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1 # 量子驛站
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在說卡文迪許之前,先提三個人,拉瓦錫,牛頓和麥克斯韋,這三個人的成就不用多說了吧。
拉瓦錫,現代化學之父,牛頓,千古一人,麥克斯韋,電磁學大神。
他們三個都和卡文迪許有莫大的關係,卡文迪許幾乎可以取代拉瓦錫的地位,爵爺的萬有引力常數就是卡文迪許測出來的,而麥克斯韋對卡文迪許佩服之至。
現在可以想見卡文迪許的成就了吧,還是具體說一下吧。
先說化學成就吧。
卡文迪許發現了二氧化碳,中學時我們常做的那個實驗,就是往澄清石灰水中通入二氧化碳,石灰水渾濁,繼續通入,又澄清了,這實驗就是他玩剩下的,也是藉此發現了二氧化碳,並測定了二氧化碳的密度。
發現了氫氣,並且證明了水是由氫和氧組成的,這個發現太恐怖了,之前人們認為世界由地火水風四元素組成,我們中國認為由金木水火土五行組成,其實大同小異,沒什麼區別,現在卡文迪許證明水不是一種基本元素,那麼四元素說就是錯誤的了。
要知道拉瓦錫之所以被稱為現代化學之父就是因為破除了四元素說,可是卡文迪許並沒有再往前走一步。
而且他還測定了空氣成分,指出空氣由氮氣和氧氣組成,拉瓦錫感到了深深的恐懼。
但是為什麼他並沒有取代拉瓦錫呢?
因為他把氫氣認為是燃素,就是說他還是堅持燃素說,而拉瓦錫摒棄了燃素說,提出來氧化說。
但是對氧化說他也並沒有堅決反對,這可不像普利斯特里,此公發現了氧氣,認為氧化說大逆不道。
反過來想,是不是卡文迪許心中也有氧化說的想法,只是懶得說呢?他為什麼懶得說呢 ,這事還沒法解釋,因為他就是這種人。
不信啊,那麼看看他在電磁學上的成就。
偉大的麥克斯韋晚年發現了一個科學寶庫,那就是卡文迪許的個人電學實驗報告,麥克斯韋如獲至寶,在生命的最後五年專門研究這份珍貴資料,最後出版了《卡文迪許的電學研究》。
這份資料到底有多寶貴呢?
舉幾個例子,他認為電荷之間的作用力和距離的平方成反比,這是什麼意思啊,說通俗一點就是庫倫定律,他在庫倫之前就發現了庫倫定律,庫倫感到了來自過去的寒意。
卡文迪許還第一個研究了電勢差,認為電勢和電流成正比,這就是歐姆定律,歐姆也感到了脖子後面吹過一陣涼風。
可是這些定律為什麼沒有叫做卡文迪許定律呢?因為他沒有發表啊,這些都是麥克斯韋整理出來的。
這到底是個什麼樣的人啊,只研究不發表,跟他比起來,爵爺是不是有點慚愧啊。
當初爵爺提出萬有引力定律,但是萬有引力常數並沒有給出,為什麼啊?一方面是爵爺忙啊,要鍊金子,還要收拾萊布尼茨,抽不出空來啊,更重要的一個方面是他沒有卡文迪許扭秤。
卡文迪許扭秤可以說是實驗物理學上最精巧的發明了,卡文迪許首先提出庫倫定律(這句話說的好彆扭),也是由於卡文迪許扭秤。
不過單單一個庫倫定律還不能滿足卡文迪許的野心,他要測萬有引力常數。
卡文迪許在扭秤的兩端放了兩個鐵球,一個質量大,一個質量小,中間用一根鋼絲相連,鋼絲上有一面鏡子。
然後用兩個質量相同的鐵球吸引扭秤上的兩個鐵球,這樣會產生微弱的引力,從而使扭秤上鋼絲髮生扭轉,這個扭轉角度很小,是測不出來的,但是別忘了,鋼絲上面還有一面鏡子呢,只要用平行光照射鏡子,在很遠的地方接受反射光,那麼這個極小的角度就可以測量了啊,就這樣,卡文迪許測出了萬有引力常數。
不過他還是沒有發表論文。
可是他到底是為什麼呢?
