Cavendish ne se tenait pas à l'écart des autres hommes dans un esprit d'orgueil ou de suffisance, refusant de les compter parmi ses égaux. Il se sentait séparé d'eux par un grand fossé que ni eux ni lui ne pouvaient franchir, et à travers lequel il était vain de tendre les mains ou d'échanger des salutations. Un sentiment d'isolement vis-à-vis de ses frères le faisait se dérober à leur société et éviter leur présence, mais il le faisait en homme conscient d'une infirmité, non en se glorifiant d'une excellence.
Henry Cavendish était un philosophe naturel anglais, scientifique, et un important chimiste et physicien expérimental et théorique. Il est connu pour sa découverte de l'hydrogène, qu'il appelait « air inflammable ». Il a décrit la densité de l'air inflammable, qui formait de l'eau lors de la combustion, dans un article de 1766, On Factitious Airs. Antoine Lavoisier a reproduit plus tard l'expérience de Cavendish et a donné à l'élément son nom.
Homme notoirement timide, Cavendish s'est néanmoins distingué par sa grande précision et son exactitude dans ses recherches sur la composition de l'air atmosphérique, les propriétés des différents gaz, la synthèse de l'eau, la loi régissant l'attraction et la répulsion électriques, une théorie mécanique de la chaleur, et les calculs de la densité et donc de la masse de la Terre. Son expérience pour mesurer la densité de la Terre est devenue connue sous le nom d'expérience de Cavendish.
Biographie
Jeunesse
Henry Cavendish est né le 10 octobre 1731 à Nice, où sa famille résidait à cette époque. Sa mère était Lady Anne de Grey, quatrième fille de Henry Grey, 1er duc de Kent, et son père était Lord Charles Cavendish, le troisième fils de William Cavendish, 2e duc de Devonshire. La famille retraçait sa lignée sur huit siècles jusqu'à l'époque normande, et était étroitement liée à de nombreuses familles aristocratiques de Grande-Bretagne. La mère d'Henry est décédée en 1733, trois mois après la naissance de son deuxième fils, Frederick, et peu avant le deuxième anniversaire d'Henry, laissant Lord Charles Cavendish élever ses deux fils. Henry Cavendish était désigné sous le titre de « The Honourable Henry Cavendish ».
À partir de l'âge de 11 ans, Henry a fréquenté la Newcome's School, une école privée près de Londres. À l'âge de 18 ans, le 24 novembre 1748, il est entré à l'université de Cambridge au St Peter's College, aujourd'hui connu sous le nom de Peterhouse, mais l'a quitté trois ans plus tard, le 23 février 1751, sans obtenir de diplôme à cette époque, une pratique courante. Il a alors vécu avec son père à Londres, où il a bientôt eu son propre laboratoire.
Lord Charles Cavendish a consacré sa vie d'abord à la politique, puis de plus en plus à la science, en particulier à la Royal Society of London. En 1758, il a emmené Henry aux réunions de la Royal Society et aussi aux dîners du Royal Society Club. En 1760, Henry Cavendish a été élu à ces deux groupes, et il a été assidu dans sa participation par la suite. Il n'a pratiquement participé à aucune politique, mais a suivi son père dans la science, par ses recherches et sa participation à des organisations scientifiques. Il était actif au Conseil de la Royal Society of London auquel il a été élu en 1765.
Son intérêt et son expertise dans l'utilisation d'instruments scientifiques l'ont conduit à diriger un comité pour examiner les instruments météorologiques de la Royal Society et à aider à évaluer les instruments du Royal Greenwich Observatory. Son premier article, Factitious Airs, a été publié en 1766. Les autres comités auxquels il a participé comprenaient le comité des articles, qui choisissait les articles pour publication dans les Philosophical Transactions de la Royal Society, et les comités pour le transit de Vénus en 1769, pour l'attraction gravitationnelle des montagnes en 1774, et pour les instructions scientifiques pour l'expédition de Constantine Phipps en 1773 à la recherche du Pôle Nord et du passage du Nord-Ouest. En 1773, Henry a rejoint son père en tant que fiduciaire élu du British Museum, auquel il a consacré beaucoup de temps et d'efforts. Peu après la création de la Royal Institution of Great Britain, Cavendish devint gestionnaire en 1800 et prit un intérêt actif, en particulier au laboratoire, où il observa et aida aux expériences chimiques de Humphry Davy.
Recherches en chimie
À peu près au moment de la mort de son père, Cavendish a commencé à travailler étroitement avec Charles Blagden, une association qui a aidé Blagden à entrer pleinement dans la société scientifique de Londres. En retour, Blagden a aidé à tenir le monde à distance de Cavendish. Cavendish n'a publié aucun livre et peu d'articles, mais il a réalisé beaucoup de choses. Plusieurs domaines de recherche, notamment la mécanique, l'optique et le magnétisme, figurent largement dans ses manuscrits, mais ils figurent à peine dans ses travaux publiés. Cavendish est considéré comme l'un des soi-disant chimistes pneumatiques des dix-huitième et dix-neuvième siècles, aux côtés de, par exemple, Joseph Priestley, Joseph Black et Daniel Rutherford. Cavendish a découvert qu'un gaz défini, particulier et hautement inflammable, qu'il appelait « air inflammable », était produit par l'action de certains acides sur certains métaux. Ce gaz était l'hydrogène, que Cavendish devinait correctement être proportionné deux pour un dans l'eau.
