Генри Кавендиш FRS ( / ˈ k æ v ən d ɪ ʃ / KAV -ən-dish ; 10 октября 1731 — 24 февраля 1810) был английским натурфилософом и учёным, который был важным экспериментальным и теоретическим химиком и физиком . Он известен своим открытием водорода , который он назвал «горючим воздухом». [1] Он описал плотность горючего воздуха, который образовывал воду при сгорании, в статье 1766 года « О фальшивых воздухах » . Антуан Лавуазье позже воспроизвёл эксперимент Кавендиша и дал элементу его название.
Застенчивый человек, Кавендиш отличался большой точностью и аккуратностью в своих исследованиях состава атмосферного воздуха , свойств различных газов, синтеза воды, закона электрического притяжения и отталкивания , механической теории тепла и расчетов плотности ( и, следовательно, массы ) Земли . Его эксперимент по измерению плотности Земли (который, в свою очередь, позволяет рассчитать гравитационную постоянную ) стал известен как эксперимент Кавендиша .
Генри Кавендиш родился 10 октября 1731 года в Ницце , где в то время жила его семья. [2] Его матерью была леди Энн де Грей, четвертая дочь Генри Грея, 1-го герцога Кентского , а отцом — лорд Чарльз Кавендиш , третий сын Уильяма Кавендиша, 2-го герцога Девонширского . [2] Семья прослеживала свою родословную на протяжении восьми столетий до нормандских времен и была тесно связана со многими аристократическими семьями Великобритании. Мать Генри умерла в 1733 году, через три месяца после рождения ее второго сына, Фредерика, и незадолго до второго дня рождения Генри, оставив лорда Чарльза Кавендиша воспитывать его двух сыновей. Генри Кавендиша величали «Достопочтенным Генри Кавендишем». [3]
С 11 лет Генри посещал школу Ньюкома , частную школу недалеко от Лондона. В возрасте 18 лет (24 ноября 1748 года) он поступил в Кембриджский университет в колледж Святого Петра, ныне известный как Питерхаус , но покинул его три года спустя, 23 февраля 1751 года, так и не получив степени (в то время это было обычной практикой). [4] [5] Затем он жил со своим отцом в Лондоне, где вскоре у него появилась собственная лаборатория с комнатой для собак.
Лорд Чарльз Кавендиш посвятил свою жизнь сначала политике, а затем все больше науке, особенно в Королевском обществе Лондона. В 1758 году он брал Генри на заседания Королевского общества, а также на обеды Клуба Королевского общества. В 1760 году Генри Кавендиш был избран в обе эти группы, и с тех пор он усердно посещал их. [2] Он практически не принимал участия в политике, но последовал за отцом в науке, через свои исследования и участие в научных организациях. Он принимал активное участие в Совете Королевского общества Лондона (в который он был избран в 1765 году).
Его интерес и опыт в использовании научных инструментов привели его к тому, что он возглавил комитет по обзору метеорологических инструментов Королевского общества и помог оценить инструменты Королевской Гринвичской обсерватории . Его первая статья, Factitious Airs , появилась в 1766 году. Другие комитеты, в которых он работал, включали комитет статей, который выбирал статьи для публикации в Philosophical Transactions of the Royal Society , и комитеты по транзиту Венеры (1769), по гравитационному притяжению гор (1774) и по научным инструкциям для экспедиции Константина Фиппса (1773) в поисках Северного полюса и Северо-Западного прохода . В 1773 году Генри присоединился к своему отцу в качестве избранного попечителя Британского музея , которому он посвятил много времени и усилий. Вскоре после основания Королевского института Великобритании Кавендиш стал его управляющим (1800) и активно интересовался его деятельностью, особенно в лаборатории, где он наблюдал и помогал проводить химические эксперименты Гемфри Дэви .
