Cavendish并非以傲慢或居高自傲的姿态远离他人,拒绝将他们视为同伴。他感到自己与他们之间隔着一道巨大的鸿沟,这道鸿沟既无法由他们跨越,也无法由他跨越,在这鸿沟两端伸出手或交换问候都是徒劳的。正是这种与同伴的隔离感使他避开他们的社交圈子并逃避他们的出现,但他这样做时是作为一个意识到自己有缺陷的人,而非自夸优越性。
Henry Cavendish是英国自然哲学家、科学家,也是重要的实验和理论化学家及物理学家。他因发现氢而闻名,他将其称为"易燃气体"。他在1766年发表的《关于人造气体》(On Factitious Airs)论文中描述了易燃气体的密度,该气体燃烧时形成水。Antoine Lavoisier后来重复了Cavendish的实验,并给这个元素命名。
Cavendish是个臭名昭著的害羞之人,尽管如此,他在大气成分研究、不同气体性质、水的合成、电吸引和排斥规律、热的机械理论以及地球密度和质量计算方面因其极高的精确性和精密性而声名显著。他测量地球密度的实验已被称为Cavendish实验。
传记
早年生活
Henry Cavendish于1731年10月10日出生在Nice,当时他的家族住在那里。他的母亲是Lady Anne de Grey,她是Henry Grey(Kent公爵1st Duke)的第四个女儿,他的父亲是Lord Charles Cavendish,是William Cavendish(Devonshire公爵2nd Duke)的第三个儿子。这个家族的血统追溯到八个世纪前的诺曼时代,与大英帝国许多贵族家族关系密切。Henry的母亲于1733年去世,在她的次子Frederick出生后三个月,距离Henry两岁生日不久,留下Lord Charles Cavendish独自养育他的两个儿子。Henry Cavendish被尊称为"The Honourable Henry Cavendish"。
从11岁起,Henry在Newcome's School读书,这是伦敦附近的一所私立学校。1748年11月24日,他在18岁时进入Cambridge大学的St Peter's College(现在被称为Peterhouse),但在1751年2月23日三年后离开,当时没有获得学位,这是常见的做法。之后他与父亲一起住在伦敦,不久就拥有了自己的实验室。
Lord Charles Cavendish的人生前半段从事政治工作,后来越来越多地从事科学研究,特别是在伦敦皇家学会。1758年,他带Henry参加皇家学会的会议,也参加皇家学会俱乐部的晚宴。1760年,Henry Cavendish被选为这两个组织的成员,之后他勤勤恳恳地参加了活动。他在政治中几乎没有发挥作用,而是追随父亲从事科学研究,通过他的研究和参加科学组织。他在1765年被选为伦敦皇家学会委员会的活跃成员。
他对科学仪器使用的兴趣和专业知识导致他主持了一个审查皇家学会气象仪器的委员会,并帮助评估了皇家格林威治天文台的仪器。他的第一篇论文《人造气体》发表于1766年。他担任过委员会的其他还包括论文委员会(为皇家学会《哲学汇刊》选择论文发表)、1769年金星凌日委员会、1774年山脉引力委员会,以及1773年Constantine Phipps北极和西北通道探险队的科学指导委员会。1773年,Henry与父亲一起被选为大英博物馆受托人,他为此投入了大量时间和精力。英国皇家学会成立不久之后,Cavendish成为1800年的经理,并表现出特别的兴趣,特别是在实验室里,他观察并协助了Humphry Davy的化学实验。
化学研究
在他父亲去世的时候,Cavendish开始与Charles Blagden密切合作,这种合作帮助Blagden充分融入伦敦的科学社会。作为回报,Blagden帮助将世界与Cavendish隔离。Cavendish没有发表过书籍,也很少发表论文,但他取得了很多成就。包括力学、光学和磁性在内的几个研究领域在他的手稿中广泛出现,但在他发表的作品中几乎没有出现。Cavendish被认为是十八和十九世纪所谓的气体化学家之一,例如与Joseph Priestley、Joseph Black和Daniel Rutherford一起。Cavendish发现,某些酸与某些金属相互作用产生了一种确定的、特殊的、高度易燃的气体,他称之为"易燃气体"。这种气体是氢,Cavendish正确地猜测了它在水中的比例是二比一。
虽然Robert Boyle等其他人之前制备过氢气,但Cavendish通常被认为是认识到其元素性质的人。1777年,Cavendish发现哺乳动物呼出的空气转化为"固定空气"二氧化碳,而不是Joseph Priestley预测的"燃素化空气"。此外,通过在酸中溶解碱,Cavendish产生了二氧化碳,他将其与其他气体一起收集在倒置于水或水银上的瓶子中。然后他测量了它们在水中的溶解度和比重,并记录了它们的可燃性。他在1778年论文《关于酸的一般考虑》中得出结论,可呼吸空气构成酸性。Cavendish因这篇论文被授予皇家学会的Copley Medal。气体化学在18世纪后半叶变得越来越重要,对法国人Antoine-Laurent Lavoisier的化学改革(通常称为化学革命)至关重要。