Bien que d'autres, comme Robert Boyle, aient préparé du gaz hydrogène plus tôt, Cavendish est généralement crédité de la reconnaissance de sa nature élémentaire. En 1777, Cavendish a découvert que l'air exhalé par les mammifères est converti en « air fixe » dioxyde de carbone, non en « air phlogistiqué » comme prédit par Joseph Priestley. De plus, en dissolvant des alcalis dans des acides, Cavendish a produit du dioxyde de carbone, qu'il a collecté, avec d'autres gaz, dans des bouteilles inversées sur l'eau ou le mercure. Il a ensuite mesuré leur solubilité dans l'eau et leur densité spécifique, et noté leur inflammabilité. Il a conclu dans son article de 1778 « General Considerations on Acids » que l'air respirable constitue l'acidité. Cavendish a reçu la médaille Copley de la Royal Society pour cet article. La chimie des gaz revêtait une importance croissante dans la seconde moitié du 18e siècle, et devint crucial pour la réforme de la chimie par le Français Antoine-Laurent Lavoisier, généralement connue sous le nom de révolution chimique.
En 1783, Cavendish a publié un article sur l'eudiomètrie, la mesure de la qualité des gaz pour la respiration. Il a décrit un nouvel eudiomètre de son invention, avec lequel il a obtenu les meilleurs résultats à ce jour, en utilisant ce qui, entre d'autres mains, avait été la méthode inexacte de mesurer les gaz en les pesant. Ensuite, après la répétition d'une expérience de 1781 réalisée par Priestley, Cavendish a publié un article sur la production d'eau pure en brûlant l'hydrogène dans « l'air déphlogistiqué » l'air dans le processus de combustion, maintenant connu pour être l'oxygène. Cavendish a conclu que plutôt que d'être synthétisée, la combustion de l'hydrogène a causé la condensation de l'eau à partir de l'air. Certains physiciens ont interprété l'hydrogène comme du phlogiston pur. Cavendish a rapporté ses découvertes à Priestley au plus tard en mars 1783, mais ne les a publiées que l'année suivante. L'inventeur écossais James Watt a publié un article sur la composition de l'eau en 1783 ; une controverse sur qui avait fait la découverte en premier a suivi.
En 1785, Cavendish a enquêté sur la composition de l'air commun, c'est-à-dire atmosphérique, en obtenant des résultats d'une précision impressionnante. Il a mené des expériences dans lesquelles l'hydrogène et l'air ordinaire ont été combinés dans des proportions connues, puis explosés avec une étincelle d'électricité. De plus, il a également décrit une expérience dans laquelle il a pu supprimer, en terminologie moderne, les gaz oxygène et azote d'un échantillon d'air atmosphérique jusqu'à ce qu'il ne reste qu'une petite bulle de gaz non réactif dans l'échantillon original. En utilisant ses observations, Cavendish a observé que, une fois qu'il avait déterminé les quantités d'air phlogistiqué azote et d'air déphlogistiqué oxygène, il restait un volume de gaz s'élevant à 1/120 du volume original d'azote. Par des mesures soignées, il a conclu que « l'air commun consiste en une partie d'air déphlogistiqué ».
Dans les années 1890, environ 100 ans plus tard, deux physiciens britanniques, William Ramsay et Lord Rayleigh, ont réalisé que leur gaz inerte nouvellement découvert, l'argon, était responsable du résidu problématique de Cavendish ; il n'avait pas commis d'erreur. Ce qu'il avait fait, c'était effectuer des expériences quantitatives rigoureuses, utilisant des instruments et des méthodes standardisés, visant à des résultats reproductibles ; prendre la moyenne du résultat de plusieurs expériences ; et identifier et tenir compte des sources d'erreur. La balance qu'il utilisait, fabriquée par un artisan nommé Harrison, était la première des balances de précision du 18e siècle, et aussi précise que celle de Lavoisier, dont on estime qu'elle mesurait une partie sur 400 000. Cavendish a travaillé avec ses fabricants d'instruments, améliorant généralement les instruments existants plutôt que d'en inventer de tout nouveaux.
