? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?卡文迪許：第一個(gè)稱量地球的人
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2019-5-2 青野云麓
如果你有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)歐姆定律、庫(kù)倫定律等能載入史冊(cè)的成果，你會(huì)怎么做？
在18世紀(jì)，一位性格孤僻的科學(xué)家，竟選擇讓這些理論爛在了手稿里，至死未曾發(fā)布。
到19世紀(jì)末，電磁學(xué)之父麥克斯韋在查閱資料時(shí)，才發(fā)現(xiàn)這20捆塵封的神秘手稿。
這些驚為天人的理論和猜想，讓麥克斯韋都懷疑此人為穿越者。
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卡文迪許，這個(gè)名字對(duì)大多數(shù)人算不上陌生。
但也僅僅停留在那位用扭秤測(cè)出引力常量的人物。
在物理課本中，他的名字總與牛頓形影不離，但卻連個(gè)畫像都沒(méi)有。
然而，卡文迪許隱藏之深遠(yuǎn)超過(guò)了所有人的想象。
他一輩子只發(fā)表了不到20篇論文，但這些研究涵蓋的全是開創(chuàng)性的領(lǐng)域。
他最早研究了二氧化碳、發(fā)現(xiàn)了氫氣和惰性氣體。
就連后來(lái)締造了一個(gè)個(gè)偉人的不少概念，如電勢(shì)、歐姆定律、庫(kù)侖定律都由他最早提出。
但讓人惋惜的是，他竟把這大部分成果都埋藏在手稿里...
若以今天的眼光去看，亨利?卡文迪許絕對(duì)是個(gè)富二代。
他的父親查爾斯是第二世德文郡公爵的小兒子，母親則是第一世肯特公爵亨利?格雷的女兒。
可是，含著金鑰匙出生的卡文迪許，卻從未享受到家庭的溫暖。
還未滿兩歲其母親就因難產(chǎn)去世，在他記憶里幾乎找不到媽媽的身影。
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他父親也忙于交際，無(wú)暇給予足夠關(guān)注。
不過(guò)幸運(yùn)的是，其父親并非等閑之輩，是皇家學(xué)會(huì)的會(huì)員。
在科學(xué)氛圍的熏陶之下，卡文迪許才得以進(jìn)入以優(yōu)秀和嚴(yán)格著稱的哈克尼學(xué)院。
之后18歲的卡文迪許也順利畢業(yè)，并考入了劍橋大學(xué)的圣彼得學(xué)院。
只是臨畢業(yè)考試前夕，他就退學(xué)并放棄了學(xué)位。
退學(xué)的原因尚不明確，一個(gè)說(shuō)法是為了表達(dá)對(duì)考試中神學(xué)題目的不滿。
當(dāng)然這也是當(dāng)時(shí)的風(fēng)氣，卡文迪許的13名同窗有8名都選擇了退學(xué)。
畢竟那個(gè)年代，能上大學(xué)的孩子根本不需要學(xué)位來(lái)?yè)窝？ㄎ牡显S自然也不例外。
從劍橋肄業(yè)后，他便追隨父親出入皇家學(xué)院，秘密地開始了自己的獨(dú)立研究。
卡文迪許最早研究的是化學(xué)領(lǐng)域，他先從砒霜入手，先制取了砷酸，后來(lái)又制得了酒石酸。
然而這些事跡他只告訴了他幾位好友，我們也只能從他的手稿中才得知一二。
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在一次偶爾的實(shí)驗(yàn)中，卡文迪許發(fā)現(xiàn)一些金屬與酸反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生一種“可燃空氣”。這種“可燃空氣”，就是氫氣。只是當(dāng)時(shí)對(duì)于這種反應(yīng)生成的氣體還沒(méi)有普遍的認(rèn)識(shí)。羅伯特?波義耳統(tǒng)一稱所有的生成氣體為“人工空氣”。但卡文迪許卻不認(rèn)同，他堅(jiān)持認(rèn)為這就是一種新的物質(zhì)。
于是，他便用現(xiàn)在最常用的排水集氣法，收集到了氫氣。經(jīng)過(guò)干燥和純化處理后，他成功測(cè)定了氫氣的密度。此后，他將氫氣與空氣混合后，用電火花引發(fā)反應(yīng)。從而發(fā)現(xiàn)了氫氣能消耗掉五分之一的空氣，明確氫氣與氧氣的消耗比約為2.02：1。
當(dāng)然，這個(gè)實(shí)驗(yàn)最重要的是發(fā)現(xiàn)，還屬這兩種氣體混合竟生成了水。
