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最先称量地球的人:卡文迪许

即热是粒子的振动,但在表达振动理论的正确性方面,他超过了牛顿。他说:热是振动粒子的机械动量。他证明了假若力具有某些对称性质的话,则一群粒子的机械动量对时间的平均显然是不变的。他把这一定理与守恒定律联系起来。众所周知,当两个物体热接触时,一个物体损失的能量等于另一个物体获得的能量。对此他做了这样的解释:一个物体里的粒子损失的机械动量,等于第二个物体里的粒子所获得的机械动量。

  有一篇题为《关于热的实验》的很长的手稿,卡文迪许已经誊清,但并未发表。这篇文章是根据他在1765年或1765年以前所做的实验工作写成的。有证据表明,他把这篇文章誊清了而又未发表,是为了不与苏格兰化学家约瑟夫•布莱克竞争优先权。

  他还研究了热的现象。他用硫磺、炭和玻璃等做实验,发现给它们相同的热量,温度却不一样,从而他得出结论:各种物质加热到一定温度时,所需要的热量各不相同。这一结论成为后来比热定律发现的依据。

  卡文迪许在物理学上最主要的成就是通过扭秤实验验证了牛顿的万有引力定律,确定了引力常数和地球平均密度。这项研究工作难度大、要求高,是他一生中最后的一项研究,称为卡文迪许实验。这一实验使用一架灵敏度很高的扭秤。它由轻质杆上固定着的两个质量小的铅球组成,外观像一个哑铃,用掺银的铜线作扭丝把它悬挂起来,铜线上面附有一面小镜,然后用两个质量大的铅球分别靠近这两个小球,这时候哑铃就发生旋转,小镜也跟着偏转。卡文迪许根据所观察到的扭秤的摆动周期计算出两个铅球的引力,然后由计算得到的引力推算出地球的密度。他测得引力常数G(6.754±0.0417)10。8达因,这个常数同现代值相差无几;他测定的地球的平均密度是水的5.48倍,误差是±0.14,现代值是5.518倍。他还由此算出了地球质量,被誉为“最先称量地球的人”。由于这一实验可算出引力常数G,因此使万有引力定律不再是一种比例性的陈述,而是一条定量的精确定律。这是牛顿以来对引力科学的最大贡献。英国物理学家坡印廷在《地球》一书中写道:“卡文迪许实验开创了测量弱力的新时代。”

 以身测电水、氢奥秘

  卡文迪许一生中持续时间最久、最艰苦的科学研究,是他对电学方面的研究,这一研究直到1781年才结束。他首先研究了两个带电体的相互作用,在多次试验的基础上,他明确地指出,同种带电体的相互作用是相互排斥,不同种带电体的相互作用是互相吸引,相互作用力随距离的某次方(小于3次)成反比地变化。这为后来发现的库仑定律奠定了基础。他的关键性的实验连同一个推广的理论结果构,成了一篇未发表的论文纲要。

  他先于法拉第证实了电容器的电容与两极板间的物质有关,揭_|示了电介质极化存在束缚电荷这一事实。此外,他还先于欧姆发现.导体两端的电势差与通过它的电流成正比。更令人惊异的是,卡文迪许是在当时还无法测量电流强弱的条件下,用自己的身体作为一只测量电流的仪表而得出这一正确结论的。他当时是用手指抓住电极的一端,根据仅仅是手指,还是手指到手腕,或是手指一直到肘关节都感到电振,而来估计出电流的强弱。遗憾的是,这些成果当时没有完全公开发表,书面发表的只有两篇文章,而且这两篇文章涉及的材料并不是最重要的。

  直到19世纪中叶,英国物理学家开尔文勋爵在查阅皇家学会档案时,才发现了卡文迪许的许多手稿。后来,英国著名物理学家麦克+斯韦花费了他一生中最后的5年时间,整理了卡文迪许留下的大量资料、实验记录和文稿,并于1879年出版了《尊敬的亨利•卡文迪许的电学研究》一书,这才使我们得以了解他的工作和成果。

  卡文迪许在电学方面的研究成果是多方面的,正如麦克斯韦在《尊敬的亨利•卡文迪许的电学研究》一书中所指出的那样:“这些论。文证明卡文迪许几乎预料到电学上所有的伟大事实,这些伟大事实后来通过库仑和法国哲学家们的著作而闻名于科学界。”

  在化学方面,卡文迪许也有许多突出的成就,其中最杰出的贡献是研究了水的组成,并证明了水是氢和氧的化合物。他发现水的分子式是在1781年,但直到他死后才有人替他发表出来,实际上他比法国化学家拉瓦锡发现得还要早。这一发现在化学史上开辟了新纪元。因为水的用途很广,凡是化学变化,无不是靠水的帮助而进行的。化学界从知道水的真正性质后,才知道了水同其他物质化合的道理。

  他研究了氢气的性质,在1766年发表的《人造气体》一文中指出,氢是作为一种独特的物质存在的;他还用实验证明氢气燃烧生成水。他研究了二氧化碳的性质,指出由腐烂和发酵产生的气体,与大理石受酸作用而产生的气体是相同的。他还研究了空气组成,用实验证明了空气中有惰性气体存在。

  卡文迪许的工作不只是在纯科学方面,他对气象学和其他应用科学也有兴趣。他曾担任过某一委员会的委员。该委员会在负责一项工作,即要想出最好的方法来保护珀弗利特处的火药库不遭雷击。他还曾应政府邀请,协助研究过各种成色的黄金的物理性质,确定最耐磨的合金,因为政府关注硬币中黄金因磨损造成的损耗。

  综观卡文迪许的一生,他虽然出身于大官僚贵族家庭,但却毅然决然抛弃了那种安逸的生活,走上了艰难的科学研究道路。他是有史以来最伟大的实验科学家之一。他孜孜不倦地工作,将全部身心献给了科学事业,终于取得了伟大的成就,在力学、热学、电学、化学等领域都有划时代的贡献。他以学识广博、推理清晰、科学才智罕见而在皇家学会会员中倍受尊敬。一生俭朴的卡文迪许留下大笔遗产,其中一部分由他的家族在1871年捐赠给剑桥大学,剑桥大学用这笔钱建立了举世闻名的“卡文迪许实验室”。卡文迪许的精神伴随着这个实验室,100多年来对物理科学的进步做出了巨大的贡献,前后培养出诺贝尔奖金获得者26人。卡文迪许去世后,人们为了纪念这位大科学家,特意为他树立了纪念碑。

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来源:中国哲士网

作者:佚名

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