Cavendish hielt sich nicht in stolzer oder herablassender Gesinnung von anderen Menschen fern und weigerte sich, sie als seinesgleichen zu betrachten. Er fühlte sich durch einen großen Abgrund von ihnen getrennt, den weder sie noch er überbrücken konnten, und über den es vergeblich war, Hände auszustrecken oder Grüße auszutauschen. Ein Gefühl der Isolation von seinen Brüdern ließ ihn vor ihrer Gesellschaft zurückschrecken und ihre Gegenwart meiden, aber er tat dies als einer, der sich einer Schwachheit bewusst war, nicht als einer, der sich einer Vortrefflichkeit rühmte.
Henry Cavendish war ein englischer Naturphilosoph, Wissenschaftler und ein bedeutender experimenteller und theoretischer Chemiker und Physiker. Er ist bekannt für seine Entdeckung von Wasserstoff, den er „brennbare Luft" nannte. Er beschrieb die Dichte der brennbaren Luft, die bei der Verbrennung Wasser bildete, in einem Papier von 1766, On Factitious Airs. Antoine Lavoisier reproduzierte später Cavendishs Experiment und gab dem Element seinen Namen.
Ein notorisch schüchterner Mann, war Cavendish dennoch für große Genauigkeit und Präzision in seinen Untersuchungen zur Zusammensetzung der atmosphärischen Luft, zu den Eigenschaften verschiedener Gase, zur Synthese von Wasser, zum Gesetz der elektrischen Anziehung und Abstoßung, zu einer mechanischen Wärmetheorie und zu Berechnungen der Dichte und damit der Masse der Erde bekannt. Sein Experiment zur Messung der Dichte der Erde ist als das Cavendish-Experiment bekannt geworden.
Biografie
Frühes Leben
Henry Cavendish wurde am 10. Oktober 1731 in Nice geboren, wo sich seine Familie zu dieser Zeit aufhielt. Seine Mutter war Lady Anne de Grey, vierte Tochter von Henry Grey, 1. Duke of Kent, und sein Vater war Lord Charles Cavendish, der dritte Sohn von William Cavendish, 2. Duke of Devonshire. Die Familie verfolgte ihre Abstammung über acht Jahrhunderte bis in die Normannenzeit zurück und war eng mit vielen aristokratischen Familien Großbritanniens verbunden. Henrys Mutter starb 1733, drei Monate nach der Geburt ihres zweiten Sohnes Frederick, und kurz vor Henrys zweitem Geburtstag, woraufhin Lord Charles Cavendish seine beiden Söhne großzog. Henry Cavendish trug den Titel „The Honourable Henry Cavendish".
Ab dem Alter von 11 Jahren besuchte Henry die Newcome's School, eine private Schule in der Nähe von London. Im Alter von 18 Jahren trat er am 24. November 1748 in das St Peter's College der University of Cambridge ein, das heute als Peterhouse bekannt ist, verließ es aber drei Jahre später am 23. Februar 1751 ohne einen Abschluss, was damals üblich war. Anschließend lebte er mit seinem Vater in London, wo er bald sein eigenes Labor hatte.
Lord Charles Cavendish verbrachte sein Leben zunächst in der Politik und dann zunehmend in der Wissenschaft, besonders in der Royal Society of London. 1758 nahm er Henry zu Treffen der Royal Society und auch zu Abendessen des Royal Society Club mit. 1760 wurde Henry Cavendish in beide Gruppen gewählt, und er war danach eifrig bei den Treffen anwesend. Er beteiligte sich kaum an der Politik, sondern folgte seinem Vater in der Wissenschaft durch seine Forschungen und seine Teilnahme an wissenschaftlichen Organisationen. Er war im Rat der Royal Society of London aktiv, in den er 1765 gewählt wurde.
