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亨利·卡文迪許
基本信息
| 別名 | 卡文迪什 |
| 出生日期 | 1731年10月10日 |
| 出生地 | 撒丁王國尼斯 |
| 去世日期 | 1810年2月24日 |
| 國籍 | 英國 |
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人物生平
卡文迪什雖為貴族，生活卻相當簡樸，終身未娶。卡文迪許的一生都在實驗室和圖書館中度過，在化學、熱學、電學方面進行過許多實驗探索。但由于他對榮譽看得很輕，所以對于發(fā)表實驗結果以及得到發(fā)現優(yōu)先權卻很少關心，致使其許多成果一直未被公開發(fā)表。直到19世紀中葉，人們才從他的手稿中發(fā)現了一些極其珍貴的資料，證實他對科學發(fā)展做出了巨大貢獻。
主要成就
推算地球密度
卡文迪許測量地球的密度是從求牛頓的萬有引力定律中的常數著手，再推算出地球密度。他的指導思想極其簡單，用兩個大鉛球使它們接近兩個小球。從懸掛小球的金屬絲的扭轉角度，測出這些球之間的相互引力。根據萬有引力定律，可求出常數G。根據卡文迪許的多次實驗，測算出地球的平均密度是水密度的5.481倍（21世紀數值為5.517，誤差為0.65253%左右），并確定了萬有引力常數（他測得的引力常數G是（6.754±0.041）×10N·m /kg ;，這個值同現代值（6.6732±0.0031×10N·m /kg ;，相差無幾，計算出了地球的質量。被譽為第一個稱量地球的人。
后人關于卡文迪許測量G的歷史爭議
值得一提的是，以上關于卡文迪許從萬有引力常數推算地球密度的說法是完全錯誤的，卡文迪許是利用小球的與地球的比例關系來測量出的地球質量，從而得出地球平均密度，并沒有用到G的值，也沒有在任何地方間接或直接出現過萬有引力常數G。這也是普遍存在于我國物理教學中的謬誤，事實上，從科學史的角度看，卡文迪許可以說并沒有得到過G。在卡文迪許活著的時候，對牛頓重力方程的表述中仍沒有G的存在，那時的天文學家更關心各個星體的密度，只要知道了地球的密度那么其他星體的密度也都好算了，所以卡文迪許他老人家作為物理學的潮人，自然義無反顧地要引領時尚。他的論文題目正叫做“測量地球密度的實驗”（Experiments to determine the density of the earth）。
G的第一次出現在論文中是在1873，在卡文迪許發(fā)表論文的75年后，被Cornu,A. and Baille,J. B的論文《Mutual determination of the constant of attraction and the mean density of the earth》提到。而G正式進入人們的視野要到1894年，一個叫偉農。波義思（C.Vernon Boys）的人在英國皇家學會（The Royal Society）提出了重力場數G的表述后才為人熟知。在卡文迪許之后，后人也依據他的實驗結果整理出了G=3*g/4piRp，其中g是地球重力加速度，R是地球半徑。無疑的，卡文迪許的實驗是離G只有那么一點點距離了，后人可以直接從他的結果中整理出G來，因為這個而讓他與G的決定無緣實在是太可惜了，所以物理學家感情上更認同卡文迪許，萬一以后他們哪個人遇到了類似的事情，差一點點不被算作是第一原創(chuàng)者那肯定死不瞑目啊。于是他們?yōu)榭ㄎ牡显S辯護稱，在卡文迪許所在的年代，科學家們對重力與質量仍使用一樣的單位，而且從天文學來說，式子中出現的幾何常數可以被視作是已被定義的高斯重力常數，地球半徑也是知道的，所以可以一般性地可以說在天文單位上，G便是地球密度的倒數，卡文迪許測到了地球密度，自然也算得到G了。
