لم يقف كافندش بعيداً عن الرجال الآخرين بروح متكبرة أو ازدرائية، رافضاً أن يعتبرهم أقرانه. شعر بأنه منفصل عنهم بهوة عميقة، لم يستطع هو ولا هم أن يجسروها، وكان من العبث محاولة مد الأيدي أو تبادل التحيات عبرها. شعور بالانعزال عن إخوانه جعله يتقهقر من مجتمعهم ويتجنب حضورهم، لكنه فعل ذلك كرجل واعٍ بضعف فيه، لا يتفاخر بتفوق.
كان Henry Cavendish فيلسوفاً طبيعياً وعالماً إنجليزياً، وكيميائياً وفيزيائياً تجريبياً ونظرياً مهماً. يُعرّف بفضل اكتشافه للهيدروجين، الذي أطلق عليه تسمية "الهواء القابل للاشتعال". وصف كثافة الهواء القابل للاشتعال، الذي تشكل الماء عند احتراقه، في ورقة عام 1766 بعنوان On Factitious Airs. قام Antoine Lavoisier لاحقاً بتكرار تجربة كافندش وأطلق على العنصر اسمه.
رغم أن كافندش كان رجلاً خجولاً سيئ السمعة، إلا أنه اشتهر بدقة وإتقان عظيمين في أبحاثه حول تركيب الهواء الجوي، وخصائص الغازات المختلفة، وتركيب الماء، والقانون الذي يحكم الجذب والتنافر الكهربائي، ونظرية ميكانيكية للحرارة، وحسابات كثافة الأرض وبالتالي كتلتها. تجربته لقياس كثافة الأرض أصبحت معروفة باسم تجربة كافندش.
السيرة الذاتية
الحياة المبكرة
وُلد Henry Cavendish في 10 أكتوبر 1731 في Nice، حيث كانت عائلته تعيش في ذلك الوقت. كانت والدته Lady Anne de Grey، الابنة الرابعة لـ Henry Grey، Duke of Kent الأول، وكان والده Lord Charles Cavendish، الابن الثالث لـ William Cavendish، Duke of Devonshire الثاني. تتبّعت العائلة أصولها عبر ثمانية قرون إلى العهد النورماندي، وكانت ترتبط بصلات وثيقة مع العديد من العائلات الأرستقراطية في بريطانيا العظمى. توفيت والدة Henry في 1733، بعد ثلاثة أشهر من ولادة ابنها الثاني Frederick، وقبل عيد ميلاد Henry الثاني مباشرة، مما ترك Lord Charles Cavendish ليربي ابنيه. كان يُعرّف Henry Cavendish باسم "The Honourable Henry Cavendish".
من سن 11 سنة التحق Henry بمدرسة Newcome's School، وهي مدرسة خاصة بالقرب من London. في سن 18 سنة، في 24 نوفمبر 1748، التحق بجامعة Cambridge في St Peter's College، المعروفة الآن باسم Peterhouse، لكنه غادرها بعد ثلاث سنوات في 23 فبراير 1751 دون الحصول على درجة علمية في ذلك الوقت، وهي ممارسة شائعة. ثم عاش مع والده في London، حيث أنشأ قريباً مختبره الخاص.
قضى Lord Charles Cavendish حياته أولاً في السياسة وبعد ذلك بشكل متزايد في العلم، خاصة في Royal Society of London. في 1758، أصطحب Henry إلى اجتماعات Royal Society وأيضاً إلى عشاء Royal Society Club. في 1760، تم انتخاب Henry Cavendish لكلا المجموعتين، وكان حاضراً بجد بعد ذلك. لم يتولَ دوراً فعلياً تقريباً في السياسة، لكنه اتبع والده في العلم، من خلال أبحاثه والمشاركة في المنظمات العلمية. كان نشيطاً في مجلس Royal Society of London الذي تم انتخابه فيه عام 1765.
قاده اهتمامه وخبرته في استخدام الأدوات العلمية إلى رئاسة لجنة لمراجعة أدوات Royal Society الأرصادية وللمساعدة في تقييم أدوات Royal Greenwich Observatory. ظهرت ورقته الأولى، Factitious Airs، في 1766. تضمنت اللجان الأخرى التي عمل بها لجنة الأوراق، التي اختارت الأوراق للنشر في Philosophical Transactions of the Royal Society، واللجان الخاصة بعبور Venus عام 1769، والجذب الثقالي للجبال عام 1774، والتعليمات العلمية لحملة Constantine Phipps عام 1773 بحثاً عن القطب الشمالي والممر الشمالي الغربي. في 1773، انضم Henry إلى والده كأمين مختار منتخب للمتحف البريطاني، الذي كرس له قدراً كبيراً من الوقت والجهد. بعد فترة قصيرة من تأسيس Royal Institution of Great Britain، أصبح كافندش مديراً في 1800 واهتم بنشاط، خاصة في المختبر، حيث راقب وساعد في التجارب الكيميائية لـ Humphry Davy.
