（看上篇文章的反響大家好像都比較喜歡看科學史的系列啊，那我就交替著寫吧）

今天我們來講講這位不時就會在高中課本里出現的傳奇科學家：卡文迪許的故事。

我實在是沒法直截了當地在第一句就向大家概括今天我要講的內容，原因很簡單，正如第一句話所說，這位科學家算是個全才型的科學家，在化學、物理的多個領域都有卓越的貢獻（放到如今的世界可能包攬幾個諾獎也沒問題），所以我這裡也只是挑最重要的介紹。

好，那麼時間回到1731年10月10日，我們的故事開始了。

卡文迪許一生的開局可以說是“夢幻開局”了，他的父親是德文郡公爵二世的小兒子，而母親則是第一世肯特公爵的女兒，按現在的標準妥妥的是個富二代。

那個時代，貴族擁有著一輩子也吃不完的資產——也就是頭銜，只要有這個頭銜，基本上一輩子過著吃穿不愁的生活那是絕對沒問題的，這也就是為什麼貴族裡有那麼多整天遊手好閒的紈絝子弟。

但我們的卡文迪許不一樣，儘管他的父親是貴族，但也是皇家學會的會員——比起鑽營和炫富，他的父親對科學更感興趣。也正是在這種氛圍薰陶的環境之下，他才在母親早逝與父親忙於交際這樣缺失家庭支撐的情況下考上了劍橋大學。

空中俯瞰全球知名的高等學府——英國劍橋大學

不過我們的卡文迪許或許是因為對畢業考試中的神學題目不滿，於是就從劍橋大學肄業了。

當然這在當時並不算奇怪，畢竟那個年代，能上大學的孩子根本不需要學位來撐腰，卡文迪許自然也不例外。

離開大學之後，卡文迪許也沒有就此銷聲匿跡，他選擇和父親一起出入皇家學會，開始了自己的秘密獨立研究——而正是這些研究，成就了他的偉大。

我們就從“空氣”說起。

“空氣”

我們在化學課上都會學到空氣的組成：78%的氮氣，21%的氧氣，還有1%的二氧化碳、水蒸氣、氬這類的稀有氣體和其他氣體。

空氣的組成，和我上面說的一樣

但在幾百年前，空氣的組成根本不像現在這樣只是初中課本的水平，恰恰相反，那時對“空氣”的研究可以稱得上是時代前沿了。

當然，初中化學也說了拉瓦錫是第一個測出空氣成分比例的科學家，那我們今天的主角卡文迪許對空氣相關研究的貢獻又在哪裡呢？

他首先研究的是氮氣，他發現在空氣中用電火花就會產生化合物，如果繼續加氧氣顏色就會進一步變深，而且產生的氣體溶於水會產生酸（這也就是如今所謂的氮氣和氧氣在放電的條件下化合為一氧化氮，然後一氧化氮再氧化為二氧化氮，二氧化氮溶於水形成硝酸的過程）

在對於氮氣的研究中，他知道了去除空氣中氮氣的方法，在此之後，他最具超前性的研究就出現了，也就是關於空氣中含量連1%都不到的稀有氣體的報告。

他的實驗方法也是非常神奇：把一根U型管兩端密封起來，這樣就可以保證管裡的氣體不會和空氣交換而白做實驗。

然後他就想：既然空氣中的氮氣和氧氣能通電後化合再吸收而被消耗掉，那麼我這樣一直通電反覆消耗就肯定會有把它們消耗完的那一天，這時就可能會有新發現了。

於是他和僕人就在那裡輪流搖了三週的起電機，一直重複著通氧氣、通電化合、液體吸收的步驟。

最後，他發現始終有一個小氣泡存在，這時他當機立斷，判斷空氣中有一種質量分數不超過1/120的不與氧化合的新氣體。

各位看官就看我這麼說可能會覺得這也沒啥的，畢竟課本早就把“稀有氣體一共六種，氦氖氬氪氙氡”寫在上面了。但各位可能不知道的是，卡文迪許斷定空氣中有這種成分是在1784年，而人類發現第一種稀有氣體氬是在1894年，這之間足足有著110年的時間差。

也就是說，卡文迪許在裝置和技術落後了百年之久的情形下，仍舊靠著自己對科學的熱情和技能，堅持做一個連結果都不知道是否存在的實驗三週之久，並最後做出了超前一個世紀的正確論斷（雖然也是因為他的論斷太超前才導致這一百年間都沒人能夠繼往開來）。

就這一條，他也無愧於“偉大的科學家”的評價了。

當然，還不止這些。

上面我也有提到，拉瓦錫是第一個測出空氣成分比例的科學家，但卡文迪許做了這麼多關於空氣的實驗，也不可能對此事毫無瞭解。實際上，拉瓦錫在1777年測定出空氣各成分比例（也就是書上經典的那個1：4）之後，卡文迪許在1784年也測定出了空氣的各成分比例，而且比之於拉瓦錫的那個比較粗略的1：4，他把比例精確到了氧氣佔20.833%，這與我們如今測出來的準確值20.95%，只有0.56%的誤差。

