Кавендиш не держался в стороне от других людей с гордым или высокомерным духом, отказываясь считать их своими равными. Он чувствовал себя отделённым от них огромной пропастью, которую ни они, ни он не могли преодолеть, и через которую было тщетно протягивать руки или обмениваться приветствиями. Чувство изоляции от своих братьев заставляло его избегать их общества и уклоняться от их присутствия, но он делал это как человек, осознающий свою немощь, а не хвастающийся своим превосходством.
Henry Cavendish был английским натурфилософом, учёным и важным экспериментальным и теоретическим химиком и физиком. Он известен своим открытием водорода, который он назвал «горючим воздухом». Он описал плотность горючего воздуха, который образует воду при сгорании, в статье 1766 года «On Factitious Airs». Antoine Lavoisier позже воспроизвёл эксперимент Кавендиша и дал элементу его название.
Кавендиш был известным застенчивым человеком, однако он отличался большой точностью и аккуратностью в своих исследованиях композиции атмосферного воздуха, свойств различных газов, синтеза воды, закона, управляющего электрическим притяжением и отталкиванием, механической теории тепла и расчётов плотности и, следовательно, массы Земли. Его эксперимент по измерению плотности Земли стал известен как эксперимент Кавендиша.
Биография
Ранняя жизнь
Henry Cavendish родился 10 октября 1731 года в Nice, где его семья проживала в то время. Его мать была Lady Anne de Grey, четвёртой дочерью Henry Grey, 1st Duke of Kent, а его отец был Lord Charles Cavendish, третьим сыном William Cavendish, 2nd Duke of Devonshire. Семья прослеживала свою родословную на протяжении восьми столетий до норманнских времён и была тесно связана со многими аристократическими семьями Великобритании. Мать Генри умерла в 1733 году, через три месяца после рождения её второго сына Фредерика, и вскоре после второго дня рождения Генри, оставив Lord Charles Cavendish воспитывать своих двух сыновей. Henry Cavendish был стилизован как «The Honourable Henry Cavendish».
С одиннадцати лет Генри посещал Newcome's School, частную школу недалеко от Лондона. В возрасте 18 лет 24 ноября 1748 года он поступил в Кембриджский университет в St Peter's College, ныне известный как Peterhouse, но уехал три года спустя 23 февраля 1751 года без получения степени в то время, что было обычной практикой. Затем он жил со своим отцом в Лондоне, где вскоре устроил свою собственную лабораторию.
Lord Charles Cavendish посвятил свою жизнь сначала политике, а затем всё больше науке, особенно в Royal Society of London. В 1758 году он привёл Генри на заседания Royal Society и также на обеды Royal Society Club. В 1760 году Henry Cavendish был избран в обе эти организации, и после этого он постоянно их посещал. Он практически не участвовал в политике, но последовал за своим отцом в науку через свои исследования и участие в научных организациях. Он был активен в Совете Royal Society of London, в который был избран в 1765 году.
Его интерес и знания в использовании научных инструментов привели к тому, что он возглавил комитет по проверке метеорологических инструментов Royal Society и помог оценить инструменты Royal Greenwich Observatory. Его первая статья «Factitious Airs» появилась в 1766 году. Другие комитеты, в которых он работал, включали комитет по статьям, который выбирал статьи для публикации в Philosophical Transactions of the Royal Society, и комитеты для прохождения Венеры 1769 года, для гравитационного притяжения гор 1774 года и для научных инструкций экспедиции Constantine Phipps 1773 года в поисках Северного полюса и Северо-Западного прохода. В 1773 году Генри присоединился к своему отцу в качестве избранного попечителя British Museum, которому посвятил немало времени и усилий. Вскоре после создания Royal Institution of Great Britain Кавендиш стал руководителем в 1800 году и проявлял активный интерес, особенно в лаборатории, где наблюдал и помогал в химических экспериментах Humphry Davy.