這在當(dāng)時(shí)可引起了不小的爭(zhēng)論。
因?yàn)榛瘜W(xué)界普遍地認(rèn)為，水是組成萬(wàn)物的元素之一（當(dāng)時(shí)的“四元素說(shuō)”，包括水、土、氣、火）。
而證明水是化合物，簡(jiǎn)直就像是說(shuō)耶穌是韓國(guó)人一樣無(wú)禮。
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卡文迪許在氣體上的研究，還遠(yuǎn)不止這些。
他用石灰石與酸反應(yīng)，生成了二氧化碳，并用實(shí)驗(yàn)證明了二氧化碳能溶于水。
由此，他指出收集二氧化碳必須用“排汞集氣法”。
此外，卡文迪許還證明了這種氣體（二氧化碳），與木炭燃燒、動(dòng)物呼出的氣體成分相同。
經(jīng)過(guò)多年的研究，卡文迪許已經(jīng)弄清楚了空氣的組成。他指出空氣中大約有20.833%的氧氣，剩下的大部分是氮?dú)?。而現(xiàn)今我們所測(cè)得空氣中氧含量約為20.95%，誤差已很小。
更讓人意想不到的是，卡文迪許還發(fā)現(xiàn)空氣中約有1/120的氣體幾乎不發(fā)生反應(yīng)。這也就是稀有惰性氣體。一百多年后，第一種惰性氣體氬氣才被發(fā)現(xiàn)，并證實(shí)了卡文迪許當(dāng)年的天才推測(cè)。
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憑著這些研究卡文迪許名氣已不小，但當(dāng)年讓他成為話題人物的原因，還屬其古怪的性格。
他雖腰纏萬(wàn)貫，卻常年只穿著一件褪色的天鵝絨大衣，戴著過(guò)時(shí)的三角帽。
性格孤僻、沉默寡言的他，幾乎不敢與陌生人和異性交談。
不過(guò)卡文迪許也會(huì)參加一些科學(xué)聚會(huì)，以保證自己不與最新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)脫節(jié)。
在博物學(xué)家班克斯舉行的交流會(huì)上，班克斯會(huì)特別告誡來(lái)賓們。
不要靠近那個(gè)在角落的人，就算他在發(fā)言也要裝作沒(méi)有聽見他說(shuō)的話，這樣才能聽到他的一些高見?？ㄎ牡显S靦腆的程度是圈子里有目共睹的。就連與自己聘來(lái)的管家溝通，他也只通過(guò)傳紙條等方式來(lái)避免尷尬。還有一次，卡文迪許出席宴會(huì)，一位從奧地利遠(yuǎn)道而來(lái)的科學(xué)家，竟敢稱贊卡文迪許的貢獻(xiàn)杰出（熟悉卡文迪許的人都不敢這樣做）。
他聽到后大為忸怩，好似尷尬癌發(fā)作。
很快手足無(wú)措的他便站起來(lái)，直直沖出房間坐上馬車走了，留下眾人面面相覷。
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除了對(duì)科研特別上心之外，在卡文迪許身上幾乎難以找到長(zhǎng)處。他是倫敦銀行最大的儲(chǔ)戶，但他對(duì)財(cái)產(chǎn)卻完全不管不問(wèn)。幾十年來(lái)，都只讓投資顧問(wèn)購(gòu)買的同一種股票。他的顧問(wèn)也實(shí)在看不過(guò)眼了，提議他購(gòu)買另一種股票。誰(shuí)知這個(gè)草率的舉動(dòng)，竟引來(lái)了卡文迪許罕見的大怒：“不要拿這些瑣事來(lái)煩我，否則我就解雇你”。
言歸正傳，卡文迪許對(duì)空氣的研究告一段落后，拉瓦錫就已提出了自己的氧氣說(shuō)。可惜的是，他當(dāng)年支持的是錯(cuò)誤的燃素說(shuō)。不過(guò)卡文迪許也表示贊同這種簡(jiǎn)潔的說(shuō)法，符合奧卡姆剃刀原則，也有利于化學(xué)的發(fā)展。
雖然他最后還是沒(méi)有放棄燃素說(shuō)的觀點(diǎn)，但卻陰差陽(yáng)錯(cuò)地轉(zhuǎn)行去做物理學(xué)研究了。也正是這些物理研究，才更展現(xiàn)了他上帝一般的預(yù)見力。
他最早提出了電荷之間的相互作用力應(yīng)該與距離的平方呈反比關(guān)系。
后來(lái)法國(guó)人庫(kù)倫通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了他的發(fā)現(xiàn)，從此關(guān)于電荷間的受力規(guī)律被稱作庫(kù)倫定律。