Примерно в то время, когда умер его отец, Кавендиш начал тесно сотрудничать с Чарльзом Благденом , ассоциация, которая помогла Благдену полностью войти в научное общество Лондона. В свою очередь, Благден помог держать мир на расстоянии от Кавендиша. Кавендиш не опубликовал ни одной книги и написал мало статей, но он многого добился. Несколько областей исследований, включая механику , оптику и магнетизм , широко представлены в его рукописях, но они едва ли представлены в его опубликованных работах. Кавендиш считается одним из так называемых пневматических химиков восемнадцатого и девятнадцатого веков, наряду, например, с Джозефом Пристли , Джозефом Блэком и Дэниелом Резерфордом . Кавендиш обнаружил, что определенный, своеобразный и очень легковоспламеняющийся газ, который он назвал «горючим воздухом», был получен при воздействии определенных кислот на определенные металлы . Этим газом был водород , который, как правильно предположил Кавендиш, находился в пропорции два к одному в воде. [6]
Хотя другие, такие как Роберт Бойль , получили водородный газ раньше, Кавендишу обычно приписывают признание его элементарной природы. В 1777 году Кавендиш обнаружил, что воздух, выдыхаемый млекопитающими, преобразуется в «связанный воздух» ( углекислый газ ), а не в «флогистонированный воздух», как предсказывал Джозеф Пристли. [7] Кроме того, растворяя щелочи в кислотах, Кавендиш получал углекислый газ, который он собирал вместе с другими газами в бутылки, перевернутые над водой или ртутью . Затем он измерил их растворимость в воде и их удельный вес , а также отметил их горючесть . В своей статье 1778 года «Общие соображения о кислотах» он пришел к выводу, что вдыхаемый воздух представляет собой кислотность. [7] За эту работу Кавендиш был награжден медалью Копли Королевского общества . Химия газов приобретала все большее значение во второй половине XVIII века и сыграла решающую роль в реформе химии француза Антуана-Лорана Лавуазье , широко известной как химическая революция .
В 1783 году Кавендиш опубликовал статью об эвдиометрии (измерении пригодности газов для дыхания). Он описал новый эвдиометр своего изобретения, с помощью которого он достиг наилучших на сегодняшний день результатов, используя то, что в других руках было неточным методом измерения газов путем их взвешивания. Затем, после повторения эксперимента 1781 года, проведенного Пристли, Кавендиш опубликовал статью о производстве чистой воды путем сжигания водорода в « дефлогистированном воздухе» (воздухе в процессе горения, теперь известном как кислород ). [7] [8] [9] Кавендиш пришел к выводу, что вместо того, чтобы синтезироваться, горение водорода приводило к конденсации воды из воздуха. Некоторые физики интерпретировали водород как чистый флогистон . Кавендиш сообщил о своих открытиях Пристли не позднее марта 1783 года, но опубликовал их только в следующем году. Шотландский изобретатель Джеймс Уатт опубликовал статью о составе воды в 1783 году; Возникли споры о том, кто первым сделал это открытие. [7]
В 1785 году Кавендиш исследовал состав обычного (т. е. атмосферного) воздуха , получив впечатляюще точные результаты. Он проводил эксперименты, в которых водород и обычный воздух смешивались в известных соотношениях, а затем взрывались с помощью электрической искры. Кроме того, он также описал эксперимент, в котором он смог удалить, выражаясь современной терминологией, как кислород, так и азот из образца атмосферного воздуха до тех пор, пока в исходном образце не остался только небольшой пузырек непрореагировавшего газа. Используя свои наблюдения, Кавендиш заметил, что, когда он определил количество флогистированного воздуха ( азота ) и дефлогистированного воздуха (кислорода), остался объем газа, составляющий 1/120 от первоначального объема азота. [10] [11] Путем тщательных измерений он пришел к выводу, что «обычный воздух состоит из одной части дефлогистированного воздуха [кислорода], смешанной с четырьмя частями флогистированного [азота]». [12] [13]
В 1890-х годах (примерно 100 лет спустя) два британских физика, Уильям Рамсей и лорд Рэлей , поняли, что их недавно открытый инертный газ , аргон , был ответственен за проблемный остаток Кавендиша; он не допустил ошибки. То, что он сделал, было проведено строгие количественные эксперименты, используя стандартизированные приборы и методы, направленные на воспроизводимые результаты; взял среднее значение результата нескольких экспериментов; и определил и допустил источники ошибок. Весы, которые он использовал, изготовленные мастером по имени Харрисон, были первыми из прецизионных весов 18-го века и такими же точными, как весы Лавуазье (которые, как было подсчитано, измеряли одну часть из 400 000). Кавендиш работал со своими изготовителями инструментов, в основном улучшая существующие инструменты, а не изобретая совершенно новые.
