caractères par vers ; poèmes d'amour en apparence, ils furent lus comme des plaintes sur le fait d'être tenu éloigné du souverain par des hommes mesquins.

Plusieurs de ses œuvres furent conservées dans les Sélections de littérature raffinée (Wen xuan), compilées par le prince des Liang Xiao Tong au VIe siècle, ce qui garantit que les générations suivantes les liraient. Le poète Tao Qian loua Zhang Heng pour sa retenue et la simplicité de son langage.

La carrière officielle de Zhang Heng illustre les tensions de la cour des Han orientaux. Les empereurs accédaient souvent au trône jeunes, et le pouvoir se déplaçait entre les familles des impératrices, les eunuques du palais et les fonctionnaires lettrés. Zhang appartenait fermement au camp des fonctionnaires lettrés, et ses positions de principe lui coûtèrent des promotions.

En raison de ses vues sur les textes apocryphes et de son opinion selon laquelle l'éphémère empereur Gengshi méritait davantage de reconnaissance dans l'histoire de la restauration des Han, il fut exclu du comité chargé de rédiger l'histoire officielle de la dynastie, et n'obtint jamais le prestigieux poste d'historien de cour qu'il semblait désirer.

Après un tremblement de terre en 133, il soumit un mémoire critiquant de nouvelles règles de recrutement des fonctionnaires. Peu après, il fut nommé assistant du palais, et il usa de sa proximité avec l'empereur Shun pour le mettre en garde contre les eunuques. Les eunuques le calomnièrent, et il répondit par la littérature, notamment dans la Réponse à la critique (Yingjian), où un visiteur imaginaire l'exhorte à rechercher le pouvoir et où il répond qu'un homme de bien accorde plus de valeur à la vertu qu'aux fonctions officielles.

Zhang Heng fut honoré peu après sa mort. Son ami Cui Yuan rédigea l'inscription pour sa stèle funéraire, louant des calculs qui « épuisaient les cieux et la terre » et des inventions rivalisant avec l'œuvre des dieux. Au IIIe siècle, le fonctionnaire Xiahou Zhan écrivit une autre inscription pour sa tombe, et l'écrivain Fu Xuan déplora que des talents comme Zhang Heng et l'ingénieur Ma Jun n'aient jamais reçu de postes au ministère des Travaux, où leur compétence aurait pu profiter à tous.

Ses instruments connurent une longue postérité. Après la chute des Jin occidentaux, ses anciens instruments armillaires furent récupérés lorsque Liu Yu, futur fondateur de la dynastie Liu Song, prit Chang'an dans les années 410, et en 436 l'astronome Qian Lezhi reçut l'ordre de construire un nouveau globe céleste actionné par l'eau sur le modèle de Zhang. Des artisans des dynasties Qi du Nord et Sui construisirent de nouveaux sismoscopes inspirés du sien.

Hors de Chine, le sismologue John Milne, l'un des fondateurs de la sismologie moderne au Japon dans les années 1870 et 1880, écrivit sur l'instrument de Zhang Heng, qui devint un exemple classique dans les histoires des sciences. Aujourd'hui, son nom est porté par un cratère lunaire, l'astéroïde 1802 Zhang Heng, le minéral zhanghengite, et le premier satellite chinois d'observation sismo-électromagnétique, Zhangheng-1, lancé en 2018.

La seule description détaillée du sismoscope est un court passage dans la biographie de Zhang Heng du Livre des Han postérieurs, compilé par Fan Ye plus de trois siècles après sa mort. L'instrument lui-même fut perdu ; dès l'époque de la dynastie Yuan, le lettré Zhou Mi notait qu'aucun des sismoscopes construits par des imitateurs ultérieurs n'avait non plus survécu.

Le problème central concerne la « colonne centrale » (duzhu). La plupart des reconstitutions la considèrent comme un pendule, mais de quel type ? Le sismologue John Milne et, en 1936, le chercheur chinois Wang Zhenduo proposèrent un pendule suspendu qui basculerait vers l'un des huit rails. En 1939, les sismologues japonais Akitsune Imamura et Hagiwara proposèrent au contraire un pendule inversé, une colonne dressée qui tombe dans la direction du premier choc, arguant qu'un pendule oscillant ferait tomber plus d'une boule. Le modèle ultérieur de Wang Zhenduo utilisait lui aussi une colonne dressée. En 2005, une équipe de sismologues chinois annonça avoir construit une réplique fonctionnelle.

Des ingénieurs comme Hong-sen Yan ont noté qu'aucune réplique moderne n'a atteint la sensibilité décrite dans le récit historique, qui implique que l'appareil pouvait détecter un séisme lointain que les gens à proximité ne pouvaient pas sentir. L'histoire de Longxi a également été mise en question : certains auteurs la relient à un important séisme du Gansu consigné dans les années 130 ou 140, mais sa date et ses détails ne peuvent être confirmés par des sources indépendantes.

La plupart des historiens admettent donc que Zhang Heng construisit un véritable instrument qui réagissait aux mouvements du sol et en indiquait une direction, tout en traitant avec prudence les affirmations sur sa sensibilité et sa précision. Il est plus juste de le décrire comme un sismoscope, qui montre qu'une secousse a eu lieu, plutôt que comme un sismomètre ou un sismographe, qui la mesure et l'enregistre.

Zhang Heng est parfois présenté dans des ouvrages de vulgarisation comme un « Léonard de Vinci chinois » ou un scientifique moderne avant l'heure. Les historiens mettent en garde contre cette image. Son astronomie était indissociable de l'interprétation des présages : il lisait les comètes, les éclipses et les mouvements planétaires comme des indications pour la conduite du gouvernement, et il acceptait l'idée traditionnelle selon laquelle les catastrophes naturelles pouvaient être la réponse du Ciel à un mauvais gouvernement. Sa théorie des tremblements de terre s'appuyait sur des idées relatives au qi et aux « oracles des vents », non sur la géologie.

Les comparaisons avec Ptolémée illustrent ce point. Les historiens Jin Guantao, Fan Hongye et Liu Qingfeng ont soutenu que la sphère armillaire de Zhang était physiquement très proche d'un modèle géocentrique, mais qu'il n'avait pas construit de théorie géométrique et axiomatique comme celle de Ptolémée ; l'astronomie chinoise se concentrait sur des cycles arithmétiques et la prédiction calendaire plutôt que sur des modèles géométriques. D'autres répondent que cela reflète une tradition différente mais très efficace, et non un échec.

L'ouvrage Science and Civilisation in China de Joseph Needham plaça Zhang Heng au début d'une longue tradition chinoise de mécanismes d'horlogerie, menant par Yi Xing jusqu'à Su Song. Le cadre de Needham, qui se demandait pourquoi la science moderne était née en Europe plutôt qu'en Chine, a lui-même été largement débattu, mais ses volumes demeurent une référence fondamentale pour les instruments de Zhang.

Enfin, la réputation de Zhang Heng a sa propre histoire. Au XXe siècle, il devint un symbole national de la réussite scientifique chinoise, représenté sur des timbres-poste, présent dans les manuels scolaires, et honoré par le nom d'un satellite de surveillance sismique lancé en 2018. Séparer le Zhang Heng historique de ces images modernes, tout en reconnaissant son génie authentique, fait partie de la tâche de l'historien.