Cavendish, comme indiqué ci-dessus, utilisait le langage de l'ancienne théorie du phlogiston en chimie. En 1787, il devint l'un des premiers en dehors de la France à se convertir à la nouvelle théorie antiphlogistique de Lavoisier, bien qu'il restât sceptique quant à la nomenclature de la nouvelle théorie. Il s'opposait également à l'identification par Lavoisier de la chaleur comme ayant une base matérielle ou élémentaire. Travaillant dans le cadre du mécanisme newtonien, Cavendish avait abordé le problème de la nature de la chaleur dans les années 1760, expliquant la chaleur comme le résultat du mouvement de la matière.
En 1783, il a publié un article sur la température à laquelle le mercure gèle et dans cet article, il a utilisé l'idée de chaleur latente, bien qu'il n'ait pas utilisé le terme parce qu'il croyait que cela impliquait l'acceptation d'une théorie matérielle de la chaleur. Il a explicité ses objections dans son article de 1784 sur l'air. Il a continué à développer une théorie générale de la chaleur, et le manuscrit de cette théorie a été persuasivement daté à la fin des années 1780. Sa théorie était à la fois mathématique et mécanique : elle contenait le principe de la conservation de la chaleur, plus tard compris comme une instance de conservation de l'énergie, et incluait même le concept, bien que non étiqueté, de l'équivalent mécanique de la chaleur.
Densité de la Terre
Après la mort de son père, Henry a acheté une autre maison en ville et aussi une maison à Clapham Common construite par Thomas Cubitt, qui était à cette époque au sud de Londres. La maison de Londres contenait l'essentiel de sa bibliothèque, tandis qu'il gardait la plupart de ses instruments à Clapham Common, où il a mené la plupart de ses expériences. La plus célèbre de ces expériences, publiée en 1798, visait à déterminer la densité de la Terre et devint connue sous le nom d'expérience de Cavendish. L'appareil que Cavendish a utilisé pour peser la Terre était une modification de la balance de torsion construite par l'Anglais et géologue John Michell, qui est décédé avant de pouvoir commencer l'expérience. L'appareil a été envoyé en caisses à Cavendish, qui a terminé l'expérience en 1797–1798 et a publié les résultats.
L'appareil expérimental consistait en une balance de torsion avec une paire de sphères de plomb de 2 pouces pesant 1,61 livre suspendues au bras d'une balance de torsion et deux boules de plomb stationnaires beaucoup plus grandes de 350 livres. Cavendish voulait mesurer la force d'attraction gravitationnelle entre les deux. Il a remarqué que l'appareil de Michell serait sensible aux différences de température et aux courants d'air induits, il a donc apporté des modifications en isolant l'appareil dans une pièce séparée avec des commandes externes et des télescopes pour faire des observations.
En utilisant cet équipement, Cavendish a calculé l'attraction entre les boules à partir de la période d'oscillation de la balance de torsion, puis il a utilisé cette valeur pour calculer la densité de la Terre. Cavendish a constaté que la densité moyenne de la Terre est 5,48 fois plus grande que celle de l'eau. John Henry Poynting a noté plus tard que les données auraient dû conduire à une valeur de 5,448, et c'est en effet la valeur moyenne des vingt-neuf déterminations que Cavendish a incluses dans son article. Ce qui était extraordinaire dans l'expérience de Cavendish, c'était l'élimination de chaque source d'erreur et de chaque facteur qui pouvait déranger l'expérience, et sa précision dans la mesure d'une attraction étonnamment faible, ne représentant que 1/50 000 000 du poids des boules de plomb. Le résultat que Cavendish a obtenu pour la densité de la Terre est à moins de 1 pour cent de la valeur actuellement acceptée.
Le travail de Cavendish a conduit d'autres à des valeurs précises pour la constante gravitationnelle G et la masse de la Terre. Sur la base de ses résultats, on peut calculer une valeur pour G de 6,754 × 10−11N-m2/kg2, qui se compare favorablement avec la valeur moderne de 6,67428 × 10−11N-m2/kg2.
Les livres décrivent souvent le travail de Cavendish comme une mesure soit de G soit de la masse de la Terre. Puisque ceux-ci sont liés à la densité de la Terre par un filet banal de relations algébriques, aucune de ces sources n'est fausse, mais elles ne correspondent pas au choix exact des mots de Cavendish, et cette erreur a été signalée par plusieurs auteurs. L'objectif déclaré de Cavendish était de mesurer la densité de la Terre, bien que son résultat calcule clairement G pour le faire.
La première fois que la constante a reçu ce nom, c'était en 1873, près de 100 ans après l'expérience de Cavendish, mais la constante a été utilisée depuis l'époque de Newton. Les résultats de Cavendish donnent également la masse de la Terre.
Recherches électriques
Les expériences électriques et chimiques de Cavendish, comme celles sur la chaleur, avaient commencé alors qu'il vivait avec son père dans un laboratoire de leur maison de Londres. Lord Charles Cavendish est décédé en 1783, léguant presque la totalité de sa succession très substantielle à Henry. Comme sa théorie de la chaleur, la théorie complète de l'électricité de Cavendish était de forme mathématique et était basée sur des expériences quantitatives précises