Sein Interesse und seine Expertise in der Verwendung wissenschaftlicher Instrumente führten dazu, dass er einen Ausschuss zur Überprüfung der meteorologischen Instrumente der Royal Society leitete und half, die Instrumente der Royal Greenwich Observatory zu bewerten. Sein erstes Papier, Factitious Airs, erschien 1766. Weitere Ausschüsse, in denen er tätig war, waren der Papierausschuss, der die Papiere zur Veröffentlichung in den Philosophical Transactions der Royal Society auswählte, sowie die Ausschüsse für den Transit der Venus 1769, für die gravitationale Anziehung von Bergen 1774 und für die wissenschaftlichen Anweisungen für Constantine Phipps' Expedition 1773 in Suche nach dem Nordpol und der Nordwestpassage. 1773 trat Henry seinem Vater als gewählter Treuhänder des British Museum bei, dem er viel Zeit und Mühe widmete. Bald nachdem das Royal Institution of Great Britain gegründet wurde, wurde Cavendish 1800 Manager und nahm ein aktives Interesse, besonders im Labor, wo er Humphry Davys chemische Experimente beobachtete und unterstützte.
Chemieforschung
Um die Zeit des Todes seines Vaters begann Cavendish, eng mit Charles Blagden zusammenzuarbeiten, eine Verbindung, die Blagden half, vollständig in Londons wissenschaftliche Gesellschaft einzutreten. Im Gegenzug half Blagden, die Welt auf Abstand von Cavendish zu halten. Cavendish veröffentlichte keine Bücher und nur wenige Papiere, aber er erreichte viel. Mehrere Forschungsbereiche, darunter Mechanik, Optik und Magnetismus, treten in seinen Manuskripten umfangreich auf, aber in seinen veröffentlichten Arbeiten kaum. Cavendish wird als einer der sogenannten pneumatischen Chemiker des achtzehnten und neunzehnten Jahrhunderts angesehen, zusammen mit beispielsweise Joseph Priestley, Joseph Black und Daniel Rutherford. Cavendish fand heraus, dass ein bestimmtes, eigenartiges und hochentzündliches Gas, das er als „brennbare Luft" bezeichnete, durch die Einwirkung bestimmter Säuren auf bestimmte Metalle erzeugt wurde. Dieses Gas war Wasserstoff, von dem Cavendish richtig vermutete, dass er in einem Verhältnis von zwei zu eins in Wasser vorhanden war.
Obwohl andere, wie Robert Boyle, Wasserstoffgas früher hergestellt hatten, wird Cavendish normalerweise das Verdienst zugeschrieben, seine elementare Natur erkannt zu haben. 1777 entdeckte Cavendish, dass von Säugetieren ausgeatmete Luft in „fixe Luft" Kohlendioxid umgewandelt wird, nicht in „phlogistierte Luft", wie von Joseph Priestley vorhergesagt. Auch durch das Auflösen von Alkalien in Säuren erzeugte Cavendish Kohlendioxid, das er zusammen mit anderen Gasen in Flaschen sammelte, die über Wasser oder Quecksilber umgekehrt waren. Er maß dann ihre Löslichkeit in Wasser und ihr spezifisches Gewicht und notierte ihre Brennbarkeit. Er schloss in seinem Papier von 1778 „General Considerations on Acids", dass atembare Luft Azidität ausmacht. Cavendish erhielt die Copley Medal der Royal Society für dieses Papier. Gaschemie war in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts von zunehmender Bedeutung und wurde für die Chemie-Reform des Franzosen Antoine-Laurent Lavoisier, allgemein als chemische Revolution bekannt, entscheidend.
1783 veröffentlichte Cavendish ein Papier zur Eudiometrie, der Messung der Eignung von Gasen zum Atmen. Er beschrieb ein neues Eudiometer seiner Erfindung, mit dem er die besten Ergebnisse bis dahin erzielte, indem er eine in anderen Händen ungenaue Methode zur Messung von Gasen durch Wiegen verwendete. Dann, nach einer Wiederholung eines 1781 von Priestley durchgeführten Experiments, veröffentlichte Cavendish ein Papier über die Herstellung von reinem Wasser durch Verbrennung von Wasserstoff in „entphlogistierter Luft" Luft im Verbrennungsprozess, die heute als Sauerstoff bekannt ist. Cavendish kam zu dem Ergebnis, dass die Verbrennung von Wasserstoff nicht synthetisiert wird, sondern Wasser aus der Luft kondensiert. Einige Physiker interpretierten Wasserstoff als reinen Phlogiston. Cavendish berichtete seine Ergebnisse Priestley spätestens im März 1783, veröffentlichte sie aber erst im folgenden Jahr. Der schottische Erfinder James Watt veröffentlichte 1783 ein Papier über die Zusammensetzung von Wasser; ein Streit darüber entstand, wer die Entdeckung zuerst machte.