البحث الكيميائي
حول وقت وفاة والده، بدأ كافندش بالعمل بشكل وثيق مع Charles Blagden، وهي علاقة ساعدت Blagden على الدخول بالكامل إلى المجتمع العلمي في London. بالمقابل، ساعد Blagden في إبقاء العالم بعيداً عن كافندش. لم ينشر كافندش أي كتب وقليل من الأوراق، لكنه حقق الكثير. تتضمن عدة مجالات بحث، بما فيها الميكانيكا والبصريات والمغناطيسية، بكثرة في مخطوطاته، لكنها تكاد لا تظهر في أعماله المنشورة. يُعتبر كافندش أحد ما يُسمى بالكيميائيين الهوائيين في القرنين الثامن عشر والتاسع عشر، جنباً إلى جنب مع، على سبيل المثال، Joseph Priestley و Joseph Black و Daniel Rutherford. وجد كافندش أن غازاً محدداً وغريباً وقابلاً للاشتعال للغاية، أطلق عليه "الهواء القابل للاشتعال"، تم إنتاجه بفعل أحماض معينة على معادن معينة. كان هذا الغاز هو الهيدروجين، الذي خمّن كافندش بشكل صحيح أنه موجود بنسبة اثنين إلى واحد في الماء.
على الرغم من أن آخرين، مثل Robert Boyle، قد حضروا غاز الهيدروجين في وقت سابق، يُعطى كافندش عادة الفضل في الاعتراف بطبيعته الأولية. في 1777، اكتشف كافندش أن الهواء الذي يزفره الثدييات يتحول إلى "الهواء الثابت" ثاني أكسيد الكربون، وليس "الهواء المفلوجستن" كما تنبأ به Joseph Priestley. أيضاً، بإذابة القواعد في الأحماض، أنتج كافندش ثاني أكسيد الكربون، الذي جمعه، جنباً إلى جنب مع غازات أخرى، في زجاجات مقلوبة فوق الماء أو الزئبق. ثم قاس ذوبانيتها في الماء والثقل النوعي لها، وسجل قابليتها للاشتعال. خلص في ورقته عام 1778 "General Considerations on Acids" إلى أن الهواء القابل للتنفس يشكل الحموضة. منحت كافندش ميدالية Copley Medal من Royal Society لهذه الورقة. كانت كيمياء الغازات ذات أهمية متزايدة في النصف الثاني من القرن الثامن عشر، وأصبحت حاسمة لإصلاح الكيمياء من قبل الفرنسي Antoine-Laurent Lavoisier، المعروف عموماً بالثورة الكيميائية.
في 1783، نشر كافندش ورقة عن قياس الهواء النقي جودة الغازات للتنفس. وصف عداد هواء جديد من اختراعه، حقق به أفضل النتائج حتى ذلك الوقت، باستخدام ما كان في أيدٍ أخرى طريقة غير دقيقة لقياس الغازات بوزنها. ثم، بعد تكرار تجربة أجراها Priestley في 1781، نشر كافندش ورقة عن إنتاج ماء نقي بحرق الهيدروجين في "الهواء المفلوجستن" الهواء في عملية الاحتراق، المعروف الآن بأنه الأكسجين. خلص كافندش إلى أنه بدلاً من التوليف، فإن احتراق الهيدروجين تسبب في تكثف الماء من الهواء. فسّر بعض الفيزيائيين الهيدروجين كفلوجستن نقي. أبلغ كافندش عن نتائجه إلى Priestley في موعد لا يتجاوز مارس 1783، لكنه لم ينشرها حتى السنة التالية. نشر المخترع الاسكتلندي James Watt ورقة عن تركيب الماء في 1783؛ حدثت جدل حول من قام بالاكتشاف أولاً.
في 1785، حقق كافندش في تركيب الهواء العادي أي الجوي، محققاً نتائج دقيقة بشكل مثير للإعجاب. أجرى تجارب تم فيها دمج الهيدروجين والهواء العادي بنسب معروفة ثم انفجارهما بشرارة كهربائية. علاوة على ذلك، وصف أيضاً تجربة تمكن فيها من إزالة، بالمصطلحات الحديثة، غازات الأكسجين والنيتروجين معاً من عينة من الهواء الجوي حتى بقيت فقط فقاعة صغيرة من الغاز غير المتفاعل في العينة الأصلية. باستخدام ملاحظاته، لاحظ كافندش أنه، عندما حدد كميات الهواء المفلوجستن النيتروجين والهواء المفلوجستن الأكسجين، ظل هناك حجم من الغاز يبلغ 1/120 من الحجم الأصلي للنيتروجين. من خلال القياسات الدقيقة، قاده هذا إلى الاستنتاج بأن "الهواء العادي يتكون من جزء من الهواء المفلوجستن".
