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自制一杆秤,来把地球称——卡文迪许

来源:颗粒在线 1448 2019-10-10

1731年10月10日,亨利·卡文迪许(Henry Cavendish)出生于撒丁王国尼斯(现法国尼斯)的一个贵族家庭。

不幸的是,他两岁时母亲便因生育他弟弟而病逝,他父亲常年忙于社交活动,缺乏母爱父爱的他从小便由保姆一手带大,与外界来往极少。上学后,卡文迪许也极少与同学交流,他总是显得特别孤独和羞涩。

熟悉卡文迪许的人都知道,他性格孤僻,沉默寡言,不善交际,甚至逃避与人交际,他的生活方式与当时花天酒地的贵族生活相比显得格格不入。

但是,他却酷爱科学,只选择参加一类聚会——皇家学会科学家聚会。参会目的很明确,学习新知识,启发新思想。

或许正是由于它从小养成的这种怪癖性格,才有幸锻造出一个惊世的“科学怪才”。

他把家中豪宅改装成实验室,深居简出,过着一种“与世隔绝”的简约生活。

他的科学生涯持续长达50年之久。

他的科研成果给社会留下了一笔巨大的财富。其中,最出名的当属扭秤实验(又称卡文迪许实验)。

他改进了英国机械师约翰·米歇尔(John Michell)设计的扭秤,在其悬线系统上附加小平面镜,利用望远镜在室外远距离操纵和测量,防止了空气的扰动(当时还没有真空设备)。

他用一根39英寸的镀银铜丝吊一6英尺木杆,杆的两端各固定一个直径2英寸的小铅球,另用两颗直径12英寸的固定着的大铅球吸引它们,测出铅球间引力引起的摆动周期,由此计算出两个铅球的引力,由计算得到的引力再推算出地球的质量和密度。

他算出的地球密度为水密度的5.481倍(地球密度的现代数值为5.517 g/cm3),由此可推算出万有引力常量G的数值为 6.754×10 N·m²/kg²(现代值前四位数为6.672)。

他自制一杆秤,成功验证了牛顿的万有引力定律,并测算出引力常数和地球的平均密度。这一实验的构思、设计与操作十分精巧,英国物理学家约翰·坡印亭(John Poynting)曾对这个实验给出这样的评语:“开创了弱力测量的新时代”。


扭秤实验示意图

除此之外,卡文迪许在化学和电学等方面也做出非常杰出的贡献。

他最先证明了空气和水的化学组成。空气实验表明空气中除了氧和氮外,还有少量的其他物质(后来的稀有气体)。他还用实验证明水并非元素,而是一种化合物,在空气中燃烧氢就能产生水。

他在电学方面进行过许多成功的实验研究,比如发现两电荷的相互作用力与其距离的平方成反比(后来的库仑定律);引用电势的概念,测出导体两点间电势和通过的电流成正比(后来的欧姆定律);在法拉第的电容实验之前,就了解到电容量与极板间物质的性质有关,但这些成果都未曾公开发表。

直至一个世纪后,麦克斯韦整理了他的研究记录和手稿,并于1879年出版了名为《尊敬的亨利·卡文迪许的电学研究》一书,此后人们才知道卡文迪许做了许多电学实验。

麦克斯韦说:“这些论文证明卡文迪许几乎预料到电学上所有的伟大事实,这些伟大的事实后来通过库仑和法国哲学家们的著作而闻名于科学界。”

卡文迪许的一生都在实验室和图书馆中度过,被人们称为“最富有的学者,最有学问的富翁”、“科学怪才”。

1810年2月24日,卡文迪许在英国伦敦逝世,终身未娶。

现今英国剑桥大学著名的卡文迪许实验室就是为了纪念他而以他的名字命名的。


亨利·卡文迪许(图片来源于维基百科)

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