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最先称量地球的人:卡文迪许(1)

最先称量地球的人——[英国]卡文迪许(1731~1810)

  1810年2月24日,一位79岁的老人感到死亡临近了,就吩咐身边的一名护理仆人离开房间,而_RtP到规定时间不得擅自回来。当仆人离开房间后,这位老人就与世长辞了。这位过惯了孤独生活的、老人,就是英国杰出的物理学家和化学家亨利•卡文迪许。

  少立壮志

  亨利•卡文迪许(Henry Cavendish)1731年10月10日生于法国尼斯。父母都是英国公爵后裔。卡文迪许2岁时,母亲病逝。过早地失去母爱,使他形成了一种孤独的个性。

  卡文迪许是几代大官僚的后裔,家里为了使他成为光宗耀祖的继承人,从小就对他进行系统的正规教育。但卡文迪许在很小的时候就表示,将来长大了决不做官,一定要当科学家。他在11岁时进入由纽科姆博士在哈克尼办的一所贵族学校读书。1749~1753年,卡文迪许在剑桥大学圣彼得学院学习,只因为他在毕业的前几天离开了剑桥,他才没有得到毕业文凭和学位。

  卡文迪许离开剑桥后,开始到欧洲各地漫游,后在巴黎留学,主。要研究物理学和数学。不久又回到英国从事科学研究工作。回国后,卡文迪许同父亲住在一起。他们在家里装备了一间实验室和工作室。父亲的实验技巧非常卓越,同时又是英国皇家学会的重要人物。作为父亲的助手,卡文迪许受父亲的帮助和影响都很大。父亲鼓励他热爱科学,并把自己的仪器设备听任他自由使用,尤其重要的是还把他引进了伦敦的科学界。在父亲的帮助下,卡文迪许进步很大,1760年当选为英国伦敦皇家学会会员。到1803年,他还当选为法兰西学院8名外籍院士之一。

  不爱交际的人

  从小就性情孤僻喜欢独居的卡文迪许,对科学却有着浓厚的兴趣。为了专心致志于科学研究工作,他过着隐居的生活,很少与外界来往。除出席英国皇家学会的聚会和约瑟夫•班克斯(1778~1820年皇家学会的主席)爵士每星期天晚上宴请伦敦各科学家举行的宴会外,他几乎从不公开露面。

  据说,有一次卡文迪许在班克斯爵士家中做客,一位奥地利来的。科学家当面奉承了他几句,他听到这些话后,起初大为忸怩,继而手;足无措,最后终于从人群中冲出室外,坐上他的四轮马车回家去了。卡文迪许进行科研工作是十分认真的。他把家里楼下的客厅当《裤实验室,楼上作为观象台。除去参观工厂或为考察地质而旅行外,每天他都埋头在实验室里,星期天和节假日也不例外。可以说,他都是在实验室和图书馆里度过的,他真正是把自己的毕生精力都集中在科学事业上了。

  曾发生过这样的事情:他的银行经理要求他增加资金的投资额,潍很不高兴,叫银行经理以后再也不要拿这类问题来烦扰他,并说:“如果这对你有什么不便的话,悉听尊便。”

  他也很不喜欢那些慕名而来的客人来打扰他的研究工作。在陪同客人时,他常常眼睛盯着天花板,脑子里思索着自己实验中的问题,一言不发,这样往往使客人扫兴,不辞而别。即使在同行面前,他也往往是沉默寡言的。据说,科学家中最了解他的脾气,而且可以和他交谈的,就算武拉斯顿博士了,因为他有一种“对空谈话法”。他介绍说:“和卡文迪许谈话,最好不要看他,而要把头仰起,两眼望着天,恍若对着空间交谈一般,这样一来,你就可以听到他滔滔不绝的长篇大论了。”为了集中精力搞好科研,卡文迪许甚至终生未娶。由于他一心迷在科学研究上,因而闹出了笑话,也流传下不少关于他的趣闻逸事。

  有一次,他请了四位朋友吃饭。仆人问他做点什么小菜,他随口回答说:“一只羊腿吧!”仆人知道一只羊腿做菜太少,接着又问是否再加点什么,他又顺口回答说:“那么,两只羊腿总算够了吧?”由此可见,他平日除了科学研究,就根本不知道应该怎样生活。

