物理史话之神秘的爵士卡文迪许

在人类科学史上,有这么一个人,他一生深居简出,几乎不跟外人交流,他全部的时间几乎都用来做实验,但是几乎没有发表什么论文,他的所有的成果要等到他去世70多年后才被发现。然而他去世之后,他的家人以他的名义捐献建立的实验室成了诺贝尔奖得主的摇篮,从1904年到1989年的85年间,这个实验室一共产生了29位诺贝尔奖得主,号称"全世界一半"的物理学发现都来自这个实验室。这位神秘的人就是本文的主角卡文迪许。

物理史话之神秘的爵士卡文迪许

亨利·卡文迪许

1731年,亨利·卡文迪许出生在法国的尼斯,他是英国两大家族的后裔,他的父亲是德文郡勋爵的后代,而他的母亲则是肯特公爵的女儿,因为母亲身体不好,没法适应伦敦阴冷的天气,所以他们全家搬到了温暖的尼斯,在那里,小亨利出生了。两年后,弟弟弗雷德里克出生后,母亲就去世了,自幼失去母爱的小亨利养成了异常胆怯和不善交际的脾气。

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尼斯

亨利11岁时进入纽科姆博士在哈克尼办的一所中学,这所学校主要招收上层阶级的孩子。1749年,他进入剑桥的圣彼得学院求学,一直待到1753年。此后,他跟随父亲装备了一间实验室,他的父亲是个杰出的实验家,也是英国皇家学会的成员,他的实验技巧十分高明,备受富兰克林的赞赏。亨利(以下均称卡文迪许)当时只是他父亲的助手。父亲鼓励儿子要爱好科学,将自己的实验器材交给儿子使用,并将儿子引进了伦敦的科学界,1760年,卡文迪许成了皇家学会的会员。

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皇家学会会所

卡文迪许40岁的时候,继承了来自父亲和姑妈的两笔巨额遗产,成了一名百万富翁。然而财富并没有让卡文迪许的生活方式发生任何的变化,他依然过着极其简朴的生活。他的大部分的花销都在购买实验仪器和书籍上,并慷慨地供其他学者使用。卡文迪许一生都是在他的实验室和图书馆度过的,平时深居简出,除出席皇家学会的聚会外,他几乎从不公开露面。他终生未娶。由于病态性怕羞,他十分厌恶跟人接触,甚至与管家的日常联系也借助便条。他性情孤僻,不爱交际,在民众里缺乏声望,但是他学识广博、推理清晰、科学才智罕见,因此皇家学会的会员都把他看作一位长者。

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现在的卡文迪许实验室

卡文迪许在科学上的贡献十分巨大,以下科普君仅就他在物理学上的贡献稍作介绍,以飨读者,挂一漏万,还望读者海涵。

从卡文迪许离开剑桥到1766年年发表第一篇论文这段时间里,他的科学活动人们了解得不多。但从他尚存的未发表的手稿可以知道,他早期对动力学作了不少研究。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。卡文迪许说,热是振动粒子的机械动量。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。卡文迪许对此作了这样的解释,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。当时有一篇题为《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年以前所做的实脸工作写成的。有证据表明,卡文迪许把这篇文章誊清了而未发表,是为了不与布莱克竞争。

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比热实验

1771年,卡文迪许发表了一篇电学论文。在文中他提出了这样的看法: 一个物体里的电子气类似于一个容器里受压缩的气体。这是卡文迪许理论的中心思想。卡文迪许证明了电子气并不遵循牛顿的气体粒子的力学定律。卡文迪许的电学研究表明:电荷之间的作用力可能呈现与距离的平方成反比的关系,后来被库仑通过实验证明,成为库仑定律。卡文迪许对电学的研究持续了好多年,直到1781年才结束,是他一生中最持久最艰苦的尝试。除了上述的平方反比定律之外,他还在迈克尔·法拉第之前证实了电容器的电容取决于介于它的两板之间的物质,提出了介电常数的概念,并推导出平板电容器的公式。他是第一个将电势概念大量应用对电学现象的解释中的人,在对导体的一系列实验中, 卡文迪许先于德国物理学家欧姆发现导体两端的电势与通过它们的电流成正比。卡文迪许当时无法测量电流的强弱,为此他把自己的身体作为一只测量仪表来估计电流的强弱。可惜这些成果没有完全发表。大约一百年后,麦克斯韦受托整理卡文迪许留下的大量资料,麦克斯韦用了5年的时间(也是他一生中的最后5年)才完成了这一任务,并于1879年出版了一本书,题为《亨利·卡文迪许的电学研究》。

物理史话之神秘的爵士卡文迪许

库仑定律

1789年,卡文迪许发表了关于地球密度测量的论文,这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,扭丝是长39英寸的镀银铜线,直径2 英寸的两个铅球摆锤固定在长6英尺的松木杆的两端。用一对固定铅球(直径12英寸)来吸引这两个可摆动的球。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。他获得地球的密度为水密度的5.481倍,仅比现代值(5.517g/cm^3) 略小一点。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,只不过卡文迪许在做这个实验的时候,只想得到地球的密度,而没有想其他的,因此卡文迪许本人并没有计算出G的大小。

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卡文迪许扭秤

1810年,卡文迪许在伦敦去世,他的侄子乔治把卡文迪许遗留下的20捆实验笔记完好地放进了书橱里。直到1871年,另一位电学大师麦克斯韦应聘担任剑桥大学教授并负责筹建卡文迪许实验室时,这些充满了智慧和心血的笔记获得了重返人间的机会。麦克斯韦仔细阅读了前辈在100年前的手搞,不由大惊失色,连声叹服说:"卡文迪许也许是有史以来最伟大的实验物理学家,他几乎预料到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。" 一本名著,两代风流,不啻是科学史上的一段佳话。

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麦克斯韦(传奇人物、大神,我们以后会讲到他)


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