1783年,Cavendish发表了一篇关于尤迪奥测量法(测量气体对呼吸的良好程度的方法)的论文。他描述了他发明的一种新的尤迪奥计,用它他达到了迄今为止的最佳结果,使用了在他人手中一直是不精确的按重量测量气体的方法。然后,在重复了Priestley在1781年进行的实验后,Cavendish发表了一篇关于通过在"去燃素化空气"(空气燃烧过程中的氧气)中燃烧氢产生纯水的论文。Cavendish得出结论,氢燃烧导致水从空气中凝结,而不是被合成。一些物理学家将氢解释为纯燃素。Cavendish不迟于1783年3月向Priestley报告了他的发现,但直到次年才发表。苏格兰发明家James Watt在1783年发表了一篇关于水的成分的论文;关于谁先发现了这一点的争议随之而来。
1785年,Cavendish调查了普通空气(即大气空气)的成分,获得了令人印象深刻的准确结果。他进行了实验,将氢和普通空气以已知的比例混合,然后用电火花引爆。此外,他还描述了一个实验,在该实验中他能够从大气空气样本中除去现代术语中的氧气和氮气,直到原始氮气样本中只剩下一小气泡未反应的气体。根据他的观察,Cavendish观察到,当他确定了燃素化空气(氮气)和去燃素化空气(氧气)的数量时,仍然有一体积的气体相当于原始氮气体积的1/120。通过仔细的测量,他得出结论"普通空气由一部分去燃素化空气构成"。
在1890年代(大约100年后),两位英国物理学家William Ramsay和Lord Rayleigh意识到他们新发现的惯性气体氩气是Cavendish的问题残留物的原因;他没有犯错。他所做的是进行严格的定量实验,使用标准化的仪器和方法,旨在获得可重复的结果;取多次实验结果的平均值;并识别并允许误差来源。他使用的天平由一位名叫Harrison的工匠制造,是18世纪第一批精密天平,精度与Lavoisier的一样,估计可以测量四十万分之一。Cavendish与他的仪器制造商合作,通常改进现有仪器而不是发明全新的仪器。
如上所述,Cavendish在化学中使用了旧燃素理论的语言。1787年,他成为最早在法国之外改信Lavoisier新的反燃素论的人之一,尽管他对新理论的命名仍然持怀疑态度。他还反对Lavoisier将热确定为具有物质或基本基础的观点。在Newtonian机制的框架内工作,Cavendish在1760年代解决了热的性质问题,将热解释为物质运动的结果。
1783年,他发表了一篇关于水银冻结温度的论文,在该论文中使用了潜热的概念,尽管他没有使用这个术语,因为他认为它暗示接受了热的物质理论。他在1784年关于空气的论文中明确表达了他的反对意见。他继续发展了一般热理论,该理论的手稿可信地被推定为1780年代晚期的。他的理论既是数学的又是机制的:它包含了热守恒原理(后来被理解为能量守恒的一个例子),甚至包含了热的机械等当量的概念(尽管没有这个标签)。
地球密度
在他父亲去世后,Henry又在城里买了一所房子,还在Clapham Common买了一所由Thomas Cubitt建造的房子,当时位于伦敦南部。伦敦的房子里存放了他的大部分图书馆,而他在Clapham Common保存了他的大部分仪器,在那里进行了大部分实验。其中最著名的实验发表于1798年,旨在确定地球的密度,后来被称为Cavendish实验。Cavendish用来称量地球的装置是对由英国人和地质学家John Michell建造的扭转天平的改进,他在开始实验前去世了。该装置以木箱形式送给了Cavendish,他在1797-1798年完成了实验并发表了结果。
该实验装置由一个扭转天平组成,该天平的手臂上悬挂着一对2英寸(1.61磅)的铅球,以及两个更大的固定铅球(350磅)。Cavendish想要测量两者之间的万有引力。他注意到Michell的装置对温度差异和诱导气流很敏感,所以他通过在一个单独的房间内隔离装置并进行外部控制和用于进行观察的望远镜进行了改进。
使用这些设备,Cavendish从扭转天平的振荡周期计算了球之间的吸引力,然后他使用这个值计算了地球的密度。Cavendish发现地球的平均密度比水大5.48倍。John Henry Poynting后来注意到数据应该导致5.448的值,事实上这就是Cavendish在他的论文中包括的二十九次测定的平均值。Cavendish实验的非同寻常之处在于它消除了每一个误差来源和每一个可能干扰实验的因素,以及它在测量令人惊讶地微小的吸引力方面的精度,仅仅是铅球重量的1/50,000,000。Cavendish获得的地球密度结果在目前接受的数据的1%范围内。
Cavendish的工作导致他人获得了万有引力常数G和地球质量的准确值。根据他的结果,可以计算出G的值为6.754 × 10−11N-m2/kg2,与现代值6.67428 × 10−11N-m2/kg2相比很接近。
书籍经常将Cavendish的工作描述为对G或地球质量的测量。由于这些与地球密度通过琐碎的代数关系网络相关联,这些来源都没有错,但它们与Cavendish的准确措辞不相匹配,这个错误已被几位作者指出。Cavendish的既定目标是测量地球的密度,尽管他的结果显然是为了这样做而计算出G。
常数第一次得到这个名称是在1873年,距离Cavendish实验几乎100年,但该常数从Newton的时代就已在使用。Cavendish的结果也给出了地球的质量。
电学研究
Cavendish的电学和化学实验,就像那些关于热的实验一样,始于他与父亲一起住在伦敦家中实验室时的时候。Lord Charles Cavendish于1783年去世,将他大部分实质性的庄园留给了Henry。与他的热理论一样,Cavendish全面的电学理论在形式上是数学的,并基于精确的定量实验