學術貢獻
卡文迪許公開發(fā)表的論文并不多，他沒有寫過一本書，在長長的50年中，發(fā)表的論文也只有18篇。除了一篇在1771年發(fā)表的論文是理論性的以外，其余的論文內容都是實驗性和觀察性的，大部分是關于水槽化學方面的，先后發(fā)表在1766年到1788年的英國皇家學會的期刊上。
又有一部分是關于液態(tài)物質凝固點的研究，發(fā)表于1783年到1788年。還有一部分是有關地球平均密度的研究，發(fā)表于1798年。在他逝世以后，人們發(fā)現他有大量文稿，一直藏著未經公開發(fā)表。這部分未發(fā)表的論文相當多，電學部分由19世紀的大物理學家馬克斯維爾門教授整理后在1879年出版，化學和力學部分是由愛德華。普索于1921年主編出版的。
1784年左右他研究了空氣的組成，他還發(fā)現了硝酸。
亨利·卡文迪許
卡文迪許在熱學理論、計溫學、氣象學、大地磁學等方面都有研究。1798年他完成最后的實驗時，已年近七十。在物理學上他最主要的成就是通過扭秤實驗驗證了牛頓的萬有引力定律，確定了引力常數和地球平均密度。卡文迪許驗證萬有引力定律的實驗采用自己設計的“扭秤”為工具，后人稱為著名的“卡文迪許實驗”。
曾經有人說：“沒有一個活到80歲的人，一生講的話像卡文迪許那樣少的了。”在一本《化學史》書上，曾舉出卡文迪許最怕交際的一件事例。有一天一位英國科學家攜同一位奧地利科學家到班克斯爵士的家里做客，正巧卡文迪許也在座。班克斯便介紹他們相識。在互相介紹時，班克斯曾對這位遠客盛贊卡文迪許，而這位初見面的客人更是對卡文迪許說出非常敬仰他的話，并說這次來倫敦的最大收獲，就是專程拜訪這位名震一時的大科學家。
卡文迪許聽到這話，起初大為忸怩，最后完全手足無措，便從人叢中沖出了室外，坐上他的馬車趕回家去了。從這段記載可以看出卡文迪許為人性格孤僻。卡文迪許離開劍橋大學后，就跟父親旁聽英國皇家學會的會議，每個星期四中午，參加學會的聚餐。到了1760年他被選為皇家學會會員。一直到21世紀，在英國，凡是有FRS(Fellow of Royal Society即皇家學會會員）頭銜的人，還是受到人們的尊敬。
接下來他在1783年研究了空氣的組成成分，做了很多試驗，發(fā)表的論文的題目是“空氣試驗”。也就是這個時候，他發(fā)現水是由氫和氧兩種元素組成的。
化學研究
在卡文迪許漫長的一生中，他取得了一系列重大發(fā)現——其中，他是分離氫的第一人，把氫和氧化合成水的第一人。在1766年發(fā)表了《論人工空氣》的論文，獲皇家學會科普利獎章。他制出純氧，并確定了空氣中氧、氮的含量，證明水不是元素而是化合物。他被稱為“化學中的牛頓”。
二氧化碳發(fā)現
卡文迪許指出收集固定空氣（二氧化碳）必須用汞代替水；用物理方法測出了固定空氣（二氧化碳）的密度是空氣密度的1．57倍。從實驗上證明了固定空氣（二氧化碳）能溶解于同體積的水中，且與動物呼出的、木炭燃燒后產生的氣體相同。他還發(fā)現在普通空氣中，若固定空氣（二氧化碳）的含量占到總體積的1/9，燃燒的蠟燭在其中就會熄滅。他測出了酸從石灰石、大理石、珍珠灰等物質中排出固定空氣的重量，計算出這些物質中固定空氣的含量。這些實驗研究使人們對二氧化碳的性質有了更多的了解。