Кавендиш, как указано выше, использовал язык старой теории флогистона в химии. В 1787 году он стал одним из первых за пределами Франции, кто обратился к новой антифлогистонной теории Лавуазье, хотя он оставался скептически настроенным по отношению к номенклатуре новой теории. [ необходима цитата ] Он также возражал против определения Лавуазье тепла как имеющего материальную или элементарную основу. Работая в рамках ньютоновского механизма, Кавендиш занялся проблемой природы тепла в 1760-х годах, объяснив тепло как результат движения материи.
В 1783 году он опубликовал статью о температуре, при которой замерзает ртуть , и в этой статье использовал идею скрытой теплоты , хотя он не использовал этот термин, поскольку считал, что он подразумевает принятие материальной теории тепла. Он ясно выразил свои возражения в своей статье 1784 года о воздухе. Он продолжил разрабатывать общую теорию тепла, и рукопись этой теории убедительно датируется концом 1780-х годов. Его теория была одновременно математической и механической: она содержала принцип сохранения тепла (позже понятый как пример сохранения энергии ) и даже включала концепцию (хотя и не название) механического эквивалента тепла .
После смерти отца Генри купил еще один дом в городе, а также дом в Клэпхэм-Коммон (построенный Томасом Кьюбиттом ), в то время к юго-западу от Лондона. [14] Лондонский дом содержал большую часть его библиотеки, в то время как он хранил большую часть своих инструментов в Клэпхэм-Коммон, где он проводил большую часть своих экспериментов. Самым известным из этих экспериментов, опубликованным в 1798 году, было определение плотности Земли, и он стал известен как эксперимент Кавендиша . Аппарат, который Кавендиш использовал для взвешивания Земли, был модификацией крутильных весов, построенных геологом Джоном Мичеллом , который умер, не успев начать эксперимент. Аппарат был отправлен в ящиках Кавендишу, который завершил эксперимент в 1797–1798 годах [15] и опубликовал результаты. [16]
Экспериментальная установка состояла из крутильных весов с парой 2-дюймовых 1,61-фунтовых свинцовых сфер, подвешенных к рычагу крутильных весов, и двух гораздо более крупных неподвижных свинцовых шаров (350 фунтов). Кавендиш намеревался измерить силу гравитационного притяжения между ними. [15] Он заметил, что установка Мичелла будет чувствительна к разнице температур и индуцированным потокам воздуха, поэтому он внес изменения, изолировав установку в отдельной комнате с внешним управлением и телескопами для проведения наблюдений. [17]
Используя это оборудование, Кавендиш вычислил притяжение между шарами из периода колебания крутильных весов, а затем использовал это значение для вычисления плотности Земли. Кавендиш обнаружил, что средняя плотность Земли в 5,48 раз больше, чем у воды. Джон Генри Пойнтинг позже заметил, что данные должны были привести к значению 5,448, [18] и действительно, это среднее значение двадцати девяти определений, которые Кавендиш включил в свою статью. [19] Ошибка в опубликованном числе была вызвана простой арифметической ошибкой с его стороны. [20] Что было необычным в эксперименте Кавендиша, так это устранение всех источников ошибок и всех факторов, которые могли бы нарушить эксперимент, и его точность в измерении поразительно малого притяжения, всего лишь 1/50 000 000 веса свинцовых шаров. Результат, который Кавендиш получил для плотности Земли, находится в пределах 1 процента от ныне принятой цифры.
Работа Кавендиша привела других к точным значениям для гравитационной постоянной ( G ) и массы Земли. Основываясь на его результатах, можно вычислить значение G 6,754 × 10−11 Н -м 2 /кг 2 , [21] что выгодно отличается от современного значения 6,67428 × 10−11 Н -м 2 /кг 2 . [22]
В книгах работа Кавендиша часто описывается как измерение либо G , либо массы Земли. Поскольку они связаны с плотностью Земли тривиальной сетью алгебраических соотношений, ни один из этих источников не является неправильным, но они не соответствуют точному выбору слов Кавендиша, [23] [24] и эта ошибка была указана несколькими авторами. [25] [26] Заявленной целью Кавендиша было измерение плотности Земли.
