Генри Кавендиш FRS ( / ˈ k æ v ən d ɪ ʃ / KAV -ən-dish ; 10 октября 1731 — 24 февраля 1810) — английский натурфилософ и учёный, который был важным химиком -экспериментатором и физиком -теоретиком . Он известен своим открытием водорода , который он назвал «горючим воздухом». [1] Он описал плотность горючего воздуха, из которого при сгорании образуется вода, в статье 1766 года « О фальшивых воздухах» . Позже Антуан Лавуазье воспроизвел эксперимент Кавендиша и дал элементу название.
Застенчивый человек, Кавендиш отличался большой точностью и аккуратностью в исследованиях состава атмосферного воздуха , свойств различных газов, синтеза воды, закона электрического притяжения и отталкивания , механической теории тепла, расчетов плотность (а значит, и масса ) Земли . Его эксперимент по измерению плотности Земли (который, в свою очередь, позволяет вычислить 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 его отцом был лорд Чарльз Кавендиш , третий сын Уильяма Кавендиша, 2-го герцога Девонширского . [2] Семья проследила свою родословную на протяжении восьми веков до нормандских времен и была тесно связана со многими аристократическими семьями Великобритании. Мать Генри умерла в 1733 году, через три месяца после рождения второго сына Фредерика и незадолго до второго дня рождения Генри, оставив лорду Чарльзу Кавендишу воспитывать двух своих сыновей. Генри Кавендиша называли «Достопочтенным Генри Кавендишем». [3]
С 11 лет Генри посещал Newcome's School , 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, не получив ученой степени (в то время это была обычная практика). [4] [5] Затем он жил со своим отцом в Лондоне, где вскоре у него появилась собственная лаборатория.
Лорд Чарльз Кавендиш посвятил свою жизнь сначала политике, а затем все больше и больше науке, особенно в Лондонском королевском обществе . В 1758 году он водил Генри на собрания Королевского общества, а также на обеды Клуба Королевского общества. В 1760 году Генри Кавендиш был избран в обе эти группы, и после этого он усердно посещал их. [2] Он практически не принимал участия в политике, но последовал за своим отцом в науку посредством его исследований и участия в научных организациях. Он был активным членом Совета Лондонского королевского общества (в которое он был избран в 1765 году).
Его интерес и опыт в использовании научных инструментов привели его к тому, что он возглавил комитет по проверке метеорологических инструментов Королевского общества и помощи в оценке инструментов Королевской Гринвичской обсерватории . Его первая статья, Factitious Airs , появилась в 1766 году. Другие комитеты, в которых он работал, включали комитет документов, который отбирал статьи для публикации в « Философских трудах Королевского общества» , и комитеты по транзиту Венеры (1769 г.), за гравитационное притяжение гор (1774 г.) и за научные инструкции для экспедиции Константина Фиппса (1773 г.) 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 создания Королевского института Великобритании Кавендиш стал его менеджером (1800 г.) и проявил активный интерес, особенно к лаборатории, где он наблюдал и помогал в химических экспериментах Хамфри Дэви .
Примерно во время смерти отца Кавендиш начал тесно сотрудничать с Чарльзом Благденом , ассоциацией, которая помогла Благдену полностью войти в лондонское научное общество. В свою очередь, Благден помог миру держаться на расстоянии от Кавендиша. Кавендиш не опубликовал книг и мало статей, но он многого добился. Несколько областей исследований, включая механику , оптику и магнетизм , широко представлены в его рукописях, но почти не 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 легковоспламеняющийся газ, который он назвал «Огнеопасным воздухом», образуется в результате действия определенных кислот на определенные металлы . Этим газом был водород , соотношение которого в воде, как правильно предположил Кавендиш, составляло два к одному. [6]
Хотя другие, такие как Роберт Бойл , получили газообразный водород раньше, Кавендишу обычно приписывают признание его элементарной природы. В 1777 году Кавендиш обнаружил, что воздух, выдыхаемый млекопитающими, превращается в «фиксированный воздух» ( углекислый газ ), а не в «флогистический воздух», как предсказывал Джозеф Пристли. [7] Также, растворяя щелочи в кислотах, Кавендиш получал углекислый газ, который собирал вместе с другими газами в склянки, перевернутые над водой или ртутью . Затем он измерил их растворимость в воде и 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 статью Кавендиш был награжден медалью Копли Королевского общества . Газовая химия приобретала все большее значение во второй половине XVIII века и стала решающей для химической реформы француза Антуана-Лорана Лавуазье , широко известной как химическая революция .