卡文迪許1767年發(fā)表的論文介紹了他關于水和固定空氣的實驗。將一個深水井的井水進行煮沸，發(fā)現有固定空氣逸出，同時產生白色沉淀。他認為白色沉淀和固定空氣原先都是溶于水的，它們可能是溶于水中的石灰質土。為了證明這一看法，他在清澈的石灰水中通入固定空氣，開始時產生乳白色沉淀，繼續(xù)通入固定空氣后，沉淀復又溶解，溶液再次澄清透亮。這時他將這溶液煮沸，立刻就象井水那樣釋放出固定空氣(二氧化碳)并產生白色沉淀。卡文迪許的這一實驗和他的解釋使人們認清了一個常見的自然現象。在石灰?guī)r遍布的地區(qū)，含有二氧化碳的雨水或泉水流經石灰?guī)r地層、慢慢地溶解部分石灰石形成重碳酸鹽溶液。這些溶液在石巖中緩慢下滴時，可能因溫度變化或水汽蒸發(fā)，二氧化碳乘機逸去，碳酸鈣結晶析出，日積月累，逐漸形成了石鐘、石乳、石筍等奇特的景象。喀斯特地形構造有了科學的解釋。
氫氣的發(fā)現
卡文迪許制取氫氣裝置
惰性氣體觀察
卡文迪許敏銳地注意到，在生成的水中有少量的硝酸存在。他認為這是反應用的氧氣中含有新物質（主要是氮氣）的原因。1785年卡文迪什在氧氣和空氣混合物中引入電火花，使得空氣中的氧氣和氮氣化合，然后用氫氧化鈉溶液來吸收生成的氮氧化物，發(fā)現空氣中殘留下一小部分，大約1/120，無法與氧氣反應生成化合物被氫氧化鈉吸收。經過幾百次的實驗和分析，他得出在今天看來都很精確的結論，空氣中有20.833%的體積是脫燃素空氣（測量值是氧氣占20.95%）和79.167%的燃素空氣，在燃素空氣中有空氣總體積的1/120的不易和其他氣體反應的濁氣。一直到1894年瑞利和拉姆賽發(fā)現稀有氣體氬，才證實了卡文迪什的推測。在拉瓦錫提出氧化說，卡文迪許贊成氧化說的簡潔，認為這有利化學的發(fā)展，但也不愿輕易放棄自己一直采用的燃素說，隨后他將自己的研究重點轉向了物理學領域。
物理研究
電學研究
卡文迪許在室外用望遠鏡觀測扭秤卡文迪許在電學上進行了大量重要而不為人知的研究。他在1777年向皇家學會提交論文，認為電荷之間的作用力可能呈現與距離的平方成反比的關系，后來被庫侖通過實驗證明，成為庫侖定律。他和法拉第共同主張電容器的電容會隨著極板間的介質不同而變化，提出了介電常數的概念，并推導出平板電容器的公式。他第一個將電勢概念大量應用對電學現象的解釋中。并通過大量實驗，提出了電勢與電流成正比的關系，這一關系1827年被歐姆重新發(fā)現，即歐姆定律。卡文迪許對電學的研究基本都沒有發(fā)表，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的最后五年致力于對卡文迪什個人實驗記錄的整理，于1879年出版了麥克斯韋注釋的《卡文迪許的電學研究》 ，卡文迪許在電學上成果才使世人知曉。
扭秤實驗
1797年卡文迪許完成了對地球密度的精確測量。他使用的裝置是約翰·米切爾設計，但米切爾本人不久去世，將裝置遺留給了沃拉斯頓，后被轉送給卡文迪許。裝置是由兩個重達350磅的鉛球和扭秤系統(tǒng)組成。為了消除氣流干擾，卡文迪許將裝置安裝在一個不透風的房間，自己則在室外用望遠鏡觀測扭矩的變化。之后他向皇家學會提交報告，給出了看來仍然比較精確的地球密度值。這一測量被稱為開創(chuàng)了“弱力測量的新時代”。很多文章稱卡文迪許求出了萬有引力常量，實際上卡文迪許當時只關心地球的密度，并沒有涉及其他。而采用卡文迪許的測量結果通過計算可以求出萬有引力常量和地球的質量。
