张磊
卡文迪许:他本该靠电磁学闻名,却只被当成测出引力常数第一人 精选
2018-2-14 20:54
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如果你有机会发现欧姆定律、库伦定律等能载入史册的成果,你会怎么做?

在18世纪,一位性格孤僻的科学家,竟选择让这些理论烂在了手稿里,至死未曾发布。

到19世纪末,电磁学之父麦克斯韦在查阅资料时,才发现这20捆尘封的神秘手稿。

这些惊为天人的理论和猜想,让麦克斯韦都怀疑此人为穿越者。



卡文迪许,这个名字对大多数人算不上陌生。

但也仅仅停留在那位用扭秤测出引力常量的人物。


在物理课本中,他的名字总与牛顿形影不离,但却连个画像都没有。

然而,卡文迪许隐藏之深远超过了所有人的想象。


他一辈子只发表了不到20篇论文,但这些研究涵盖的全是开创性的领域。


他最早研究了二氧化碳、发现了氢气和惰性气体。

就连后来缔造了一个个伟人的不少概念,如电势、欧姆定律、库仑定律都由他早提出。


但让人惋惜的是,他竟把这大部分成果都埋藏在手稿里...


亨利·卡文迪许


若以今天的眼光去看,亨利·卡文迪绝对是个富二代。

他的父亲查尔斯是第二世德文郡公爵的小儿子,母亲则是第一世肯特公爵亨利·格雷的女儿。

可是,含着金钥匙出生的卡文迪许,却从未享受到家庭的温暖。

还未满两岁其母亲就因难产去世,在他记忆里几乎找不到妈妈的身影。


第二世德文郡公爵,卡文迪许的爷爷


他父亲也忙于交际,无暇给予足够关注。

不过幸运的是,其父亲并非等闲之辈,是皇家学会的会员。


在科学氛围的熏陶之下,卡文迪许才得以进入以优秀和严格著称的哈克尼学院。

之后18岁的卡文迪许也顺利毕业,并考入了剑桥大学的圣彼得学院。


现今的圣彼得学院旧址


只是临毕业考试前夕,他就退学并放弃了学位。

退学的原因尚不明确,一个说法是为了表达对考试中神学题目的不满。


当然这也是当时的风气,卡文迪许的13名同窗有8名都选择了退学。

毕竟那个年代,能上大学的孩子根本不需要学位来撑腰。卡文迪许自然也不例外。


从剑桥肄业后,他便追随父亲出入皇家学院,秘密地开始了自己的独立研究。


卡文迪许最早研究的是化学领域,他先从砒霜入手,先制取了砷酸,后来又制得了酒石酸。


然而这些事迹他只告诉了他几位好友,我们也只能从他的手稿中才得知一二。


含有三氧化二砷(砒霜主要成分)的矿物


在一次偶尔的实验中,卡文迪许发现一些金属与酸反应,会产生一种“可燃空气”。

这种“可燃空气”,就是氢气。


只是当时对于这种反应生成的气体还没有普遍的认识。

罗伯特·波义耳统一称所有的生成气体为“人工空气”。


但卡文迪许却不认同,他坚持认为这就是一种新的物质。




于是,他便用现在最常用的排水集气法,收集到了氢气。

经过干燥和纯化处理后,他成功测定了氢气的密度。


此后,他将氢气与空气混合后,用电火花引发反应。

从而发现了氢气能消耗掉五分之一的空气,明确氢气与氧气的消耗比约为2.02:1。



中间为氢气燃烧的火焰形态


当然,这个实验最重要的是发现,还属这两种气体混合竟生成了水。

这在当时可引起了不小的争论。


因为化学界普遍地认为,水是组成万物的元素之一(当时的“四元素说”,包括水、土、气、火)。

而证明水是化合物,简直就像是说耶稣是韩国人一样无礼。



卡文迪许在气体上的研究,还远不止这些。


他用石灰石与酸反应,生成了二氧化碳,并用实验证明了二氧化碳能溶于水。

由此,他指出收集二氧化碳必须用“排汞集气法”。


此外,卡文迪许还证明了这种气体(二氧化碳),与木炭燃烧、动物呼出的气体成分相同。


经过多年的研究,卡文迪许已经弄清楚了空气的组成。


他指出空气中大约有20.833%的氧气,剩下的大部分是氮气。

而现今我们所测得空气中氧含量约为20.95%,误差已很小。

更让人意想不到的是,卡文迪许还发现空气中约有1/120的气体几乎不发生反应。

这也就是稀有惰性气体


一百多年后,第一种惰性气体氩气才被发现,并证实了卡文迪许当年的天才推测


通电能发出不同色光的稀有气体


凭着这些研究卡文迪许名气已不小,但当年让他成为话题人物的原因,还属其古怪的性格。


他虽腰缠万贯,却常年只穿着一件褪色的天鹅绒大衣,戴着过时的三角帽。

性格孤僻、沉默寡言的他,几乎不敢与陌生人和异性交谈。



不过卡文迪许也会参加一些科学聚会,以保证自己不与最新的科学发现脱节。


