Генри Кавендиш - 200 лет тайны
Cavendish Henry signature.jpg
Генри Кавендиш (англ. Henry Cavendish; 10 октября 1731 — 24 февраля 1810) — знаменитый британский физик и химик, член Лондонского королевского общества (с 1760 года).
Биография
Генри Кавендиш родился 10 октября 1731 в Ницце в семье лорда Чарльза Кавендиша, герцога Девонширского, и леди Анн Грей. Учился в Кембриджском университете в 1749—1753 годах, но не закончил обучение. Унаследовав крупное состояние, он тратил почти все доходы на проведение экспериментов. Умер в Лондоне 24 февраля 1810 года. Завещание учёного содержало категорическое требование, чтобы склеп с его гробом сразу после похорон был наглухо замурован, а снаружи не было никаких надписей, указывающих, кто в этом склепе похоронен. Так и было сделано. Кавендиша похоронили 12 марта 1810 года в соборе в Дерби. Ни осмотра тела, ни вскрытия трупа не производили. И ни одного достоверного портрета Кавендиша тоже не сохранилось.
Научные достижения
Склонность к научной деятельности и необыкновенную экспериментальную ловкость Кавендиш унаследовал от отца, деятельно и успешно занимавшегося метеорологией. Приблизительно с 1765 г. Кавендиш начал публиковать свои учёные работы, помещенные все в "Philosophical Transactions", журнале королевского общества, членом которого Кавендиш состоял с 1760 г. Ряд работ о газах (1766 - 1785) начинается изучением водорода. Кавендиш находит, что он в 11 раз легче воздуха и этим наводит на мысль применить его к воздухоплаванию; далее следует изучение углекислоты, газов, развивающихся при гниении и т.д. Работа "Experiments on Air" (1784) содержит открытие чрезвычайной важности, именно открытие состава воды.
Работы в области химии относятся к пневматической (газовой) химии, одним из создателей которой он является. В 1766 году Кавендиш опубликовал первую важную работу по химии — «Искусственный воздух», где сообщалось об открытии «горючего воздуха» (водорода). Выделил (1766 г.) в чистом виде углекислый газ и водород, приняв последний за флогистон, установил основной состав воздуха как смесь азота и кислорода. Получил окислы азота. Сжиганием водорода получил (1784 г.) воду, определив соотношение объёмов взаимодействующих в этой реакции газов (100:202). Занимался определениями теплоты фазовых переходов и удельной теплоёмкости различных веществ. Изобрёл эвдиометр — прибор для анализа газовых смесей, содержащих горючие вещества, ввёл в практику осушители. Точность его исследований была столь велика, что позволила ему при получении (1785 г.) окислов азота посредством пропускания электрической искры через увлажненный воздух наблюдать наличие "дефлогистированного воздуха", составляющего не более 1/20 части общего объема газов. Это наблюдение помогло У. Рамзаю и Дж. Рэлею открыть (1894 г.) благородный газ аргон. Свои открытия объяснял с позиции теории флогистона.
Большинство работ Кавендиша по электричеству оставались неизвестными до 1879 г., когда Дж. К. Максвелл опубликовал эти исследования, хранившиеся в виде рукописей в библиотеке кембриджского университета. Только тогда стало известно, что он экспериментально установил целый ряд многих электрических явлений, позже и независимо от него открытых другими исследователями.
В одной из этих работ (1773) Кавендиш за 12 лет до Кулона опытно нашёл закон взаимодействия электрических масс, называемый обыкновенно законом Кулона. Закон этот высказан был Кавендишем ещё в 1771 г. в его статьях, относившихся к теории электричества. В другой работе Кавендиш за 65 лет до Фарадея открыл влияние не проводящих электричество сред на ёмкость конденсаторов и определил численные величины диэлектрических постоянных для некоторых веществ. Все эти работы помещены в сочинении "The Electrical Researches of The Honourable Henry Cavendish", изданном в 1879 г. Максвеллом.