В 1783 году Кавендиш опубликовал статью об эвдиометрии (измерение пригодности газов для дыхания). Он описал новый эвдиометр своего изобретения, с помощью которого он добился лучших 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 получении чистой воды путем сжигания водорода в « дефлогистизированном воздухе» (воздухе в процессе сгорания, известном теперь как кислород ). [7] [8] [9] Кавендиш пришел к выводу, что сжигание водорода вызывает не синтез, а конденсацию 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 открытие. [7]
В 1785 году Кавендиш исследовал состав обычного (то есть атмосферного) воздуха , получив впечатляюще точные результаты. Он проводил эксперименты, в которых водород и обычный воздух соединялись в известных соотношениях, а затем взрывались электрической искрой. Кроме того, он также описал эксперимент, в котором ему удалось удалить, выражаясь современной терминологией, как кислород, так и азот из образца атмосферного воздуха до тех пор, пока в исходном образце не остался лишь небольшой пузырек непрореагировавшего газа. Используя свои наблюдения, Кавендиш заметил, что, когда он определил количества флогистифицированного воздуха ( азота ) и дефлогистированного воздуха (кислорода), остался объем газа, составляющий 1/120 первоначального объема азота. [10] [11] Путем тщательных измерений он пришел к выводу, что «обычный воздух состоит из одной части дефлогистированного воздуха [кислорода], смешанного с четырьмя флогистифицированными [азотом]». [12] [13]
В 1890-х годах (около 100 лет спустя) два британских физики, Уильям Рамзи и лорд Рэлей , поняли, что их недавно открытый инертный газ , аргон , был ответственен за проблематичный остаток Кавендиша; он не допустил ошибки. Что он сделал, так это провел строгие количественные эксперименты, используя стандартизированные инструменты и методы, направленные на воспроизводимые результаты; взяли среднее значение результата нескольких экспериментов; а также идентифицированы и учтены 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, по оценкам, измеряют одну часть из 400 000). Кавендиш работал со своими производителями инструментов, обычно 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 перешел на новую антифлогистическую теорию Лавуазье, хотя и оставался скептически настроенным по отношению к номенклатуре новой теории. [ нужна цитата ] Он также возражал против определения Лавуазье тепла как имеющего материальную или элементарную основу. Работая в рамках ньютоновского механизма, Кавендиш в 1760-х годах занялся проблемой природы тепла, 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. Свои возражения он высказал открыто в своей радиопередаче в 1784 году. Он продолжил разработку общей теории тепла, и рукопись этой теории убедительно датирована 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 понятие (хотя и не ярлык) механического эквивалента тепла .
После смерти отца Генри купил еще один дом в городе, а также дом в Клэпхэм-Коммон (построенный Томасом Кабиттом ), в то время к юго-западу от Лондона. [14] В лондонском доме находилась большая часть его библиотеки, а большую часть своих инструментов он хранил в Клэпхэм-Коммон, где проводил большую часть своих экспериментов. Самый известный из этих экспериментов, опубликованный в 1798 году, был посвящен определению плотности Земли и стал известен как эксперимент Кавендиша . Аппарат, который Кавендиш использовал для взвешивания Земли, представлял собой модификацию крутильных весов, построенных геологом Джоном Мичеллом , который умер, не успев начать эксперимент. Аппарат в ящиках отправили Кавендишу, который завершил эксперимент в 1797–1798 гг. [15] и опубликовал результаты. [16]
Экспериментальный аппарат состоял из торсионных весов с парой 2-дюймовых свинцовых сфер массой 1,61 фунта, подвешенных к плечу торсионных весов, и двух неподвижных свинцовых шариков гораздо большего размера (350 фунтов). Кавендиш намеревался измерить силу гравитационного притяжения между ними. [15] Он заметил, что аппарат Мичелла будет чувствителен к перепадам температур и наведенным воздушным потокам, поэтому он внес изменения, изолировав аппарат в отдельной комнате с внешним управлением и телескопами для проведения наблюдений. [17]
С помощью этого оборудования Кавендиш рассчитал притяжение между шарами по периоду колебаний крутильных весов, а затем использовал эту величину для расчета плотности Земли. Кавендиш обнаружил, что средняя плотность Земли в 5,48 раза превышает плотность воды. Джон Генри Пойнтинг позже отметил, что данные должны были привести к значению 5,448, [18] и действительно, это среднее значение из двадцати девяти определений, включенных Кавендишем в его статью. [19] Ошибка в опубликованном числе произошла из-за простой арифметической ошибки с его стороны. [20] Что было необычным в эксперименте Кавендиша, так это то, что он исключил все источники ошибок и все факторы, которые могли помешать эксперименту, а также точность измерения удивительно малого притяжения, составляющего всего 1/50 000 000 веса свинцовых шариков. Результат, полученный Кавендишем для плотности Земли, находится в пределах 1 процента от принятой ныне цифры.