Впервые константа получила это название в 1873 году, почти через 100 лет после эксперимента Кавендиша. [27] Результаты Кавендиша также дают массу Земли .
Электрические и химические эксперименты Кавендиша, как и эксперименты с теплом, начались, когда он жил с отцом в лаборатории в их лондонском доме. Лорд Чарльз Кавендиш умер в 1783 году, оставив почти все свое весьма существенное состояние Генри. Как и его теория тепла, всеобъемлющая теория электричества Кавендиша была математической по форме и основывалась на точных количественных экспериментах. Работая со своим коллегой Тимоти Лейном , он создал искусственную рыбу-торпеду , которая могла выдавать электрические удары, чтобы показать, что источником ударов от этих рыб было электричество. [28] Он опубликовал раннюю версию своей теории электричества в 1771 году, основанную на расширяющейся электрической жидкости, которая оказывала давление. Он продемонстрировал, что если бы интенсивность электрической силы была обратно пропорциональна расстоянию, то электрическая жидкость, большая, чем та, которая необходима для электрической нейтральности, лежала бы на внешней поверхности электрифицированной сферы; затем он подтвердил это экспериментально. Кавендиш продолжил работать над электричеством после этой первой статьи, но больше не публиковал по этой теме.
Кавендиш писал статьи по электрическим темам для Королевского общества [29] [30], но большая часть его электрических экспериментов не стала известна, пока они не были собраны и опубликованы Джеймсом Клерком Максвеллом столетие спустя, в 1879 году, намного позже, чем другие ученые получили те же результаты. Электрические статьи Кавендиша из Philosophical Transactions of the Royal Society of London были перепечатаны вместе с большинством его электрических рукописей в The Scientific Papers of the Honourable Henry Cavendish, FRS (1921). Согласно изданию Encyclopaedia Britannica 1911 года , среди открытий Кавендиша были концепция электрического потенциала (которую он называл «степенью электрификации»), ранняя единица емкости (сферы диаметром один дюйм), формула для емкости плоского конденсатора [31], концепция диэлектрической проницаемости материала, соотношение между электрическим потенциалом и током (теперь называемое законом Ома ) (1781), законы деления тока в параллельных цепях (теперь приписываемые Чарльзу Уитстону ) и закон обратных квадратов изменения электрической силы с расстоянием, теперь называемый законом Кулона [32] .
Кавендиш умер в Клэпхэме 24 февраля 1810 года [2] (как один из самых богатых людей в Британии) и был похоронен вместе со многими своими предками в церкви, которая сейчас является собором Дерби . Дорога, на которой он жил в Дерби, была названа в его честь, как и дорога около его дома в Клэпхэме, северная часть которой является частью Южной кольцевой дороги . Кавендишская лаборатория Кембриджского университета была пожертвована одним из поздних родственников Кавендиша, Уильямом Кавендишем, 7-м герцогом Девонширским (канцлером университета с 1861 по 1891 год).
