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亨利·卡文迪許
亨利·卡文迪許（Henry Cavendish，1731年10月10日——1810年2月24日），英國化學(xué)家、物理學(xué)家。1731年10月10日生于撒丁王國尼斯。1742—1748年在海克納學(xué)校讀書。1749—1753年期間在劍橋大學(xué)彼得學(xué)院求學(xué)。在倫敦定居后，卡文迪許在他父親的實驗室中當(dāng)助手，做了大量的電學(xué)、化學(xué)研究工作。他的實驗研究持續(xù)達50年之久。1760年卡文迪許被選為倫敦皇家學(xué)會成員，1803年又被選為法國研究院的18名外籍會員之一。1810年2月24日，卡文迪許在倫敦逝世，終身未婚。
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(dāng)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(xué)、熱學(xué)、電學(xué)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(jié)果以及得到發(fā)現(xiàn)優(yōu)先權(quán)卻很少關(guān)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(xiàn)了一些極其珍貴的資料，證實他對科學(xué)發(fā)展做出了巨大貢獻。
主要成就
物理領(lǐng)域
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(shù)著手，再推算出地球密度。他的指導(dǎo)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(zhuǎn)角度，測出這些球之間的相互引力。根據(jù)萬有引力定律，可求出常數(shù)G。根據(jù)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(shù)值為5.517，誤差為0.65253%左右），并確定了萬有引力常數(shù)（他測得的引力常數(shù)G是（6.754±0.041）×10N·m /kg ;，這個值同現(xiàn)代值（6.6732±0.0031×10N·m /kg ;，相差無幾，計算出了地球的質(zhì)量。被譽為第一個稱量地球的人。
后人關(guān)于卡文迪許測量G的歷史爭議
值得一提的是，以上關(guān)于卡文迪許從萬有引力常數(shù)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(guān)系來測量出的地球質(zhì)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(xiàn)過萬有引力常數(shù)G。這也是普遍存在于我國物理教學(xué)中的謬誤，事實上，從科學(xué)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(xué)家更關(guān)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(xué)的潮人，自然義無反顧地要引領(lǐng)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(xiàn)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(nóng)。波義思（C.Vernon Boys）的人在英國皇家學(xué)會（The Royal Society）提出了重力場數(shù)G的表述后才為人熟知。在卡文迪許之后，后人也依據(jù)他的實驗結(jié)果整理出了G=3*g/4piRp，其中g(shù)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(jié)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(xué)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(xué)家們對重力與質(zhì)量仍使用一樣的單位，而且從天文學(xué)來說，式子中出現(xiàn)的幾何常數(shù)可以被視作是已被定義的高斯重力常數(shù)，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(shù)，卡文迪許測到了地球密度，自然也算得到G了。
學(xué)術(shù)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(nèi)容都是實驗性和觀察性的，大部分是關(guān)于水槽化學(xué)方面的，先后發(fā)表在1766年到1788年的英國皇家學(xué)會的期刊上。
又有一部分是關(guān)于液態(tài)物質(zhì)凝固點的研究，發(fā)表于1783年到1788年。還有一部分是有關(guān)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(xiàn)他有大量文稿，一直藏著未經(jīng)公開發(fā)表。這部分未發(fā)表的論文相當(dāng)多，電學(xué)部分由19世紀的大物理學(xué)家馬克斯維爾門教授整理后在1879年出版，化學(xué)和力學(xué)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(xiàn)了硝酸。
亨利·卡文迪許
卡文迪許在熱學(xué)理論、計溫學(xué)、氣象學(xué)、大地磁學(xué)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(xué)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(shù)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(shè)計的“扭秤”為工具，后人稱為著名的“卡文迪許實驗”。
曾經(jīng)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(xué)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(xué)家攜同一位奧地利科學(xué)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(xué)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(xué)后，就跟父親旁聽英國皇家學(xué)會的會議，每個星期四中午，參加學(xué)會的聚餐。到了1760年他被選為皇家學(xué)會會員。一直到21世紀，在英國，凡是有FRS(Fellow of Royal Society即皇家學(xué)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(xiàn)水是由氫和氧兩種元素組成的。
化學(xué)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(xiàn)——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(xué)會科普利獎?wù)隆Ｋ瞥黾冄酰⒋_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(xué)中的牛頓”。
二氧化碳發(fā)現(xiàn)
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(chǎn)生的氣體相同。他還發(fā)現(xiàn)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(zhì)中排出固定空氣的重量，計算出這些物質(zhì)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(zhì)有了更多的了解。
卡文迪許1767年發(fā)表的論文介紹了他關(guān)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(xiàn)有固定空氣逸出，同時產(chǎn)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(zhì)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(chǎn)生乳白色沉淀，繼續(xù)通入固定空氣后，沉淀復(fù)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(chǎn)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(xiàn)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(jīng)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(jié)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(gòu)造有了科學(xué)的解釋。
卡文迪許在1766年發(fā)表了他的第一篇論文《論人工空氣》“人工空氣”一詞為波義耳首創(chuàng)，用來指存在在某種物質(zhì)中，通過化學(xué)反應(yīng)可以釋放出來的氣體，如普利斯特里通過碳酸鹽與酸反應(yīng)生成的二氧化碳。在文章中卡文迪許在嚴格保持溫度和壓強條件的前提下，對當(dāng)時已知的各種氣體的物理性質(zhì)，特別是密度進行了嚴謹而細致的研究，這篇文章使他獲得英國皇家學(xué)會的科普利獎?wù)?/a>。
氫氣的發(fā)現(xiàn)