Работа Кавендиша привела других к точным значениям гравитационной постоянной ( G ) и массы Земли. По его результатам можно рассчитать значение G, равное 6,754 × 10 −11 Н-м 2 /кг 2 , [21] которое выгодно отличается от современного значения 6,67428 × 10 −11 Н-м 2 /кг 2 . [22]
В книгах работа Кавендиша часто описывается как измерение G или 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 на эту ошибку указывали несколько авторы. [25] [26] Заявленная цель Кавендиша заключалась в измерении плотности Земли.
Впервые константа получила такое 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 со своим отцом в лаборатории в их лондонском доме. Лорд Чарльз Кавендиш умер в 1783 году, оставив Генри почти все свое весьма значительное состояние. Как и его теория тепла, всеобъемлющая теория электричества Кавендиша имела математическую форму и основывалась на точных количественных экспериментах. Работая со своим коллегой Тимоти Лейном , он создал искусственную рыбу-торпеду , способную поражать электрическим током, чтобы показать, что источником электрошока от этих рыб является электричество. [28] В 1771 году он опубликовал раннюю версию своей теории электричества, основанную на расширяющейся электрической жидкости, оказывающей давление. Он продемонстрировал, что если бы интенсивность электрической силы была обратно пропорциональна расстоянию, то на внешней поверхности наэлектризованной сферы располагалось бы больше электрической жидкости, чем необходимо для электронейтральности; затем он подтвердил это экспериментально. После этой первой статьи Кавендиш продолжил работать в области электричества, но больше не публиковал по этой теме.
Кавендиш написал статьи по электрическим темам для Королевского общества [29] [30] , но большая часть его электрических экспериментов не стала известна до тех пор, пока они не были собраны и опубликованы Джеймсом Клерком Максвеллом столетие спустя, в 1879 году, спустя много времени после того, как другие ученые приписывают те же результаты. Статьи Кавендиша по электротехнике из « Философских трудов Лондонского королевского общества» были переизданы вместе с большинством его рукописей по электротехнике в « Научных статьях достопочтенного Генри Кавендиша», FRS (1921). Согласно изданию Британской энциклопедии 1911 года , среди открытий Кавендиша была концепция электрического потенциала (которую он назвал «степенью электрификации»), ранняя единица емкости ( сферы диаметром один дюйм), формула емкость пластинчатого конденсатора , [31] понятие о диэлектрической проницаемости материала, связь между электрическим потенциалом и током (теперь называемая законом Ома ) (1781), законы разделения тока в параллельных цепях (ныне приписываемые Чарльзу Уитстон ), а также закон обратных квадратов изменения электрической силы с расстоянием, ныне называемый законом Кулона . [32]
Кавендиш умер в Клэпхеме 24 февраля 1810 года [2] (как один из самых богатых людей 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 возле его дома в Клэпхэме, северная часть которой является частью Южной кольцевой дороги . Лаборатория Кавендиша Кембриджского университета была основана одним из более поздних родственников Кавендиша, Уильямом Кавендишем, 7-м герцогом Девонширским (канцлером университета с 1861 по 1891 год).
