卡文迪许

2016-02-12 20:09:12  微科普
本文作者:微科普

卡文迪许

2016-02-12 20:09:12
作者:微科普
来源:微科普
字号:A+  A-

卡文迪许

亨利·卡文迪许

亨利·卡文迪许(Henry Cavendish173110101810224),18世纪英国物理学家、化学家。他首次对氢气的性质进行了细致的研究,证明了水并非单质,预言了空气中稀有气体的存在。发现了库仑定律和欧姆定律,将电势概念广泛应用于电学,并精确测量了地球的密度,被认为是继牛顿之后英国最伟大的科学家之一。

卡文迪许的主要成就

卡文迪许公开发表的论文并不多,他没有写过一本书,在长长的50年中,发表的论文也只有18篇。除了一篇在1771年发表的论文是理论性的以外,其余的论文内容都是实验性和观察性的,大部分是关于水槽化学方面的,先后发表在1766年到1788年的英国皇家学会的期刊上。

又有一部分是关于液态物质凝固点的研究,发表于1783年到1788年。还有一部分是有关地球平均密度的研究,发表于1798年。在他逝世以后,人们发现他有大量文稿,一直藏着未经公开发表。这部分未发表的论文相当多,电学部分由19世纪的大物理学家马克斯维尔门教授整理后在1879年出版,化学和力学部分是由爱德华.普索于1921年主编出版的。

化学领域

1784年左右,卡文迪许研究了空气的组成,发现普通空气中氮气占五分之四,氧气占五分之一。他确定了水的成分,肯定了它不是元素而是化合物。他还发现了硝酸。

物理领域

卡文迪许生前在物理学方面发表的论文为数极少,一直到麦克斯韦审阅整理并出版了他的手稿后,人们才知道他在电学方面作出了很多重要发现。他发现一对电荷间的作用力跟它们之间的距离平方成反比,这就是后来库仑导出的库仑定律内容的一部分;他提出每个带电体的周围有“电气”,与电场理论很接近;卡文迪许演示了电容器的电容与插入平板中的物质有关;电势的概念也是卡文迪许首先提出的,这对静电理论的发展起了重要作用;他还提出了导体上的电势与通过电流成正比的关系。

在牛顿发现万有引力定律之后,他是测出引力常量的科学家。

推算地球密度

卡文迪许测量地球的密度是从求牛顿的万有引力定律中的常数着手,再推算出地球密度。他的指导思想极其简单,用两个大铅球使它们接近两个小球。从悬挂小球的金属丝的扭转角度,测出这些球之间的相互引力。根据万有引力定律,可求出常数G。根据卡文迪许的多次实验,测算出地球的平均密度是水密度的5.481倍(21世纪数值为5.517,误差为0.65253%左右),并确定了万有引力常数(他测得的引力常数G是(6.754±0.041)×10N·m2/kg2,这个值同现代值(6.6732±0.0031×10N·m2/kg2,相差无几,计算出了地球的质量。被誉为第一个称量地球的人

后人关于卡文迪许测量G的历史争议

值得一提的是,以上关于卡文迪许从万有引力常数推算地球密度的说法是完全错误的,卡文迪许是利用小球的与地球的比例关系来测量出的地球质量,从而得出地球平均密度,并没有用到G的值,也没有在任何地方间接或直接出现过万有引力常数G。这也是普遍存在于我国物理教学中的谬误,事实上,从科学史的角度看,卡文迪许可以说并没有得到过G。在卡文迪许活着的时候,对牛顿重力方程的表述中仍没有G的存在,那时的天文学家更关心各个星体的密度,只要知道了地球的密度那么其他星体的密度也都好算了,所以卡文迪许他老人家作为物理学的潮人,自然义无反顾地要引领时尚。他的论文题目正叫做“测量地球密度的实验”(Experiments to determine the density of the earth)。

G的第一次出现在论文中是在1873,在卡文迪许发表论文的75年后,被Cornu,A. and Baille,J. B的论文《Mutual determination of the constant of attraction and the mean density of the earth》提到。而G正式进入人们的视野要到1894年,一个叫伟农.波义思(C.Vernon Boys)的人在英国皇家学会(The Royal Society)提出了重力场数G的表述后才为人熟知。在卡文迪许之后,后人也依据他的实验结果整理出了G=3*g/4piRp,其中g是地球重力加速度,R是地球半径。无疑的,卡文迪许的实验是离G只有那么一点点距离了,后人可以直接从他的结果中整理出G来,因为这个而让他与G的决定无缘实在是太可惜了,所以物理学家感情上更认同卡文迪许,万一以后他们哪个人遇到了类似的事情,差一点点不被算作是第一原创者那肯定死不瞑目啊。于是他们为卡文迪许辩护称,在卡文迪许所在的年代,科学家们对重力与质量仍使用一样的单位,而且从天文学来说,式子中出现的几何常数可以被视作是已被定义的高斯重力常数,地球半径也是知道的,所以可以一般性地可以说在天文单位上,G便是地球密度的倒数,卡文迪许测到了地球密度,自然也算得到G了。