Химические исследования
Примерно в то время смерти своего отца Кавендиш начал тесно работать с Charles Blagden, сотрудничество, которое помогло Blagden полностью вступить в лондонское научное общество. В свою очередь, Blagden помогал держать мир на расстоянии от Кавендиша. Кавендиш не опубликовал никаких книг и мало статей, но достиг многого. Несколько областей исследований, включая механику, оптику и магнетизм, широко представлены в его рукописях, но они почти не представлены в его опубликованных работах. Кавендиш считается одним из так называемых пневматических химиков восемнадцатого и девятнадцатого веков, наряду с, например, Joseph Priestley, Joseph Black и Daniel Rutherford. Кавендиш обнаружил, что определённый, своеобразный и чрезвычайно горючий газ, который он называл «Горючим воздухом», производился действием определённых кислот на определённые металлы. Этот газ был водородом, который Кавендиш правильно предположил, находился в пропорции два к одному в воде.
Хотя другие, такие как Robert Boyle, готовили водородный газ ранее, Кавендишу обычно приписывают признание его элементарной природы. В 1777 году Кавендиш обнаружил, что воздух, выдыхаемый млекопитающими, преобразуется в «фиксированный воздух» углекислый газ, а не «флогистированный воздух», как предсказывал Joseph Priestley. Кроме того, растворяя щёлочи в кислотах, Кавендиш производил углекислый газ, который собирал вместе с другими газами в бутылки, перевёрнутые над водой или ртутью. Затем он измерил их растворимость в воде и их удельный вес и отметил их горючесть. Он пришёл к выводу в своей статье 1778 года «General Considerations on Acids», что дыхательный воздух составляет кислотность. Кавендиш был награждён медалью Copley Medal Royal Society за эту статью. Газовая химия имела всё возрастающее значение во второй половине 18-го века и стала решающей для реформы химии французом Antoine-Laurent Lavoisier, широко известной как химическая революция.
В 1783 году Кавендиш опубликовал статью по эудиометрии — измерению пригодности газов для дыхания. Он описал новый эудиометр собственного изобретения, с помощью которого достиг лучших на то время результатов, используя тот, что в других руках был неточным методом измерения газов путём их взвешивания. Затем, после повторения эксперимента 1781 года, проведённого Priestley, Кавендиш опубликовал статью о производстве чистой воды путём сжигания водорода в «дефлогистированном воздухе» — воздухе в процессе сгорания, теперь известном как кислород. Кавендиш пришёл к выводу, что сгорание водорода вызывало конденсацию воды из воздуха, а не её синтез. Некоторые физики интерпретировали водород как чистый флогистон. Кавендиш сообщил о своих выводах Priestley не позднее марта 1783 года, но не опубликовал их до следующего года. Шотландский изобретатель James Watt опубликовал статью о композиции воды в 1783 году; последовала полемика о том, кто первым сделал открытие.
В 1785 году Кавендиш исследовал композицию обычного, то есть атмосферного воздуха, получив впечатляюще точные результаты. Он проводил эксперименты, в которых водород и обычный воздух объединялись в известных пропорциях, а затем взрывались электрической искрой. Кроме того, он также описал эксперимент, в котором ему удалось удалить, используя современную терминологию, как кислород, так и азот из образца атмосферного воздуха, пока в исходном образце не остался только небольшой пузырь нереагировавшего газа. Используя свои наблюдения, Кавендиш обнаружил, что после определения количеств флогистированного воздуха азота и дефлогистированного воздуха кислорода оставался объём газа, составляющий 1/120 первоначального объёма азота. Тщательными измерениями он пришёл к выводу, что «обычный воздух состоит из одной части дефлогистированного воздуха».
В 1890-х годах, около 100 лет спустя, два британских физика, William Ramsay и Lord Rayleigh, осознали, что их недавно открытый инертный газ аргон был ответственен за проблемную остаток Кавендиша; он не допустил ошибку. То, что он сделал, — это провёл строгие количественные эксперименты, используя стандартизированные инструменты и методы, направленные на воспроизводимые результаты; взял среднее значение результата нескольких экспериментов; и идентифицировал и допустил источники ошибок. Весы, которые он использовал, сделанные ремесленником по имени Harrison, были первыми весами с высокой точностью 18-го века и столь же точными, как у Lavoisier, которые, по оценкам, могли измерять одну часть из 400 000. Кавендиш работал с производителями инструментов, в целом улучшая существующие инструменты, а не изобретая совершенно новые.
Кавендиш, как указано выше, использовал язык старой теории флогистона в химии. В 1787 году он стал одним из первых за пределами Франции, кто обратился к новой антифлогистической теории Lavoisier, хотя он оставался скептичным по поводу номенклатуры новой теории. Он также возражал против идентификации Lavoisier тепла как имеющего материальную или элементарную основу. Работая в рамках ньютоновского механизма, Кавендиш занялся проблемой природы тепла в 1760-х годах, объясняя тепло как результат движения материи.