首先他有錢,本身就是百萬富翁,不像爵爺要靠科學來提升自己,科學研究對於他來說就是業餘愛好。
傳說他一個僕人說手頭有點緊,他隨手就開出了一張一萬英鎊的支票,那個時代的一萬英鎊啊,絕對可以在倫敦買一套別墅啊,我真想去他門下跑腿啊,一方面是出於對他的科學成就的尊重,另一方面嘛,我不說了,大家都明白。
其次呢,就是他生性靦腆,不愛交際,就是和他的管家說話,也靠書信,例如中午想吃啥,也給管家一個條,寫上“中午涮羊肉”。
偶爾說兩句話,也是關於科學的,要是不談科學,他扭頭就走。這麼說吧,就是一死肥宅。
這樣的死肥宅會找到老婆嗎?當然找不到了,所以說他終生未婚,其實他結不結婚也無所謂,他在科學中得到的樂趣要遠大於在常人在婚姻中得到的樂趣。
最後說卡文迪許實驗室,卡文迪許實驗室並不是他建的,而是他的一個近親,當時是劍橋大學校長,捐了一筆鉅款,這筆鉅款有多大呢?才8000多鎊,還不如他賞給僕人的多,委託麥克斯韋建造的。
卡文迪許實驗室的人員就是一本諾貝爾獎名單,湯姆生,盧瑟福,康普頓,威爾遜,查德威克,布拉格,還有發現DNA雙螺旋結構的沃森與克拉克,都曾在卡文迪許實驗室工作過。
人家這一家子怎麼就這麼牛呢?
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簡介
圖1. 亨利·卡文迪許
卡文迪許(1731-1810)是一位英國的科學家,他一生的研究領域涉及到了實驗化學、理論化學以及物理等等,研究成果也有很多。他的主要研究成果如下:
1. 發現氫氣
2. 研究大氣空氣成分
3. 測量地球密度
4. 確定水是化合物而不是單質
5. 發現二氧化碳
圖2. 卡文迪許製備和收集氫氣的裝置
萬有引力常量的歷史爭議以上提到的這些成果並沒有提到那個我們眾所周知的實驗,即卡文迪許的扭秤實驗。記得在高中我們學習萬有引力的時候學到,卡文迪許第一次用扭秤實驗測得了萬有引力常量。其實更準確的說法應該是卡文迪許的工作使後人可以計算出萬有引力常量,而卡文迪許並沒有直接測量萬有引力常量。他設計的扭秤實驗實際上是用來測量地球密度的。
關於水的實驗卡文迪許的另一個成就就是確定了水的成分,他發現水是化合物而並不是單質。為什麼確定這一點很重要呢?因為古希臘的學說認為宇宙萬物都是有四種元素組成的,即“土、氣、水、火”,這就是所謂的四元素說。在我們今天看來,這種觀點很明顯是錯誤的。但是歷史上推翻這個觀點卻費了很大的周折。卡文迪許發現了水是化學物而不是單質,說明水並不是最基本的,而是由其它更基本的物質組成的。這就為近代化學的發展奠定了基礎。
電學研究我們知道的比較早期的電學實驗是庫侖做出的,他定量地得到了著名的庫侖定律。但是在庫侖之前,卡文迪許也進行了許多電學實驗,但是他的電學方面的研究成果直到被麥克斯韋收集出版後才公之於眾而受到認可。他在電學方面的發現包括電位概念的提出、平板電容器公式的提出,材料介電常數概念的提出等等。他甚至於庫侖之前發現了電場力的平方反比法則,但是正如我們看到的,現在這個定律更廣泛地被稱為庫侖定律。