另外，卡文迪許也曾經在對金屬和酸的實驗中發現了氫氣（這也正是如今實驗室制氫氣的方式），並按照我們如今實驗也會用的排水集氣法收集並測定了氫氣的密度，而且他還發現在空氣中用電火花點燃氫氣會產生水。

現在，我們學會的第一個化學方程式可能就是氫氣和氧氣燃燒生成水的這個方程式。

氫氣和氧氣化合生成水

所以各位看官可能會覺得氫氣點燃生成水是理所當然的。

但在卡文迪許的那個時代，正確的元素學說都沒有被建立，就更別提燃燒了。當時的人們甚至信奉四元素說，也就是認為萬物都由水火土氣這四種基本元素組成，可是卡文迪許的這個實驗就證明了水不是基本元素之一，水也是可以再分的。

要知道，這個四元素說正是柏拉圖和亞里士多德提出來的，說水不是一種基本元素無異於伽利略設想的兩個鐵球同時落地，都是對這幾位從古希臘時期就一直延續下來的老權威的挑戰。而卡文迪許，則在這個背景下透過自己的實驗技術為四元素說重重地敲響了一記喪鐘。

稱量地球

當然，卡文迪許還不止是一位偉大的化學家，他也是一位偉大的物理學家。

而他在這方面最廣為人知的成就，就是“測量地球”。

當然，地球這麼重，肯定是不能就像稱體重那樣上秤稱一下就萬事大吉了。

所以實際上卡文迪許做的工作是測定了地球的密度和萬有引力常量G。（這一點有爭議，但用他的實驗裝置確實可以測出萬有引力常量）

他的物理成就和萬有引力有關，沒錯，就是牛頓被蘋果砸（雖然實際上並沒有）之後發現的那個

在高中物理裡，大家都知道這個公式，這裡的F就是所謂的萬有引力，G就是上面說的萬有引力常量——不過這樣問題就來了：它雖然是個常量，但在這個定律只缺少一個比例係數而無法計算F的情形下，它的值又是怎麼測出來的呢？

讓我們來看看卡文迪許的設計：

卡文迪許測量地球的密度是從求牛頓的萬有引力定律中的常數著手，再推算出地球密度。他的指導思想極其簡單，用兩個大鉛球使它們接近兩個小球。從懸掛小球的金屬絲的扭轉角度，測出這些球之間的相互引力。根據萬有引力定律，可求出常數G。

百度百科-https://baike.baidu.com/item/亨利·卡文迪許/3732425

沒錯，這就是有名的卡文迪許扭秤實驗。

簡單地說來，他的思路按現在的說法可以說是把兩個小球掛在一根杆的兩端，然後用兩個大球去接近小球，這樣萬有引力的存在就會使得小球被吸走，這時看懸掛杆的扭轉角就可以得出萬有引力的值，再透過萬有引力定律的公式就能反向倒推出G——本來應該是這樣就可以了的。

大家可能會不明白，明明這套邏輯過程看下來很行雲流水哪兒又有毛病啊？

問題其實就出在我們要測的這個G上。G的值大致上是，大家可以看到，這個數值非常小，再帶入現實中的鐵球質量和能實現的距離，大家會發現引力小得驚人——這引力小到現在也需要精密儀器才能測定出來，更何談測定手段遠沒有現代發達的18世紀呢？

那麼卡文迪許又想到了什麼妙招來測定這本不可能測出來的微小力呢？

物理第一課講物理思想的時候應該有講到一種放大的思想，就是把比較小不容易測定的物理量透過變化比較大容易測定的物理量來展示出來，這樣就便於測定了。而我們的卡文迪許，他在物理書把這句話寫進去的幾百年前就已經實踐了這種思想。

他想：既然我沒有辦法直接測定，那我就用間接的辦法，不是沒法測定微小形變（對應微小力）嗎？那我就在支架的中間放面小鏡子，然後放一個固定光源，再放一面接收的鏡子，看光移動的角度，這不就可以精確測定了嗎？

