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          自制一桿秤,來把地球稱——卡文迪許

          來源:顆粒在線 1702 2019-10-10

          ??1731年10月10日,亨利·卡文迪許(Henry Cavendish)出生于撒丁王國尼斯(現(xiàn)法國尼斯)的一個貴族家庭。

          不幸的是,他兩歲時母親便因生育他弟弟而病逝,他父親常年忙于社交活動,缺乏母愛父愛的他從小便由保姆一手帶大,與外界來往極少。上學(xué)后,卡文迪許也極少與同學(xué)交流,他總是顯得特別孤獨和羞澀。

          熟悉卡文迪許的人都知道,他性格孤僻,沉默寡言,不善交際,甚至逃避與人交際,他的生活方式與當(dāng)時花天酒地的貴族生活相比顯得格格不入。

          但是,他卻酷愛科學(xué),只選擇參加一類聚會——皇家學(xué)會科學(xué)家聚會。參會目的很明確,學(xué)習(xí)新知識,啟發(fā)新思想。

          或許正是由于它從小養(yǎng)成的這種怪癖性格,才有幸鍛造出一個驚世的“科學(xué)怪才”。

          他把家中豪宅改裝成實驗室,深居簡出,過著一種“與世隔絕”的簡約生活。

          他的科學(xué)生涯持續(xù)長達(dá)50年之久。

          他的科研成果給社會留下了一筆巨大的財富。其中,最出名的當(dāng)屬扭秤實驗(又稱卡文迪許實驗)。

          他改進了英國機械師約翰·米歇爾(John Michell)設(shè)計的扭秤,在其懸線系統(tǒng)上附加小平面鏡,利用望遠(yuǎn)鏡在室外遠(yuǎn)距離操縱和測量,防止了空氣的擾動(當(dāng)時還沒有真空設(shè)備)。

          他用一根39英寸的鍍銀銅絲吊一6英尺木桿,桿的兩端各固定一個直徑2英寸的小鉛球,另用兩顆直徑12英寸的固定著的大鉛球吸引它們,測出鉛球間引力引起的擺動周期,由此計算出兩個鉛球的引力,由計算得到的引力再推算出地球的質(zhì)量和密度。

          他算出的地球密度為水密度的5.481倍(地球密度的現(xiàn)代數(shù)值為5.517 g/cm3),由此可推算出萬有引力常量G的數(shù)值為 6.754×10 N·m2/kg2(現(xiàn)代值前四位數(shù)為6.672)。

          他自制一桿秤,成功驗證了牛頓的萬有引力定律,并測算出引力常數(shù)和地球的平均密度。這一實驗的構(gòu)思、設(shè)計與操作十分精巧,英國物理學(xué)家約翰·坡印亭(John Poynting)曾對這個實驗給出這樣的評語:“開創(chuàng)了弱力測量的新時代”。


          扭秤實驗示意圖

          除此之外,卡文迪許在化學(xué)和電學(xué)等方面也做出非常杰出的貢獻(xiàn)。

          他最先證明了空氣和水的化學(xué)組成??諝鈱嶒灡砻骺諝庵谐搜鹾偷猓€有少量的其他物質(zhì)(后來的稀有氣體)。他還用實驗證明水并非元素,而是一種化合物,在空氣中燃燒氫就能產(chǎn)生水。

          他在電學(xué)方面進行過許多成功的實驗研究,比如發(fā)現(xiàn)兩電荷的相互作用力與其距離的平方成反比(后來的庫侖定律);引用電勢的概念,測出導(dǎo)體兩點間電勢和通過的電流成正比(后來的歐姆定律);在法拉第的電容實驗之前,就了解到電容量與極板間物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān),但這些成果都未曾公開發(fā)表。

          直至一個世紀(jì)后,麥克斯韋整理了他的研究記錄和手稿,并于1879年出版了名為《尊敬的亨利·卡文迪許的電學(xué)研究》一書,此后人們才知道卡文迪許做了許多電學(xué)實驗。

          麥克斯韋說:“這些論文證明卡文迪許幾乎預(yù)料到電學(xué)上所有的偉大事實,這些偉大的事實后來通過庫侖和法國哲學(xué)家們的著作而聞名于科學(xué)界。”

          卡文迪許的一生都在實驗室和圖書館中度過,被人們稱為“最富有的學(xué)者,最有學(xué)問的富翁”、“科學(xué)怪才”。

          1810年2月24日,卡文迪許在英國倫敦逝世,終身未娶。

          現(xiàn)今英國劍橋大學(xué)著名的卡文迪許實驗室就是為了紀(jì)念他而以他的名字命名的。


          亨利·卡文迪許(圖片來源于維基百科)

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