  有一天,卡文迪许遇到了一位朋友,朋友谈到曾经管理过卡文迪许私人图书馆的一个人的情况,并告诉他那个人身体不太好,应该帮助他一点儿钱。卡文迪许满口答应,立即写了一张一万英镑的支票,一边写一边还问:“一万英镑,不知够不够用?”那位朋友吓了一跳,连忙说:“太多了,太多了!”但卡文迪许还是将这张支票给了那个人。*每其实,当他父亲在世的时候,卡文迪许仅靠自己的微薄收入生活。只是在他40岁的时候,由于他先后继承了父亲和姑母的两大笔遗产,情况才发生了变化,他成了一位百万富翁。正如法国科学家让•巴蒂斯特•比奥所说:“卡文迪许是一切学者中最富有、在一切富翁中最有学问的人。”

  巨额的财富并没有使卡文迪许的生活方式发生丝毫的变化,他仍然过着俭朴的生活,他把钱大部分都用在购置科学仪器和图书上。他积聚了一批很有用的图书,除自己使用外,还慷慨地供其他学者使用。他也十分珍惜自己的藏书,整理得井井有条。无论是别人向他借阅,还是自己用书,都要严格办理登记手续,书从哪儿取下看完后,必须仍旧归还原处。

  尽管卡文迪许喜欢离群索居,爱好孤独的生活,但对于别人的研究工作却挺感兴趣。他曾把一些铂送给年轻的化学家汉弗莱•戴维做实验,有时还到皇家研究院去参观别人做实验。

  粒子动量扭秤实验

  卡文迪许是18世纪英国的一位受人尊敬的科学家,他兴趣广泛,富于创见,对科学的发展作出了重要的贡献,他的研究成果具有深远的影响。他的研究方向主要在五个方面:动力学、电学、化学、气象学和其他应用科学的研究。他的扭秤实验以及证明水和空气的组成尤为著名。

  卡文迪许对物理学很感兴趣。牛顿的《自然哲学的数学原理》一势书对卡文迪许的影响很大,可以说他是严谨治学的楷模。牛顿的自然哲学观点即寻找由粒子产生的力。它指引着卡文迪许的科学探索,因而他最初着手研究的领域便是动力学。

  从卡文迪许存世的未发表的手稿可以知道,他早期对动力学做了不少研究。其中最重要的动力学论文《关于运动论的评述》(未发表),包含了他对热学的全部论点。他赞成牛顿的观点,即热是粒子的振动,但在表达振动理论的正确性方面,他超过了牛顿。他说:热是振动粒子的机械动量。他证明了假若力具有某些对称性质的话,则一群粒子的机械动量对时间的平均显然是不变的。他把这一定理与守恒定律联系起来。众所周知,当两个物体热接触时,一个物体损失的能量等于另一个物体获得的能量。对此他做了这样的解释:一个物体里的粒子损失的机械动量,等于第二个物体里的粒子所获得的机械动量。

  有一篇题为《关于热的实验》的很长的手稿,卡文迪许已经誊清,但并未发表。这篇文章是根据他在1765年或1765年以前所做的实验工作写成的。有证据表明,他把这篇文章誊清了而又未发表,是为了不与苏格兰化学家约瑟夫•布莱克竞争优先权。

  他还研究了热的现象。他用硫磺、炭和玻璃等做实验,发现给它们相同的热量,温度却不一样,从而他得出结论:各种物质加热到一定温度时,所需要的热量各不相同。这一结论成为后来比热定律发现的依据。

  卡文迪许在物理学上最主要的成就是通过扭秤实验验证了牛顿的万有引力定律,确定了引力常数和地球平均密度。这项研究工作难度大、要求高,是他一生中最后的一项研究,称为卡文迪许实验。这一实验使用一架灵敏度很高的扭秤。它由轻质杆上固定着的两个质量小的铅球组成,外观像一个哑铃,用掺银的铜线作扭丝把它悬挂起来,铜线上面附有一面小镜,然后用两个质量大的铅球分别靠近这两个小球,这时候哑铃就发生旋转,小镜也跟着偏转。卡文迪许根据所观察到的扭秤的摆动周期计算出两个铅球的引力,然后由计算得到的引力推算出地球的密度。他测得引力常数G(6.754±0.0417)10。8达因,这个常数同现代值相差无几;他测定的地球的平均密度是水的5.48倍,误差是±0.14,现代值是5.518倍。他还由此算出了地球质量,被誉为“最先称量地球的人”。由于这一实验可算出引力常数G,因此使万有引力定律不再是一种比例性的陈述,而是一条定量的精确定律。这是牛顿以来对引力科学的最大贡献。英国物理学家坡印廷在《地球》一书中写道:“卡文迪许实验开创了测量弱力的新时代。”

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