Кавендиш унаследовал два состояния, которые были настолько большими, что Жан Батист Био назвал его «самым богатым из всех ученых и самым знающим из богатых». На момент своей смерти Кавендиш был крупнейшим вкладчиком Банка Англии . Он был застенчивым человеком, чувствовал себя некомфортно в обществе и избегал его, когда мог. Он мог говорить только с одним человеком одновременно, и только если этот человек был ему известен и был мужчиной. [33] Он мало разговаривал, всегда был одет в старомодный костюм и не развил никаких известных глубоких личных привязанностей за пределами своей семьи. Кавендиш был молчаливым и одиноким человеком, и многие считали его эксцентричным. Со своими служанками он общался только посредством записок. По одной из версий, Кавендиш пристроил к своему дому черную лестницу, чтобы избежать встречи со своей экономкой, потому что он особенно стеснялся женщин. Современные описания его личности побудили некоторых современных комментаторов, таких как Оливер Сакс , предположить, что он был аутистом . [34]
Его единственным местом общения был Клуб Королевского общества, члены которого вместе обедали перед еженедельными собраниями. Кавендиш редко пропускал эти встречи и пользовался глубоким уважением современников. Однако его застенчивость заставляла тех, кто «интересовался его взглядами... говорить как бы в пустоту. Если бы их замечания были... достойными, они могли бы получить невнятный ответ, но чаще всего они слышали бы раздраженный писк (его голос кажется, был пронзительным) и повернуться, чтобы найти настоящую вакансию, и увидеть Кавендиша, убегающего в поисках более спокойного уголка». [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 вообще был никем». [35] [36]
Планировка его резиденции предусматривала лишь часть пространства для личного комфорта, поскольку его библиотека была обособленной, верхние комнаты и лужайка предназначались для астрономических наблюдений, а его гостиная представляла собой лабораторию с кузницей в соседней комнате. [37] Ему также нравилось коллекционировать прекрасную мебель, примером чего является покупка набора из «десяти инкрустированных стульев из атласного дерева и соответствующего дивана на ножках- кабриоле». [38]
Из-за своего асоциального и скрытного поведения Кавендиш часто избегал публикации своих работ, и о многих своих открытиях не рассказывали даже своим коллегам-ученым. В конце девятнадцатого века, спустя много времени после его смерти, Джеймс Клерк Максвелл просмотрел бумаги Кавендиша и нашел наблюдения и результаты, за которые другие получили должное. Примерами того, что было включено в открытия или ожидания Кавендиша, были закон обратных пропорций Рихтера , закон Ома , закон парциальных давлений Дальтона , принципы электропроводности (включая закон Кулона ) и закон газов Чарльза . Рукопись «Тепло», датированная предположительно 1783–1790 годами, описывает «механическую теорию тепла». До сих пор неизвестная рукопись была проанализирована в начале 21 века. Историк науки Рассел МакКормах предположил, что «Тепло» — единственная работа XVIII века, являющаяся прообразом термодинамики . Физик-теоретик Дитрих Белитц пришел к выводу, что в этой работе Кавендиш «по существу правильно понял природу тепла». [39]
Когда Кавендиш проводил свой знаменитый эксперимент по плотности Земли в пристройке в саду своего поместья Клэпхем-Коммон, его соседи указывали на это здание и рассказывали своим детям, что именно здесь взвешивается 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 Кавендишской лабораторией Максвеллом, первым Кавендишским профессором физики и поклонник творчества Кавендиша.
Цифра, которую он дает для удельного веса Земли, равна 5,48, воды равна 1, но на самом деле среднее из 29 записанных им результатов составляет 5,448.
Он не посещал церковь и считался агностиком. «Что касается религии Кавендиша, то он вообще был никем», — пишет его биограф доктор Г. Уилсон.
Член Королевского общества, имевший хорошие навыки суждения, утверждает, что «Что касается религии, Кавендиш был вообще ничем. Единственные предметы, которые, по-видимому, интересовали его, были научными...» .. ...Из того, что было сказано, окажется, что было бы напрасно утверждать, что мы знаем с какой-либо уверенностью, какое учение Кавендиш придерживался относительно духовных вещей;
но мы можем с некоторой уверенностью утверждать, что мир грядущий не занимал его мысли;
что он не продемонстрировал внешнего интереса к религии и не присоединился к своим собратьям в поклонении Богу.
...Он умер и не подал никаких признаков, отвергнув человеческое сочувствие и не оставив нам возможности определить, ожидал ли он уничтожения или рассчитывал на 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, очевидно, от Бога.
СМИ, связанные с Генри Кавендишем, на Викискладе?
