卡文迪许扭秤的生命历程

1731年10月10日,卡文迪什出生于英格兰的一个贵族家庭。父亲是德文郡公爵二世的第五个儿子,母亲是肯特公爵的第四个女儿。卡文迪什早年从叔叔那里继承了一大笔遗产,他的父亲在1783年去世,留给他一大笔遗产。这样,他的资产超过了654.38+0.3万英镑,成为英国最富有的人之一。

尽管他很富有,但他的生活非常节俭。他穿的永远是几套过时的绅士服装。他吃的很简单,即使是在家里招待客人,也还是羊腿。卡文迪什从未想过如何使用这笔钱。有一次,一位老人经朋友介绍来帮他整理书籍。老人又穷又可怜,他的朋友们曾希望卡文迪许给他更大的奖赏。但工作结束后,卡文迪什对报酬只字未提。事后,这位朋友告诉卡文迪什,这位老人极其贫困,向他求助。卡文迪什惊讶地问道:“我能为他做什么?”朋友说:“给他点生活费吧。”卡文迪什急忙从口袋里掏出一张支票,问道:“两万英镑够不够?”朋友惊讶地叫道:“太多了,太多了!”但是支票已经写好了。由此可见,货币的概念在卡文迪什心中是非常薄弱的。那时候,贵族的社交生活是奢侈的。卡文迪什从未涉足其中。他只参加一种聚会,即皇家学会的科学家聚会。目的很明确:提高知识,了解科学趋势。当时的目击者这样描述。卡文迪什来参加聚会时,总是低着头,弯着腰,双手放在背后,悄悄地走进房间。然后摘下帽子,找个地方默默坐下,不理会其他人。如果有人和他打招呼,他会立刻脸红,害羞。在一次聚会上,一名成员做了一个实验演示。在讲解过程中,这位成员发现旁边有一位衣衫褴褛、面容憔悴的老人在认真听讲。看了他一眼,老人赶紧走了,躲在别人后面。过了一会儿,老人悄悄挤到前面,聚精会神地听。这个奇怪的老人是卡文迪许。很多熟人都知道卡文迪许性格孤僻,不喜欢和人说话。他的朋友中很少有人能和卡文迪什交谈。化学家渥拉斯顿就是其中之一。他总结了一个经验:“和卡文迪什说话的时候,不要看着他,要抬起头来看着天空,就像对着空气说话一样,这样就能听到他的一些观点。”就是这样。卡文迪什话不多。他出奇地沉默寡言。在同龄人中,他可能是说得最少的一个。这种怪癖罗的形成与他成长的环境有关。在他两岁的时候,母亲因为生下弟弟而去世,他从此失去了母爱。他的父亲忙于社交活动,把他交给保姆照顾,很少与外界接触。直到11岁,他被送进了贵族子弟学校,在那里他仍然很少与人交往,这让他特别孤独和害羞。因为这种古怪的性格,卡文迪许长期独居,整天沉浸在自己的科研小世界里。他改造了他家的一些房子。一个豪宅被变成了实验室,一个住宅被变成了公共图书馆,把自己丰富的书籍提供给所有人。1733父亲去世后,他把实验基地搬到了乡下的别墅里。去掉别墅所有华丽的装饰,把客厅变成实验室,楼上卧室变成天文台。甚至在屋前的草地上搭起一个架子,以便爬上树观察星星。至于践踏那些珍贵的花草,他不在乎。这些都说明他根本就是科研走火入魔。在社交生活中,他沉默寡言,显得很孤僻。但在科研上,他思想开放,兴趣广泛,这让他异常活跃。他讨论了从天文学和气象学到地质学和采矿、抽象数学和具体冶金技术的一切。特别是在化学和物理的研究上,他造诣很深,取得了许多重要成果。1766年,卡文迪许发表了他的第一篇论文《论人工空气的实验》。本文主要介绍他对固定空气(即化学命名法提出之前人们所称的二氧化碳)和可燃空气(即氢气)的实验研究。早在1754年,英国化学家布莱克就发现了固定空气,但当时他只知道可以通过加热石灰石来获得,这种物质存在于人们呼出的空气中,由木炭燃烧产生。至于如何收集,其理化性质不得而知。卡文迪什在这些领域做了建设性的工作。卡文迪什考察了收集反应气体的排水集气法。他发现固定的空气可以溶解在水中。常温下能被水吸收的固定空气体积比水本身大一点,冷却后能吸收更多。如果水烧开,溶解在水中的固定空气就会逸出。酒精吸收固定空气的能力更大,约为自身体积的2.25倍。有些碱溶液也能溶解固定空气,所以固定空气的收集不能通过排水和集气来进行,而要在不吸收固定空气的水银面上进行。他的介绍对当时研究气体的科学家很有启发。卡文迪什测量出固定空气比普通空气重1.57倍,测量出石灰石、大理石、珍珠灰等物质中酸排出的固定空气的重量,计算出这些物质中固定空气的含量。他还发现,在普通空气中,如果固定空气的含量占总体积的1/9,燃烧的蜡烛就会在其中熄灭。这些实验研究使人们对二氧化碳的性质有了更多的了解。在卡文迪什之前,很多人已经制造出氢气,但他们并没有认真研究。卡文迪什用稀硫酸或稀盐酸与金属锌或铁反应得到氢气,发现它点燃后立即燃烧,不溶于水和碱,比普通空气轻11倍,与其他已知气体不同,因此断定它是一种新气体。