這和如今我們書上說的“用鐳射點的移動測定桌子的微小形變”的道理簡直如出一轍——只不過卡文迪許是在幾百年前就已經想到了。

把某個難測量的微小目標量放大成便於測量的其他物理量的這種做法我們至今沿用

藉此，他就順勢測量出來了地球的密度，地球的半徑早在古希臘時代就已經有人提出了較準確的值，地球的質量也便唾手可得了。

以他的方法測定出的G大概是，這與我上面列出的現代值的誤差只有1.26%；而他測量出來的地球密度為,與現代值的誤差僅有0.49%。

因而我們把他的這些成就叫做“稱量地球”。

當然，他在物理方面的成就也不只是在稱量地球這方面，大家熟知的“電荷間作用力與距離的平方成反比（庫侖定律）”、“（歐姆定律）”、“電容器的電容和其本身的介電性質有關（介電常數的存在）”、“導體的電荷分佈不均勻，集中接觸的地方最密（感應起電的原理）”等這些定律和規律也都是他最先發現的——如果他要是肯多發表發表他的成果，或許很多定律也該改名字了。

貴族

說過了這麼多他的成就，我們也來說說生活中的卡文迪許。

就看上面他的那些領先甚至超前的研究，大家會不會有一種“蓬頭垢面、不修邊幅，鑽進實驗室就能很久不出來直到下一個大發現新鮮出爐”的形象？

其實這並不完全符合他的形象。而且，在那個年代，科學被貴族階層視為新鮮的玩具，他這種有貴族身份的科學家，那真的無疑是現在流行的“凡爾賽”本“賽”了——畢竟他只要把他那些玄妙的實驗隨便拿出一個用來炫耀，那也足夠讓那些雖然看不懂但喜歡附庸“風雅”的貴婦人和公子哥們為之折服了。這麼一說，大家會不會又產生了一種“紈絝子弟、風流倜儻、遊手好閒”的印象？

16世紀中期的英國服裝。從左邊，貴族，士兵，男人和女人，中產階級，兩個貴族婦女，一個倫敦商人

但這樣的印象也是錯的。

畢竟他要真整天忙於炫耀和社交，那他哪裡來的時間去進行真正偉大的發現？

那麼，真實的他是個什麼樣的人呢？

真實的他就像是把天賦點都加在實驗上了，他幾乎就沒有什麼社交的能力和興趣：他平時幾乎不出門社交，除了每週一次的由偉大的博物學家約瑟夫·班克斯舉辦的科學界聚會，但哪怕是在科學家的聚會中，他也常常是找個角落縮著一言不發，要想聽到他的寶貴意見，必須要裝作不經意地在他能聽見的距離對著空氣“自言自語”，這樣才間或能得聞他一些模糊的回答——有時還會是含著怒氣的尖叫。

有一次，一位不知他脾性來自奧地利的科學家在聚會上當面稱讚了他，結果卡文迪許當場尷尬癌發作，不管人家遠道而來，也顧不上什麼有失遠迎的禮數了，直接魂不守舍地奔向馬車，直衝自家，只留下眾人面面相覷，不知如何是好。

而對於一直照顧他的管家，他也一直都是用書信來交流，從來不願多說話。

上面的種種怪行為，可不是因為他目中無人或者沒有情商，原因正如我最開始的時候所說：要是按現在的標準，他妥妥地能算一個“社恐”。他真的就會做實驗而不懂如何交際。

按現在的標準，這就是社交恐懼

另外，貴族很多也擅長玩弄權術和錢術，然而我們的卡文迪許在這些方面也是完全沒有加任何天賦點。譬如有一次，他的一個僕人生了病生活困難想向他借點錢，結果他大手一揮就開出來了一張一萬英鎊的支票（約合現在的8.9萬人民幣，考慮到通貨膨脹和現代的差距，這真的是一筆鉅款）；還有一次，他在倫敦銀行的理財顧問因為看不下去他一直以能位列最大儲戶的資產買同一種股票，就勸他換一種股票買，結果他勃然大怒：“不要拿這些瑣事來煩我，否則我就解僱你”。

他這種“對錢不感興趣”的程度，可能連如今的馬雲都難比。

真·對錢不感興趣

但也正是因為他沒有成為普通的“貴族”，世界上才多了一個偉大的科學家。

最後...？

如今，這個名字在世上的最大留存可能就是在劍橋的卡文迪許實驗室了。

DNA結構的發現也和卡文迪許實驗室有關

在麥克斯韋建立這個實驗室後，這個實驗室逐漸發展成了世界頂尖的全學科實驗室，不僅培養了29名諾獎得主，還催生了大量足以影響人類進步的重要科學成果，比如發現電子、中子、原子核的結構，發現DNA的雙螺旋結構和X光的散射等，為人類的科學發展作出了舉足輕重的貢獻。這無疑是對他——一個偉大的實驗科學家——最好的紀念了。

他遠沒有牛頓那麼有名，雖然研究科學一生，研究成果卻因為性格的因素基本沒有發表，若不是麥克斯韋的整理，恐怕它們就真的永遠爛在故紙堆裡了。

儘管上帝也許給予他過於完美的智慧，卻無從給他一個更好的性格，但他的開拓與探索精神，卻在科學殿堂中永遠散發著耀眼的光芒，指引後來者勇敢前行。