1789年，英國物理學 家卡文迪許（H.Cavendish）利用扭秤，成功地測出了引力常量的數值，證明了萬有引力定律的正確。卡文迪許解決問題的思路是，將不易觀察的微小變化量，轉化為容易觀察的顯著變化量，再根據顯著變化量與微小量的關系算出微小的變化量。
趣聞軼事
科學怪人
亨利·卡文迪許
視名利如浮云
有一次卡文迪許出席宴會，一位奧地利來的科學家當面奉承卡文迪許幾句，他聽了起初大為忸怩，繼而手足無措，終于坐不住站了起來，沖出室外徑自坐上馬車回家了。卡文迪許沉默寡言，對慕名來訪的客人常常一言不發(fā)陪坐在旁，腦中想著科學問題，使一些幫閑文人尷尬掃興。他一生致力于科學研究，成果豐碩，但只發(fā)表過兩篇并不重要的論文。（其實是因為他這個人孤僻靦腆到“病態(tài)”的程度，連他和管家之間都需要以書信方式交流；連當時參加每周由班克斯舉辦的聚會時，都要求參與的人當他不存在，詢問他建議時需要當做周圍沒人那樣說話，這樣也許你才能得到一個含糊的回答或者是怒氣的尖叫。）
沉睡的手稿
1810年卡文迪許逝世后，他的侄子齊治把卡文迪許遺留下的20捆實驗筆記完好地放進了書櫥里，誰也沒有去動它。誰知手稿在書櫥里一放竟是70年，一直到了1871年，另一位電學大師麥克斯韋應聘擔任劍橋大學教授并負責籌建卡文迪許實驗室時，這些充滿了智慧和心血的筆記獲得了重返人間的機會。麥克斯韋仔細閱讀了前輩在100年前的手搞，不由大驚失色，連聲嘆服說：“卡文迪許也許是有史以來最偉大的實驗物理學家，他幾乎預料到電學上的所有偉大事實。這些事實后來通過庫侖和法國哲學家的著作聞名于世。”此后麥克斯韋決定擱下自己的一些研究課題，嘔心瀝血地整理這些手稿，使卡文迪許的光輝思想流傳了下來。真是一本名著，兩代風流。不啻是科學史上的一段佳話．
專注又靦腆
卡文迪許也參加一些社交活動。著名博物學家約瑟夫˙班克斯每周在家舉行一次科學界名流的聚會，卡文迪許也會參加。班克斯特別告誡其他人，不要靠近那個呆在角落里的人。如果他就某個問題發(fā)表自己的見解時，人們要裝著不在意地晃悠到他身邊，還要裝著沒有聽見他說話。如果討論的問題與科學無關，人們就會聽到身后一聲驚呼突然響起，轉身就會看到卡文迪許正奔向另一個更安靜一些的角落。
卡文迪許——是那個年代最有才華而又極其古怪的英國科學家。幾位作家為他寫過傳記。用其中一位的話來說，他特別靦腆，“幾乎到了病態(tài)的程度”。他跟任何人接觸都會感到局促不安，連他的管家都要以書信的方式跟他交流。
有一回，他打開房門，只見前門臺階上立著一位剛從維也納來的奧地利仰慕者。那奧地利人非常激動，對他贊不絕口。一時之間，卡文迪許聽著那個贊揚，仿佛挨了一記悶棍；接著，他再也無法忍受，順著小路飛奔而去，出了大門，連前門也顧不得關上。幾個小時以后，他才被勸說回家。
有時候，他也大膽涉足社交界——尤其熱心于每周一次的有偉大的博物學家約瑟夫·班克斯舉辦的科學界聚會——但班克斯總是對別的客人講清楚，大家絕不能靠近卡文迪許，甚至不能看他一眼。那些想要聽取他的意見的人被建議晃悠到他的附近，仿佛不是有意的，然后“只當那里沒有人那樣說話”。如果他們的話算得上是談論科學，他們也許會得到一個含糊的答案，但更經常的情形是聽到一聲怒氣沖沖的尖叫（他好像一直是尖聲尖氣的），轉過身來發(fā)現真的沒有人，之間卡文迪許飛也似的逃向一個比較安靜的角落。
獨立傳記