  亨利•卡文迪许生于17311010,父亲是德文郡公爵二世的第五个儿子,母亲是肯特郡公爵的第四个女儿。卡文迪许两岁的时候,母亲因生育弟弟而病逝,从此他失去了母爱,父亲忙于社交活动,撇下他交由保姆看管,与外界极少往来。直到11岁才被送入一所专收贵族子弟的学校,在学校里他仍然很少与别人交往,这就使他显得特别孤独、羞怯。早年丧母的卡文迪许,慢慢形成一种过于羞怯和孤独自闭的习性,眼睛从来不敢和别人对视,连他家的女仆都没有正面看见过他的脸。

  1753年,他在剑桥学习了四年,最终由于习性羞涩跟教授不和主动退学。父亲查尔斯听到他的退学原因,大为恼怒,每月只支付他很少的生活费。离开剑桥大学后,就跟父亲在英国皇家学会的会议旁听,每个星期四中午,参加皇家学会的聚餐。父亲查尔斯是一个杰出的实验科学家,他的实验技巧非常卓越,备受富兰克林的赞赏,他鼓励儿子热爱科学,并把自己的仪器设备供给儿子使用。

  1766年,卡文迪许发表了第一篇论文——《人造气体》,这篇论文记录了卡文迪许对氢气的研究,使他获得英国皇家学会的科普利奖章。四十岁的时候先后继承了父亲和姑妈的遗产,资产超过了130万英镑,成为英国的巨富之一。

  可能因为卡文迪许家里不缺钱的缘故吧,金钱对他毫无吸引力,在他的脑海里也没有关于钱的具体的概念。卡文迪许对一英镑能够买多少实质性的东西,还没有一立方米空气中有多少的惰性气体来的熟悉。

  他的生活很简朴,总是穿着老式的过时服装,而且很少有一件衣服的纽扣是齐全的。他非常喜欢独自沉思,甚至尽量避免和自己的仆人见面,他一般只会在桌子上留下字条说明自己晚餐要吃什么,常常是“一只羊腿”。他的大部分时间都用在购置科学仪器和图书上。

  卡文迪许不会理财,他虽然是百万富翁,却不知道一万英镑究竟是多大的一笔财产。他的仆人拉瓦锡在下雨的时候,为了收回放在院子里观察天象的仪器,被雨淋病了。只是普通的感冒,引起喉咙发炎,住在医院里。拉瓦锡的儿子找到卡文迪许,想预支一点父亲的劳役费用为父亲缴纳住院费,结果卡文迪许给他开了一张一万英镑的支票,还问他“够不够?”

  拉瓦锡的儿子惊讶的一个星期都说不出话来,仆人拉瓦锡知道后,从医院的病床上跳起来,不知所措。那时候,一万英镑可以买两栋不错的房子,如果换成当地常用的散碎票子先令,大概一百多斤,一个人背着都吃力。要是换成便士,应该是一座小山了。

  有一次,卡文迪许所在学院的一个科学家朋友因为生活窘迫无法继续科学研究,找卡文迪许借路费准备回老家,他大笔一挥,开出两万英镑的支票给他,吓得他的朋友呆若木鸡。他把支票往桌上一放,再也不搭理他的朋友,自顾自的做实验去了。

  卡文迪许在生活中不善于与人沟通,患有严重的“自闭症”。有一次卡文迪许出席宴会,一位奥地利来的科学家当面奉承卡文迪许几句,他听了起初大为忸怩,继而手足无措,终于坐不住站了起来,冲出室外径自坐上马车回家了。那时侯还没有“自闭症”一词,人们只知道他成就非凡行为古怪且不和群,称之为“科学怪人”。

  在他的朋友中,能与卡文迪许交谈的没有几个人。化学家武拉斯顿算是其中一个。他总结了一条经验:“与卡文迪许交谈,千万不要看他,而要把头仰起,两眼望着天,就象对空气谈话一样,这样或许听到他的一些见解。”但经常的情形是听到一声怒气冲冲的尖叫,转过身来发现真的没有人,卡文迪许早已逃向另一个比较安静的角落。

  1810年,卡文迪许逝世后,他的侄子把他遗留下的20捆实验笔记完好地放进了书橱里,谁也没有去动它。谁知手稿在书橱里一放竟是70年。直到1880年,另一位电学大师麦克斯韦担任剑桥大学教授并负责筹建卡文迪许实验室时,这些充满了智慧和心血的笔记才获得了重返人间的机会。麦克斯韦仔细阅读了前辈在100年前的手搞,不由大惊失色,连声叹服说:“卡文迪许也许是有史以来最伟大的实验物理学家,他几乎预料到电学上的所有伟大事实。这些事实后来通过库仑和法国哲学家的著作闻名于世。”于是麦克斯韦搁下自己的一些研究课题,呕心沥血地整理了这些手稿,使卡文迪许的光辉思想流传了下来。

责任编辑:微科普网

>相关科普知识