في 1890s حوالي 100 سنة لاحقاً، أدرك اثنان من الفيزيائيين البريطانيين، William Ramsay و Lord Rayleigh، أن غازهما الخامل المكتشف حديثاً، الأرجون، كان مسؤولاً عن البقايا الإشكالية لكافندش؛ لم يكن قد ارتكب خطأ. ما فعله هو إجراء تجارب كمية صارمة، باستخدام أدوات وطرق موحدة، موجهة نحو نتائج قابلة للتكرار؛ أخذ متوسط نتيجة عدة تجارب؛ وتحديد والسماح بمصادر الخطأ. الميزان الذي استخدمه، صنعه صانع حرفي يُدعى Harrison، كان أول الموازين الدقيقة في القرن الثامن عشر، وكان دقيقاً مثل Lavoisier الذي تم تقدير دقته بقياس جزء واحد من 400,000. عمل كافندش مع صانعي الأدوات الخاصين به، بشكل عام تحسين الأدوات الموجودة بدلاً من اختراع أدوات جديدة تماماً.
استخدم كافندش، كما هو موضح أعلاه، لغة نظرية الفلوجستن القديمة في الكيمياء. في 1787، أصبح أحد الأوائل خارج فرنسا للتحول إلى النظرية المضادة للفلوجستن الجديدة لـ Lavoisier، على الرغم من أنه ظل متشككاً حول منطق النظرية الجديدة. اعترض أيضاً على تحديد Lavoisier للحرارة باعتبارها ذات أساس مادي أو أولي. عاملاً ضمن إطار الآلية النيوتونية، عالج كافندش مشكلة طبيعة الحرارة في 1760s، شارحاً الحرارة كنتيجة لحركة المادة.
في 1783، نشر ورقة عن درجة الحرارة التي يتجمد عندها الزئبق وفي تلك الورقة استخدم فكرة الحرارة الكامنة، على الرغم من أنه لم يستخدم المصطلح لأنه كان يعتقد أنه يتضمن قبول نظرية مادية للحرارة. أوضح اعتراضاته في ورقته عام 1784 عن الهواء. ذهب إلى تطوير نظرية عامة للحرارة، وتم تأريخ مخطوط تلك النظرية بإقناع إلى أواخر 1780s. كانت نظريته رياضية وميكانيكية في نفس الوقت: احتوت على مبدأ الحفاظ على الحرارة الذي فُهم لاحقاً كمثيل على الحفاظ على الطاقة وحتى تضمنت المفهوم بدون التسمية للمكافئ الميكانيكي للحرارة.
كثافة الأرض
بعد وفاة والده، اشترى Henry منزلاً آخر في المدينة وأيضاً منزلاً في Clapham Common تم بناؤه بواسطة Thomas Cubitt، في ذلك الوقت جنوب London. احتوى منزل London على الجزء الأكبر من مكتبته، بينما احتفظ بمعظم أدواته في Clapham Common، حيث أجرى معظم تجاربه. أشهر تلك التجارب، المنشورة في 1798، كانت لتحديد كثافة الأرض وأصبحت معروفة باسم تجربة كافندش. الجهاز الذي استخدمه كافندش لوزن الأرض كان تعديلاً لميزان الالتواء المبني من قبل الجيولوجي الإنجليزي John Michell، الذي مات قبل أن يتمكن من البدء في التجربة. تم إرسال الجهاز في صناديق إلى كافندش، الذي أكمل التجربة في 1797–1798 ونشر النتائج.
تتكون الأجهزة التجريبية من ميزان التواء مع زوج من كرات الرصاص بحجم 2 بوصة بوزن 1.61 رطل معلقة من ذراع ميزان التواء وكرتان رصاصيتان ثابتتان أكبر بكثير بوزن 350 رطل. كان ينوي كافندش قياس قوة الجذب الثقالي بين الاثنين. لاحظ أن جهاز Michell سيكون حساساً لاختلافات درجات الحرارة والتيارات الهوائية المستحثة، لذلك أجرى تعديلات بعزل الجهاز في غرفة منفصلة مع عناصر تحكم خارجية وتلسكوبات لإجراء الملاحظات.
باستخدام هذا المعدات، حسب كافندش الجاذبية بين الكرات من فترة تذبذب ميزان الالتواء، ثم استخدم هذه القيمة لحساب كثافة الأرض. وجد كافندش أن متوسط كثافة الأرض يبلغ 5.48 مرة أكبر من كثافة الماء. لاحظ John Henry Poynting لاحقاً أن البيانات كان يجب أن تؤدي إلى قيمة 5.448، وفي الواقع هي متوسط القيمة من تسعة وعشرين تحديداً شملها كافندش في ورقته. ما كان استثنائياً في تجربة كافندش هو إزالتها لكل مصدر خطأ وكل عامل يمكن أن يزعج التجربة، ودقتها في قياس جاذبية صغيرة بشكل مذهل، مجرد 1/50,000,000 من وزن كرات الرصاص. النتيجة التي حصل عليها كافندش لكثافة الأرض تقع ضمن 1 بالمائة من الرقم المقبول حال