卡文迪許，1731年出生在英國。他一生都在實驗室和圖書館中度過，卡文迪許最為人稱道的科學貢獻，首先是他最早研究了電荷在導體上的分布，并于1771年用類似的實驗對電力相互作用的規(guī)律進行了說明。他通過對靜電荷的測定研究，在1777年向皇家學會提出的報告中說：“電的吸引力和排斥力很可能反比于電荷間距離的平方。如果是這樣的話，那么物體中多余的電幾乎全部堆積在緊靠物體表面的地方。而且這些電緊緊地壓在一起，物體的其余部分處于中性狀態(tài)。”與此同時，他還研究了電容器的容量；制造了一整套已知容量的電容器，并以此測定了各種儀器樣品的電容量。而且預料到了不同物質的電容率，并測量了幾種物質的電容率，初步提出了“電勢”的概念。
卡文迪許畢生致力于科學研究，從事實驗研究達50年之久，性格孤僻，很少與外界來往。卡文迪許的主要貢獻有：1781年首先制得氫氣，并研究了其性質，用實驗證明它燃燒后生成水。但他曾把發(fā)現的氫氣誤認為燃素，不能不說是一大憾事。1785年卡文迪許在空氣中引入電火花的實驗使他發(fā)現了一種不活潑的氣體的存在。他在化學、熱學、電學、萬有引力等方面進行過許多成功的實驗研究，但很少發(fā)表，過了一個世紀后，麥克斯韋整理了他的實驗論文，并于1879年出版了名為《尊敬的亨利·卡文迪許的電學研究》一書，此后人們才知道卡文迪許做了許多電學實驗。麥克斯韋說：“這些論文證明卡文迪許幾乎預料到電學上所有的偉大事實，這些偉大的事實后來通過庫侖和法國哲學家們的著作而聞名于科學界。”
早在庫侖之前，卡文迪許就已經研究了電荷在導體上的分布問題。1777年，他向皇家學會提出報告說：“電的吸引力和排斥力很可能反比于電荷間距離的平方，他還通過實驗證明電荷之間的作用力。他還早于法拉第用實驗證明電容器的電容取決于兩極板之間的物質。他最早建立電勢概念，指出導體兩端的電勢與通過它的電流成正比（歐姆定律在1827年才確立）。當時還無法測量電流強度，據說他勇敢地用自己的身體當作測量儀器，以從手指到手臂何處感到電振動來估計電流的強弱。
卡文迪許的重大貢獻之一是1789年完成了測量萬有引力的扭秤實驗，后世稱為卡文迪許實驗。他改進了英國機械師米歇爾（John Michell，1724～1793）設計的扭秤，在其懸線系統(tǒng)上附加小平面鏡，利用望遠鏡在室外遠距離操縱和測量，防止了空氣的擾動（當時還沒有真空設備）。他用一根39英寸的鍍銀銅絲吊一6英尺木桿，桿的兩端各固定一個直徑2英寸的小鉛球，另用兩顆直徑12英寸的固定著的大鉛球吸引它們，測出鉛球間引力引起的擺動周期，由此計算出兩個鉛球的引力，由計算得到的引力再推算出地球的質量和密度。他算出的地球密度為水密度的5.481倍（地球密度的現代數值為5.517g/cm3），由此可推算出萬有引力常量G的數值為 6.754×10N·m2/kg2；（現代值前四位數為6.672）。
卡文迪許在1766年發(fā)表了《論人工空氣》的論文并獲皇家學會科普利獎章。他制出純氧，并確定了空氣中氧、氮的含量，證明水不是元素而是化合物。他被稱為“化學中的牛頓”。
卡文迪許一生在自己的實驗室中工作，被稱為“最富有的學者，最有學問的富翁”。卡文迪許于公元1810年3月10日去世。
參考資料
[1]
從普魯士藍到鋰離子電池 · 今日頭條[引用日期2021-4-26]
[2]
新知丨物理學史中的庫侖定律 · 今日頭條[引用日期2021-4-26]
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