物理史話之神祕的爵士卡文迪許

物理 卡文迪什 爵士 法拉第 鉛球 吉林省科技館 2018-11-29

在人類科學史上,有這麼一個人,他一生深居簡出,幾乎不跟外人交流,他全部的時間幾乎都用來做實驗,但是幾乎沒有發表什麼論文,他的所有的成果要等到他去世70多年後才被發現。然而他去世之後,他的家人以他的名義捐獻建立的實驗室成了諾貝爾獎得主的搖籃,從1904年到1989年的85年間,這個實驗室一共產生了29位諾貝爾獎得主,號稱"全世界一半"的物理學發現都來自這個實驗室。這位神祕的人就是本文的主角卡文迪許。

物理史話之神祕的爵士卡文迪許

亨利·卡文迪許

1731年,亨利·卡文迪許出生在法國的尼斯,他是英國兩大家族的後裔,他的父親是德文郡勳爵的後代,而他的母親則是肯特公爵的女兒,因為母親身體不好,沒法適應倫敦陰冷的天氣,所以他們全家搬到了溫暖的尼斯,在那裡,小亨利出生了。兩年後,弟弟弗雷德裡克出生後,母親就去世了,自幼失去母愛的小亨利養成了異常膽怯和不善交際的脾氣。

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尼斯

亨利11歲時進入紐科姆博士在哈克尼辦的一所中學,這所學校主要招收上層階級的孩子。1749年,他進入劍橋的聖彼得學院求學,一直待到1753年。此後,他跟隨父親裝備了一間實驗室,他的父親是個傑出的實驗家,也是英國皇家學會的成員,他的實驗技巧十分高明,備受富蘭克林的讚賞。亨利(以下均稱卡文迪許)當時只是他父親的助手。父親鼓勵兒子要愛好科學,將自己的實驗器材交給兒子使用,並將兒子引進了倫敦的科學界,1760年,卡文迪許成了皇家學會的會員。

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皇家學會會所

卡文迪許40歲的時候,繼承了來自父親和姑媽的兩筆鉅額遺產,成了一名百萬富翁。然而財富並沒有讓卡文迪許的生活方式發生任何的變化,他依然過著極其簡樸的生活。他的大部分的花銷都在購買實驗儀器和書籍上,並慷慨地供其他學者使用。卡文迪許一生都是在他的實驗室和圖書館度過的,平時深居簡出,除出席皇家學會的聚會外,他幾乎從不公開露面。他終生未娶。由於病態性怕羞,他十分厭惡跟人接觸,甚至與管家的日常聯繫也藉助便條。他性情孤僻,不愛交際,在民眾裡缺乏聲望,但是他學識廣博、推理清晰、科學才智罕見,因此皇家學會的會員都把他看作一位長者。

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現在的卡文迪許實驗室

卡文迪許在科學上的貢獻十分巨大,以下科普君僅就他在物理學上的貢獻稍作介紹,以饗讀者,掛一漏萬,還望讀者海涵。

從卡文迪許離開劍橋到1766年年發表第一篇論文這段時間裡,他的科學活動人們瞭解得不多。但從他尚存的未發表的手稿可以知道,他早期對動力學作了不少研究。最重要的動力學論文《關於運動論的評述》(未發表),包含了他對熱學的全部論點。卡文迪許說,熱是振動粒子的機械動量。眾所周知:當兩個物體熱接觸時,一個物體損失的能量等於另一個物體獲得的能量。卡文迪許對此作了這樣的解釋,一個物體裡的粒子損失的機械動量等於第二個物體裡的粒子所獲得的機械動量。當時有一篇題為《關於熱的實驗》的很長的手稿,卡文迪許已經謄清,但並未發表。這篇文章是根據他在1765年或1765年以前所做的實臉工作寫成的。有證據表明,卡文迪許把這篇文章謄清了而未發表,是為了不與布萊克競爭。

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比熱實驗

1771年,卡文迪許發表了一篇電學論文。在文中他提出了這樣的看法: 一個物體裡的電子氣類似於一個容器裡受壓縮的氣體。這是卡文迪許理論的中心思想。卡文迪許證明了電子氣並不遵循牛頓的氣體粒子的力學定律。卡文迪許的電學研究表明:電荷之間的作用力可能呈現與距離的平方成反比的關係,後來被庫侖通過實驗證明,成為庫侖定律。卡文迪許對電學的研究持續了好多年,直到1781年才結束,是他一生中最持久最艱苦的嘗試。除了上述的平方反比定律之外,他還在邁克爾·法拉第之前證實了電容器的電容取決於介於它的兩板之間的物質,提出了介電常數的概念,並推導出平板電容器的公式。他是第一個將電勢概念大量應用對電學現象的解釋中的人,在對導體的一系列實驗中, 卡文迪許先於德國物理學家歐姆發現導體兩端的電勢與通過它們的電流成正比。卡文迪許當時無法測量電流的強弱,為此他把自己的身體作為一隻測量儀表來估計電流的強弱。可惜這些成果沒有完全發表。大約一百年後,麥克斯韋受託整理卡文迪許留下的大量資料,麥克斯韋用了5年的時間(也是他一生中的最後5年)才完成了這一任務,並於1879年出版了一本書,題為《亨利·卡文迪許的電學研究》。

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庫侖定律

1789年,卡文迪許發表了關於地球密度測量的論文,這是他一生中最後的一項研究,稱為卡文迪許實驗。這一實驗使用一架靈敏度很高的扭秤,扭絲是長39英寸的鍍銀銅線,直徑2 英寸的兩個鉛球擺錘固定在長6英尺的松木杆的兩端。用一對固定鉛球(直徑12英寸)來吸引這兩個可擺動的球。卡文迪許根據所觀察到的扭秤的擺動週期計算出兩個鉛球的引力,然後由計算得到的引力推算出地球的密度。他獲得地球的密度為水密度的5.481倍,僅比現代值(5.517g/cm^3) 略小一點。由於這一實驗可算出引力常數G,因此使萬有引力定律不再是一種比例性的陳述,而是一條定量的精確定律。這是牛頓以來對引力科學的最大貢獻,只不過卡文迪許在做這個實驗的時候,只想得到地球的密度,而沒有想其他的,因此卡文迪許本人並沒有計算出G的大小。

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卡文迪許扭秤

1810年,卡文迪許在倫敦去世,他的侄子喬治把卡文迪許遺留下的20捆實驗筆記完好地放進了書櫥裡。直到1871年,另一位電學大師麥克斯韋應聘擔任劍橋大學教授並負責籌建卡文迪許實驗室時,這些充滿了智慧和心血的筆記獲得了重返人間的機會。麥克斯韋仔細閱讀了前輩在100年前的手搞,不由大驚失色,連聲歎服說:"卡文迪許也許是有史以來最偉大的實驗物理學家,他幾乎預料到電學上的所有偉大事實。這些事實後來通過庫侖和法國哲學家的著作聞名於世。" 一本名著,兩代風流,不啻是科學史上的一段佳話。

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麥克斯韋(傳奇人物、大神,我們以後會講到他)

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