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(yīng)用的氧氣中含有新物質(zhì)（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(xiàn)空氣中殘留下一小部分，大約1/120，無法與氧氣反應(yīng)生成化合物被氫氧化鈉吸收。經(jīng)過幾百次的實驗和分析，他得出在今天看來都很精確的結(jié)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(yīng)的濁氣。一直到1894年瑞利和拉姆賽發(fā)現(xiàn)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(xué)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(zhuǎn)向了物理學(xué)領(lǐng)域。
物理研究
電學(xué)研究
卡文迪許在室外用望遠鏡觀測扭秤卡文迪許在電學(xué)上進行了大量重要而不為人知的研究。他在1777年向皇家學(xué)會提交論文，認為電荷之間的作用力可能呈現(xiàn)與距離的平方成反比的關(guān)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(zhì)不同而變化，提出了介電常數(shù)的概念，并推導(dǎo)出平板電容器的公式。他第一個將電勢概念大量應(yīng)用對電學(xué)現(xiàn)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(guān)系，這一關(guān)系1827年被歐姆重新發(fā)現(xiàn)，即歐姆定律。卡文迪許對電學(xué)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(xué)研究》 ，卡文迪許在電學(xué)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(shè)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(zhuǎn)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(fēng)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(xué)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(dāng)時只關(guān)心地球的密度，并沒有涉及其他。而采用卡文迪許的測量結(jié)果通過計算可以求出萬有引力常量和地球的質(zhì)量。
1789年，英國物理學(xué) 家卡文迪許（H.Cavendish）利用扭秤，成功地測出了引力常量的數(shù)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(zhuǎn)化為容易觀察的顯著變化量，再根據(jù)顯著變化量與微小量的關(guān)系算出微小的變化量。
趣聞軼事
科學(xué)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(xué)家當(dāng)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(xué)問題，使一些幫閑文人尷尬掃興。他一生致力于科學(xué)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(dāng)時參加每周由班克斯舉辦的聚會時，都要求參與的人當(dāng)他不存在，詢問他建議時需要當(dāng)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。）
實驗室建立
人們?yōu)榧o念這位大科學(xué)家，特意為他樹立了紀念碑。后來，他的后代親屬德文郡八世公爵S.C.卡文迪許將自己的一筆財產(chǎn)捐贈劍橋大學(xué)于1871年建成實驗室，它最初是以 H.卡文迪什命名的物理系教學(xué)實驗室，后來實驗室擴大為包括整個物理系在內(nèi)的科研與教育中心，并以整個卡文迪許家族命名。該中心注重獨立的、系統(tǒng)的、集團性的開拓性實驗和理論探索，其中關(guān)鍵性設(shè)備都提倡自制。這個實驗室曾經(jīng)對物理科學(xué)的進步作出了巨大的貢獻。近百年來卡文迪許實驗室培養(yǎng)出的諾貝爾獎金獲得者已達26人。麥克斯韋、瑞利、J.J.湯姆遜、盧瑟福等先后主持過該實驗室。
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(xué)大師麥克斯韋應(yīng)聘擔(dān)任劍橋大學(xué)教授并負責(zé)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(xué)家，他幾乎預(yù)料到電學(xué)上的所有偉大事實。這些事實后來通過庫侖和法國哲學(xué)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(fēng)流。不啻是科學(xué)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(xué)家約瑟夫˙班克斯每周在家舉行一次科學(xué)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(xué)無關(guān)，人們就會聽到身后一聲驚呼突然響起，轉(zhuǎn)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(xué)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(guān)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(xué)家約瑟夫·班克斯舉辦的科學(xué)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(dāng)那里沒有人那樣說話”。如果他們的話算得上是談?wù)摽茖W(xué)，他們也許會得到一個含糊的答案，但更經(jīng)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(zhuǎn)過身來發(fā)現(xiàn)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(xué)貢獻，首先是他最早研究了電荷在導(dǎo)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(xué)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(yù)料到了不同物質(zhì)的電容率，并測量了幾種物質(zhì)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(xué)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(zhì)，用實驗證明它燃燒后生成水。但他曾把發(fā)現(xiàn)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(xiàn)了一種不活潑的氣體的存在。他在化學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、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(xué)研究》一書，此后人們才知道卡文迪許做了許多電學(xué)實驗。麥克斯韋說：“這些論文證明卡文迪許幾乎預(yù)料到電學(xué)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(xué)家們的著作而聞名于科學(xué)界。”
早在庫侖之前，卡文迪許就已經(jīng)研究了電荷在導(dǎo)體上的分布問題。1777年，他向皇家學(xué)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(zhì)。他最早建立電勢概念，指出導(dǎo)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(dāng)時還無法測量電流強度，據(jù)說他勇敢地用自己的身體當(dāng)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(shè)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(dāng)時還沒有真空設(shè)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(zhì)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(xiàn)代數(shù)值為5.517g/cm3），由此可推算出萬有引力常量G的數(shù)值為 6.754×10N·m2/kg2；（現(xiàn)代值前四位數(shù)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(xué)會科普利獎?wù)隆Ｋ瞥黾冄酰⒋_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(xué)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(xué)者，最有學(xué)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(xué)史中的庫侖定律 · 今日頭條[引用日期2021-4-26]
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作者