1785 untersuchte Cavendish die Zusammensetzung der gemeinen, also atmosphärischen Luft und erzielte beeindruckend genaue Ergebnisse. Er führte Experimente durch, bei denen Wasserstoff und gewöhnliche Luft in bekannten Verhältnissen kombiniert und dann mit einem Funken Elektrizität gezündet wurden. Darüber hinaus beschrieb er auch ein Experiment, in dem er es schaffte, in moderner Terminologie sowohl Sauerstoff- als auch Stickstoffgase aus einer Luftprobe zu entfernen, bis nur noch eine kleine Blase unreaktiven Gases in der ursprünglichen Probe verbleibend war. Mit seinen Beobachtungen stellte Cavendish fest, dass, nachdem er die Mengen phlogistierter Luft Stickstoff und entphlogistierter Luft Sauerstoff bestimmt hatte, ein Gasvolumen verbleibend war, das 1/120 des ursprünglichen Stickstoffvolumens ausmachte. Durch sorgfältige Messungen kam er zu dem Ergebnis, dass „gemeinsame Luft aus einem Teil entphlogistierter Luft besteht".
In den 1890er Jahren, etwa 100 Jahre später, erkannten zwei britische Physiker, William Ramsay und Lord Rayleigh, dass ihr neu entdecktes Edelgas Argon für Cavendishs problematisches Residuum verantwortlich war; er hatte keinen Fehler gemacht. Was er getan hatte, war, rigorose quantitative Experimente mit standardisierten Instrumenten und Methoden durchzuführen, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen; den Mittelwert der Ergebnisse mehrerer Experimente zu nehmen; und Fehlerquellen zu identifizieren und zu berücksichtigen. Die Waage, die er verwendete, hergestellt von einem Handwerker namens Harrison, war die erste der Präzisionswaagen des 18. Jahrhunderts und so genau wie Lavoisiers, die auf etwa ein Teil in 400.000 geschätzt wird. Cavendish arbeitete mit seinen Instrumentenmachern zusammen, wobei er im Allgemeinen bestehende Instrumente verbesserte, anstatt völlig neue zu erfinden.
Cavendish verwendete wie oben angegeben die Sprache der alten Phlogiston-Theorie in der Chemie. 1787 wurde er einer der ersten außerhalb Frankreichs, der sich zur neuen antiphlogistischen Theorie von Lavoisier bekehrte, obwohl er skeptisch gegenüber der Nomenklatur der neuen Theorie blieb. Er war auch gegen Lavoisiers Identifikation von Wärme als materieller oder elementarer Basis. Im Rahmen des Newtonschen Mechanismus hatte Cavendish das Problem der Natur der Wärme in den 1760er Jahren angegriffen und Wärme als das Ergebnis der Bewegung von Materie erklärt.
1783 veröffentlichte er ein Papier über die Temperatur, bei der Quecksilber gefriert, und verwendete in diesem Papier die Idee der latenten Wärme, obwohl er den Begriff nicht verwendete, da er glaubte, dass dieser die Annahme einer materiellen Wärmetheorie implizierte. Er machte seine Einwände in seinem Papier von 1784 über Luft explizit. Er entwickelte weiter eine allgemeine Wärmetheorie, und das Manuskript dieser Theorie lässt sich überzeugend auf die späten 1780er Jahre datieren. Seine Theorie war zugleich mathematisch und mechanisch: Sie enthielt das Prinzip der Wärmeerhaltung, das später als Beispiel für Energieerhaltung verstanden wurde, und schloss sogar das Konzept, wenn auch nicht das Label, des mechanischen Wärmeäquivalents ein.