В 1783 году он опубликовал статью о температуре, при которой замерзает ртуть, и в этой статье использовал идею скрытого тепла, хотя он не использовал этот термин, потому что считал, что он подразумевает принятие материальной теории тепла. Он явно выразил свои возражения в своей статье 1784 года о воздухе. Затем он разработал общую теорию тепла, и рукопись этой теории убедительно датирована концом 1780-х годов. Его теория была одновременно математической и механической: она содержала принцип сохранения тепла, позже понимаемый как проявление сохранения энергии, и даже включала концепцию, хотя и без названия, механического эквивалента тепла.
Плотность Земли
После смерти своего отца Генри купил ещё один дом в городе и также дом в Clapham Common, построенный Thomas Cubitt, в то время расположенный к югу от Лондона. Лондонский дом содержал основную часть его библиотеки, в то время как он держал большинство своих инструментов в Clapham Common, где проводил большинство своих экспериментов. Самый известный из этих экспериментов, опубликованный в 1798 году, должен был определить плотность Земли и стал известен как эксперимент Кавендиша. Аппарат, который Кавендиш использовал для взвешивания Земли, был модификацией торсионных весов, построенных английским учёным-геологом John Michell, который умер до того, как мог начать эксперимент. Аппарат был отправлен в ящиках к Кавендишу, который завершил эксперимент в 1797–1798 годах и опубликовал результаты.
Экспериментальный аппарат состоял из торсионных весов с парой сферических грузов из свинца весом 2 дюйма, 1,61 фунта, подвешенных от плеча торсионных весов, и двух намного больших стационарных свинцовых шаров весом 350 фунтов. Кавендиш намеревался измерить силу гравитационного притяжения между ними. Он заметил, что аппарат Michell будет чувствителен к разницам температур и индуцированным воздушным потокам, поэтому он внёс модификации, изолировав аппарат в отдельной комнате с внешними органами управления и телескопами для проведения наблюдений.
Используя это оборудование, Кавендиш рассчитал притяжение между шарами на основе периода колебаний торсионных весов, а затем использовал это значение для расчёта плотности Земли. Кавендиш обнаружил, что средняя плотность Земли в 5,48 раза больше, чем у воды. John Henry Poynting позже отметил, что данные должны были привести к значению 5,448, и действительно, это средняя величина из двадцати девяти определений, которые Кавендиш включил в свою статью. Что было экстраординарным в эксперименте Кавендиша, так это его исключение всех источников ошибок и каждого фактора, который мог бы нарушить эксперимент, и его точность при измерении поразительно малого притяжения, всего 1/50 000 000 веса свинцовых шаров. Результат, полученный Кавендишем для плотности Земли, находится в пределах 1 процента от общепринятой в настоящее время величины.
Работа Кавендиша привела других к точным значениям гравитационной постоянной G и массе Земли. На основе его результатов можно рассчитать значение G, равное 6,754 × 10−11N-m2/kg2, которое благоприятно сравнивается с современным значением 6,67428 × 10−11N-m2/kg2.
Книги часто описывают работу Кавендиша как измерение либо G, либо массы Земли. Поскольку они связаны с плотностью Земли тривиальной сетью алгебраических отношений, ни один из этих источников не неправ, но они не совпадают с точным выбором слов Кавендиша, и эта ошибка была указана несколькими авторами. Заявленная цель Кавендиша состояла в измерении плотности Земли, хотя его результат очевидно рассчитывает G, чтобы сделать это.
Первый раз, когда постоянная получила это имя, была в 1873 году, почти 100 лет спустя после эксперимента Кавендиша, но постоянная была в использовании со времён Newton. Результаты Кавендиша также дают массу Земли.
Электрические исследования
Электрические и химические эксперименты Кавендиша, как и эксперименты с теплом, начались, когда он жил со своим отцом в лаборатории в их лондонском доме. Lord Charles Cavendish умер в 1783 году, оставив почти всё своё очень значительное состояние Генри. Как и его теория тепла, всеобъемлющая теория электричества Кавендиша была математической по форме и основана на точных количественных экспериментах