Кавендиш унаследовал два состояния, которые были настолько велики, что Жан Батист Био назвал его «богатейшим из всех ученых и самым знающим из богатых». На момент своей смерти Кавендиш был крупнейшим вкладчиком в Банке Англии . Он был застенчивым человеком, который чувствовал себя неуютно в обществе и избегал его, когда мог. Он мог говорить только с одним человеком за раз, и только если этот человек был ему знаком и был мужчиной. [33] Он мало разговаривал, всегда носил старомодный костюм и не имел известных глубоких личных привязанностей за пределами своей семьи. Кавендиш был молчаливым и одиноким и считался многими эксцентричным. Он общался со своими служанками только записками. По одному из рассказов, Кавендиш пристроил к своему дому заднюю лестницу, чтобы избежать встречи со своей экономкой, потому что он был особенно застенчив с женщинами. Современные рассказы о его личности заставили некоторых современных комментаторов, таких как Оливер Сакс , предположить, что он был аутистом . [34]
Его единственным выходом в свет был Королевский клуб общества, члены которого обедали вместе перед еженедельными встречами. Кавендиш редко пропускал эти встречи и пользовался глубоким уважением у своих современников. Однако его застенчивость затрудняла общение; гостям советовали подойти к нему поближе и затем говорить так, как будто «в пустоту. Если их замечания были научно значимыми, они могли получить невнятный ответ». Кавендиш, скорее всего, вообще не отвечал. [15] Религиозные взгляды Кавендиша также считались эксцентричными для его времени. Его считали агностиком . Как комментирует его биограф Джордж Уилсон: «Что касается религии Кавендиша, то он был никем». [35] [36]
В планировке его жилища для личного комфорта отводилось лишь немного места, поскольку его библиотека была отдельно стоящей, верхние комнаты и лужайка предназначались для астрономических наблюдений, а его гостиная была лабораторией с кузницей в смежной комнате. [37] Он также любил коллекционировать прекрасную мебель, примером чего может служить покупка им набора из «десяти инкрустированных стульев из атласного дерева с соответствующим диваном с кабриольными ножками ». [38]
Из-за своего асоциального и скрытного поведения Кавендиш часто избегал публикации своих работ, и многие из его открытий не были сообщены даже его коллегам-ученым. В конце девятнадцатого века, спустя много времени после его смерти, Джеймс Клерк Максвелл просмотрел статьи Кавендиша и нашел наблюдения и результаты, за которые другие были признаны. Примерами того, что было включено в открытия или предвосхищения Кавендиша, были закон обратных пропорций Рихтера , закон Ома , закон парциальных давлений Дальтона , принципы электропроводности (включая закон Кулона ) и закон газов Шарля . Рукопись «Тепло», предварительно датированная между 1783 и 1790 годами, описывает «механическую теорию тепла». До сих пор неизвестная рукопись была проанализирована в начале 21 века. Историк науки Рассел Маккормах предположил, что «Тепло» является единственной работой 18 века, предвосхищающей термодинамику . Физик-теоретик Дитрих Белиц пришел к выводу, что в этой работе Кавендиш «в основном правильно понял природу тепла» [39] .
Когда Кавендиш проводил свой знаменитый эксперимент по определению плотности Земли в хозяйственной постройке в саду своего поместья Клэпхэм-Коммон, его соседи указывали на здание и говорили своим детям, что именно здесь взвешивают мир. [38] В честь достижений Генри Кавендиша и благодаря пожертвованию, предоставленному родственником Генри Уильямом Кавендишем, 7-м герцогом Девонширским, физическая лаборатория Кембриджского университета была названа Лабораторией Кавендиша Максвеллом, первым профессором физики Кавендиша и поклонником работ Кавендиша.
Цифра, которую он приводит для удельного веса Земли, составляет 5,48, воды — 1, но на самом деле среднее значение из 29 результатов, которые он записывает, составляет 5,448
Он не посещал церковь и считался агностиком. «Что касается религии Кавендиша, то он был никем», — пишет его биограф доктор Г. Уилсон.
Член Королевского общества, имевший хорошие возможности судить, утверждает, что «Что касается религии Кавендиша, то он был никем. Единственные предметы, к которым он, по-видимому, проявлял какой-либо интерес, были научными. ...» ...Из того, что было сказано, станет ясно, что было бы тщетно утверждать, что мы знаем с какой-либо определенностью, какую доктрину Кавендиш придерживался относительно Духовных вещей; но мы можем с некоторой уверенностью утверждать, что грядущий мир не поглощал его мысли; что он не проявлял внешнего интереса к религии и не присоединялся к своим собратьям в поклонении Богу. ...Он умер и не подал никакого знака, отвергнув человеческое сочувствие и не оставив нам никаких средств определить, ожидал ли он уничтожения или предвкушал бесконечную жизнь. ...Он не любил; он не ненавидел; он не надеялся; он не боялся; он не поклонялся, как другие. Он отделил себя от своих собратьев и, по-видимому, от Бога.
Медиа, связанные с Генри Кавендишем на Wikimedia Commons