在博物学家班克斯举行的交流会上,班克斯会特别告诫来宾们。

不要靠近那个在角落的人,就算他在发言也要装作没有听见他说的话,这样才能听到他的一些高见。


卡文迪许腼腆的程度是圈子里有目共睹的。

就连与自己聘来的管家沟通,他也只通过传纸条等方式来避免尴尬。


腼腆之王亨利·卡文迪许


还有一次,卡文迪许出席宴会,一位从奥地利远道而来的科学家,竟敢称赞卡文迪许的贡献杰出(熟悉卡文迪许的人都不敢这样做)。


他听到后大为忸怩,好似尴尬癌发作。

很快手足无措的他便站起来,直直冲出房间坐上马车走了,留下众人面面相觑。



除了对科研特别上心之外,在卡文迪许身上几乎难以找到长处。

他是伦敦银行最大的储户,但他对财产却完全不管不问。

几十年来,都只让投资顾问购买的同一种股票。

他的顾问也实在看不过眼了,提议他购买另一种股票。

谁知这个草率的举动,竟引来了卡文迪许罕见的大怒:“不要拿这些琐事来烦我,否则我就解雇你”

亨利·卡文迪许


言归正传,卡文迪许对空气的研究告一段落后,拉瓦锡就已提出了自己的氧气说。

可惜的是,他当年支持的是错误的燃素说。


不过卡文迪许也表示赞同这种简洁的说法,符合奥卡姆剃刀原则,也有利于化学的发展。


虽然他最后还是没有放弃燃素说的观点,但却阴差阳错地转行去做物理学研究了。

也正是这些物理研究,才更展现了他上帝一般的预见力。


“现代化学之父”拉瓦锡


他最早提出了电荷之间的相互作用力应该与距离的平方呈反比关系。

后来法国人库伦通过实验验证了他的发现,从此关于电荷间的受力规律被称作库伦定律

卡文迪许还指出两个带电物体在相互作用时,电荷并不是均匀分布的,反而会集中在相互接近的两个区域。


他还第一个提出了电势的概念,指出了电势与电流的正比关系。

这也就是我们物理课本电学章节中的欧姆定律

同时卡文迪许与法拉第共同主张,电容器的电容会随其介质不同而改变。

后来,他也据此提出了介电常数的概念。

课本中的欧姆定律


但极其可惜的是,卡文迪许大多数的电学研究都没有公开发表。

直到卡文迪许死后,麦克斯韦翻阅前辈的手稿时,世人才知道这些超越时代的构想。


麦克斯韦感叹道:

卡文迪许也许是有史以来最伟大的实验物理学家,他几乎预知了电学上的所有伟大事实。这些事实后来通过库仑和法国哲学家的著作闻名于世。


电磁学之父麦克斯韦


而卡文迪许最著名的扭秤实验,反而是被世人误解了。


他用的扭秤实际上是米切尔设计的。

米切尔去世后,装置几经易手才送到卡文迪许手中。

卡文迪许将装置进行几番精细的改造后,才开始进行长达25年的测量。


此外,他用扭秤测量的也不是什么引力常数,而是为当时热门的天文学测定地球的密度和质量。


扭秤实验图解


卡文迪许将扭秤安装在一个密不透风的房间里,在扭秤的石英纤维上加装了可以反光的小镜子。


将光束投向镜面,反射的光线经过一段距离射在有刻度的平面上。

这样就能巧妙地克服测量微小量的困难。


而卡文迪许则在远处,用望远镜记下了这些伟大的数据。


根据卡文迪许的实验记录,他测算出的地球密度为水密度的5.481倍,也就是5.481克每立方厘米。

这与现今21世纪的数据相比,仅有0.65%的误差。

至于万有引力常数G,卡文迪许并没有计算出来。

但他的实验记录中,计算G的数据已经齐全。

就算是现在的高中生,都能轻易地就能够算出引力常数,而且相当精准。


卡文迪许离万有引力常数只是一步之遥。

可惜以当时的认知,还没有出现引力常数的概念。


人们为了纪念这位伟大的实验物理学家,还是决定将测出引力常数G的头衔,授予卡文迪许。


以他之名建立的卡文迪许物理实验室,在麦克斯韦的带领下繁荣昌盛,逐渐发展为全学科实验室。


从中走出的诺奖得主共有29名,数量与斯坦福大学相当,然而它仅仅是个实验室。

中子、DNA双螺旋结构、放射半衰期都出自卡文迪许实验室。



DNA双螺旋结构的发现者沃森与克里克


卡文迪许比起牛顿等大牌来说可能微不足道。

他一生研究科学超过50年,但论文寥寥可数。


纵使有诸多惊为天人的开创性研究,可成果不是难以被人接受就是烂在了手稿里。

以他的才学,不应该是今天的这番模样。


如果非要找原因的话,大概是因为上帝在描绘他的智慧上花费了过多的笔墨,以至于无法给他绘出更美好的性格。


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