他还发现,一定量的金属与稀酸相互作用释放出的氢气量与酸的种类和浓度无关,而随不同的金属而变化。卡文迪许当时相信燃素,认为氢就是燃素。碰巧当时很多燃素推测燃素有负重量。充满氢气的气球慢慢升空,这鼓励了燃素,他们的猜测似乎得到了证实。但细心的卡文迪许发现了空气的浮力原理,用精确的实验测出了氢的重量,从而否定了燃素有负重量的观点。他虽然相信燃素,但更尊重科学实验的事实。从1771开始,卡文迪什就专心于电学的实验研究,这是一个系统而持久的研究课题。直到1781,普里斯特利在卡文迪许探索过的一个研究课题上有了新的发现,卡文迪许才重新回到对气体的研究。1781年,普里斯特利宣称他做了一个“毫无头绪”的实验:他把卡文迪许发现的氢气和他在一个封闭的瓶子里找到的脱磷空气(也就是氧气)混合,然后用电火花使其爆炸,发现瓶子里形成了露水。他怀疑他的实验结果,也无法解释。当普里斯特利把这一情况告诉卡文迪什时,引起了后者的兴趣。在普里斯特利的允许下,卡文迪什继续进行实验。因为他设计的实验更准确,所以他很快就得出结论。他在1784发表的论文《关于空气的实验》中指出,氢气和普通空气混合爆炸,几乎所有的氢气和1/5普通空气都凝结成露水,这就是水。他还用氧气代替普通空气做了许多实验,还获得了水。他还证明了氢和氧的总体积是2.02: 1。由此,他证实了水是由氢和氧组成的。在上述实验中,卡文迪许遇到了两个意想不到的问题。他发现氢氧混合气体爆炸时,有时产生的水有点酸,可以用碱中和,然后蒸发得到少量硝石。如果有更多的氧气,就会产生更多的酸;如果氢太多,就不会产生酸。这是为什么呢?为此,他继续做了一系列实验,终于解决了问题。他在1785发表的论文中指出,水的酸味是因为它含有硝酸或亚硝酸,它们是因为氧气和氮气混合而形成的。在电火花爆炸的高温下,氧和氮会化合。而氢气与普通空气混合时,由于大量氮气的存在,反应温度不够高,所以不能生成硝酸。这个精细的实验为人们提供了从空气中制取硝酸的方法。卡文迪什还发现,爆炸反应后的硝酸或亚硝酸被钾碱溶液中和,多余的氧气被硫化物溶液吸收后,试管内残留一个小气泡,其体积约为氮气总体积的1/120。这种气体的性质不同于氮气。根本不参与化学反应。到底是什么?卡文迪什无法解释。但是,他给后人提出了一个研究课题。直到100年后,英国化学家瑞利和拉姆齐才证实这部分气体是惰性的。卡文迪什在1767发表的论文也引起了人们的关注。本文介绍了他对水和固定空气的实验。煮沸一口深井的井水,发现固定空气逸出,同时产生白色沉淀。他认为白色沉积物和固定空气本来是溶于水的,它们可能是溶于水的石灰质土壤。为了证明这一观点,他在清澈的石灰水中引入固定空气,起初产生乳白色沉淀。继续通入固定空气后,沉淀物再次溶解,溶液再次清澈明亮。这时,他将溶液煮沸,立即像井水一样释放出固定的空气,并产生白色沉淀。卡文迪什的实验和他的解释让人们认识到一个普遍的自然现象。在石灰岩覆盖的地区,含有二氧化碳的雨水或泉水流经石灰岩地层,缓慢溶解部分石灰岩,形成碳酸氢盐溶液。当这些溶液在岩石中缓慢滴落时,由于温度变化或水蒸气的蒸发,二氧化碳可能会偶然逸出,碳酸钙晶体会随着时间的推移而沉淀,逐渐形成石钟石乳右笋等奇特景象。喀斯特地貌有科学的解释。卡文迪什在1766年发表了第一篇论文,开始引起社会的关注。后来,他发表了一些卓有成效的化学和物理报告,逐渐震惊了英国乃至欧洲的科学界。当时有人表示怀疑。因此,英国皇家学会组织了一个委员会来重复卡文迪许的实验,结果完全证实了卡文迪许卓越的实验技能和他对科学诚实的态度。卡文迪什是一位伟大的科学家,赢得了科学界的尊重。卡文迪什非常崇拜牛顿。他不仅从牛顿那里吸收了献身科学的力量,还接受了牛顿的许多研究项目。他根据万有引力定律研究动力学;根据牛顿关于热是质点振动的观点,做了很多关于热的实验,找到了测量比热的方法。他还利用万有引力定律实验确定地球的密度是水的5.5倍,由此可以计算出地球的相对重量。这些著名的实验不仅验证了万有引力定律的科学性,也说明了卡文迪许有着扎实的数学基础和高超的实验技能。卡文迪什从事科学研究,不图名不图利。当很多人夸他发现氢的时候,他谦虚地说:“这件事已经被别人注意到了。”他的很多论文和实验报告都不是匆匆发表的,尤其是很多关于自然哲学的论述基本上没有发表。也许是因为他的谨慎,也许是因为他的害羞,大部分他认为没有足够实验依据的手稿都没有发表。所以在他近50年的科研生涯中,没有写一本书,这对于推动科研的发展是一个遗憾。虽然卡文迪许一生独居,但科学研究所开辟的新世界却给他提供了特殊的兴趣。他虽然从小身体虚弱,但生活一直很有规律,所以很少生病。直到1810年3月才去世,享年79岁。