卡文迪許還指出兩個(gè)帶電物體在相互作用時(shí)，電荷并不是均勻分布的，反而會(huì)集中在相互接近的兩個(gè)區(qū)域。
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他還第一個(gè)提出了電勢(shì)的概念，指出了電勢(shì)與電流的正比關(guān)系。這也就是我們物理課本電學(xué)章節(jié)中的歐姆定律。同時(shí)卡文迪許與法拉第共同主張，電容器的電容會(huì)隨其介質(zhì)不同而改變。后來(lái)，他也據(jù)此提出了介電常數(shù)的概念。
但極其可惜的是，卡文迪許大多數(shù)的電學(xué)研究都沒(méi)有公開發(fā)表。
直到卡文迪許死后，麥克斯韋翻閱前輩的手稿時(shí)，世人才知道這些超越時(shí)代的構(gòu)想。
麥克斯韋感嘆道：卡文迪許也許是有史以來(lái)最偉大的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，他幾乎預(yù)知了電學(xué)上的所有偉大事實(shí)。這些事實(shí)后來(lái)通過(guò)庫(kù)侖和法國(guó)哲學(xué)家的著作聞名于世。
而卡文迪許最著名的扭秤實(shí)驗(yàn)，反而是被世人誤解了。他用的扭秤實(shí)際上是米切爾設(shè)計(jì)的。米切爾去世后，裝置幾經(jīng)易手才送到卡文迪許手中。
卡文迪許將裝置進(jìn)行幾番精細(xì)的改造后，才開始進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)25年的測(cè)量。
此外，他用扭秤測(cè)量的也不是什么引力常數(shù)，而是為當(dāng)時(shí)熱門的天文學(xué)測(cè)定地球的密度和質(zhì)量。
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卡文迪許將扭秤安裝在一個(gè)密不透風(fēng)的房間里，在扭秤的石英纖維上加裝了可以反光的小鏡子。
將光束投向鏡面，反射的光線經(jīng)過(guò)一段距離射在有刻度的平面上。
這樣就能巧妙地克服測(cè)量微小量的困難。
而卡文迪許則在遠(yuǎn)處，用望遠(yuǎn)鏡記下了這些偉大的數(shù)據(jù)。
根據(jù)卡文迪許的實(shí)驗(yàn)記錄，他測(cè)算出的地球密度為水密度的5.481倍，也就是5.481克每立方厘米。
這與現(xiàn)今21世紀(jì)的數(shù)據(jù)相比，僅有0.65%的誤差。
至于萬(wàn)有引力常數(shù)G，卡文迪許并沒(méi)有計(jì)算出來(lái)。
但他的實(shí)驗(yàn)記錄中，計(jì)算G的數(shù)據(jù)已經(jīng)齊全。
就算是現(xiàn)在的高中生，都能輕易地就能夠算出引力常數(shù)，而且相當(dāng)精準(zhǔn)。
卡文迪許離萬(wàn)有引力常數(shù)只是一步之遙。
可惜以當(dāng)時(shí)的認(rèn)知，還沒(méi)有出現(xiàn)引力常數(shù)的概念。
人們?yōu)榱思o(jì)念這位偉大的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，還是決定將測(cè)出引力常數(shù)G的頭銜，授予卡文迪許。
以他之名建立的卡文迪許物理實(shí)驗(yàn)室，在麥克斯韋的帶領(lǐng)下繁榮昌盛，逐漸發(fā)展為全學(xué)科實(shí)驗(yàn)室。
從中走出的諾獎(jiǎng)得主共有29名，數(shù)量與斯坦福大學(xué)相當(dāng)，然而它僅僅是個(gè)實(shí)驗(yàn)室。
中子、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)、放射半衰期都出自卡文迪許實(shí)驗(yàn)室。
卡文迪許比起牛頓等大牌來(lái)說(shuō)可能微不足道。
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他一生研究科學(xué)超過(guò)50年，但論文寥寥可數(shù)。
縱使有諸多驚為天人的開創(chuàng)性研究，可成果不是難以被人接受就是爛在了手稿里。
以他的才學(xué)，不應(yīng)該是今天的這番模樣。
如果非要找原因的話，大概是因?yàn)樯系墼诿枥L他的智慧上花費(fèi)了過(guò)多的筆墨，以至于無(wú)法給他繪出更美好的性格。