Dichte der Erde
Nach dem Tod seines Vaters kaufte Henry ein weiteres Haus in der Stadt und auch ein Haus in Clapham Common, das von Thomas Cubitt gebaut wurde, zu dieser Zeit südlich von London. Das Londoner Haus enthielt den Großteil seiner Bibliothek, während er die meisten seiner Instrumente in Clapham Common aufbewahrte, wo er die meisten seiner Experimente durchführte. Das berühmteste dieser Experimente, 1798 veröffentlicht, war die Bestimmung der Dichte der Erde und wurde als das Cavendish-Experiment bekannt. Der Apparat, den Cavendish zur Wägung der Erde verwendete, war eine Modifikation der Torsionswaage, die vom Engländer und Geologen John Michell gebaut wurde, der starb, bevor er das Experiment beginnen konnte. Der Apparat wurde in Kisten zu Cavendish verschickt, der das Experiment 1797–1798 durchführte und die Ergebnisse veröffentlichte.
Der experimentelle Apparat bestand aus einer Torsionswaage mit einem Paar 2-Zoll-Bleikugeln von 1,61 Pfund, die von einem Torsionswaagen-Arm aufgehängt waren, und zwei viel größeren stationären Bleikugeln von 350 Pfund. Cavendish beabsichtigte, die Kraft der Gravitationsanziehung zwischen den beiden zu messen. Er bemerkte, dass Michells Apparat empfindlich gegenüber Temperaturdifferenzen und induzierten Luftströmungen sein würde, daher nahm er Modifikationen vor, indem er den Apparat in einem separaten Raum mit externen Kontrollen und Teleskopen zur Beobachtung isolierte.
Mit dieser Ausrüstung berechnete Cavendish die Anziehung zwischen den Kugeln aus der Oszillationsperiode der Torsionswaage und verwendete dann diesen Wert, um die Dichte der Erde zu berechnen. Cavendish fand heraus, dass die durchschnittliche Dichte der Erde 5,48 Mal größer ist als die von Wasser. John Henry Poynting stellte später fest, dass die Daten zu einem Wert von 5,448 führen sollten, und tatsächlich ist das der Durchschnittswert der neunundzwanzig Bestimmungen, die Cavendish in sein Papier aufnahm. Was außergewöhnlich an Cavendishs Experiment war, war die Beseitigung jeder Fehlerquelle und jeden Faktors, der das Experiment stören könnte, und seine Präzision bei der Messung einer erstaunlich kleinen Anziehung, nur 1/50.000.000 des Gewichts der Bleikugeln. Das Ergebnis, das Cavendish für die Dichte der Erde erhielt, liegt innerhalb von 1 Prozent der derzeit akzeptierten Zahl.
Cavendishs Arbeit führte andere zu genauen Werten für die Gravitationskonstante G und die Erdmasse. Basierend auf seinen Ergebnissen kann man einen Wert für G von 6,754 × 10−11N-m2/kg2 berechnen, was günstig mit dem modernen Wert von 6,67428 × 10−11N-m2/kg2 vergleichbar ist.
Bücher beschreiben Cavendishs Arbeit oft als Messung entweder von G oder der Erdmasse. Da diese durch ein triviales Netz algebraischer Beziehungen mit der Erddichte verbunden sind, sind keine dieser Quellen falsch, aber sie stimmen nicht mit der genauen Wortwahlwahl von Cavendish überein, und dieser Fehler wurde von mehreren Autoren hingewiesen. Cavendishs erklärtes Ziel war die Messung der Erddichte, obwohl sein Ergebnis offensichtlich G berechnet, um dies zu tun.
Das erste Mal, dass die Konstante diesen Namen erhielt, war 1873, fast 100 Jahre nach dem Cavendish-Experiment, aber die Konstante war seit der Zeit von Newton in Gebrauch. Cavendishs Ergebnisse geben auch die Erdmasse an.
Elektrizitätsforschung
Cavendishs elektrische und chemische Experimente begannen wie bei der Wärme, während er mit seinem Vater in einem Labor in ihrem Londoner Haus lebte. Lord Charles Cavendish starb 1783 und hinterließ seinen fast vollständigen großen Nachlass Henry. Wie seine Wärmetheorie war Cavendishs umfassende Theorie der Elektrizität mathematischer Form und basierte auf präzisen quantitativen Experimenten.