К 1798 г. относится знаменитое опытное исследование Кавендиша взаимодействия тел под влиянием силы тяготения; работа производилась по способу, предложенному ещё раньше Дж. Митчелом. В 1798 Кавендиш сконструировал крутильные весы и измерил с их помощью силу притяжения двух сфер, подтвердив закон всемирного тяготения, тем самым получив возможность определить гравитационную постоянную, массу и среднюю плотность Земли.
Интересные факты
В частной жизни Кавендиш всегда был чудаком и оригиналом. Обладая колоссальными средствами, Кавендиш тратил свои доходы не только на научные опыты, но и на поддержку молодых учёных. Излюбленным способом тратить деньги была для Кавендиша благотворительная деятельность.
Как-то раз, узнав, что студент, помогавший ему упорядочивать библиотеку, оказался в трудной финансовой ситуации, Кавендиш немедленно выписал ему чек на 10 тысяч фунтов — сумму по тем временам громаднейшую. Подобным образом он поступал всю жизнь — и, тем не менее, всегда располагал миллионами фунтов стерлингов, будто обладал сказочным «неразменным рублем».
Кавендиш был чрезвычайно стеснительным человеком и часто выглядел чудаком в глазах окружающих. Со своими домашними он объяснялся исключительно знаками, раз навсегда выработанными, дабы не терять напрасно времени и слов. Только с друзьями по науке он делался разговорчивым и охотно делился своими обширными знаниями. Избегал всякого общения с женщинами. Например, он пользовался специально пристроенной наружной лестницей в своём доме для того, чтобы не пересекаться со служанками в доме.
Большинство научных работ Кавендиша не публиковалось вплоть до второй половины XIX века, когда Джеймс Максвелл занялся разбором архивов Кавендиша. И даже сейчас несколько ящиков, заполненных рукописями и приборами, назначение которых не поддаётся определению, остаются не разобранными. А то немногое, что известно, выглядит весьма необычно. Кавендиш проводил научные эксперименты, на целые столетия опережая своё время. Так, например, он рассчитал отклонения световых лучей, обусловленные массой Солнца, за 200 лет до Альберта Эйнштейна, и расчёты его почти совпадают с современными.
Одним из следствий его гравитационных измерений было довольно точное определение плотности Земли. Однако, этот результат не был известен почти 100 лет, так как Кавендиш не заботился ни о публикации своих работ, ни о каком-либо признании учёным миром. Хотя распространено мнение, что всемирно известная Кавендишская лаборатория названа в честь Генри Кавендиша, это не соответствует действительности. Она названа в честь родственника Генри, Уильяма Кавендиша, 7-го герцога Девоншира. Он был канцлером Кембриджского университета и пожертвовал крупную сумму на открытие первой в мире учебно-научной лаборатории при университете.
Эксперимент Кавендиша — первое экспериментальное измерение гравитационной постоянной.
История
Установление Ньютоном закона всемирного тяготения явилось важнейшим событием в истории физики. Его значение определяется, прежде всего, универсальностью гравитационного взаимодействия. На законе всемирного тяготения основывается один из центральных разделов астрономии — небесная механика. Мы ощущаем силу притяжения к Земле, однако притяжение малых тел друг к другу неощутимо. Требовалось экспериментально доказать справедливость закона всемирного тяготения и для обычных тел. Именно это и сделал Г. Кавендиш, попутно определив среднюю плотность Земли.
F = g(m1m2)/R2
где m1 и m2 — массы материальных точек, R — расстояние между ними, a F — сила их взаимодействия.
До начала XIX века g в закон всемирного тяготения не вводилось, так как для всех расчётов в небесной механике достаточно использовать постоянные gm1, имеющие кинематическую размерность. Постоянная g появилась впервые, по-видимому, только после унификации единиц и перехода к единой метрической системе мер в конце XVIII века. Численное значение g можно вычислить через среднюю плотность Земли, которую нужно было определить экспериментально. Очевидно, что при известных значениях плотности и радиуса Земли, а также ускорения свободного падения g на её поверхности можно найти g.
Установка

Крутильные весы
Первоначально эксперимент был предложен Джоном Митчеллом. Именно он сконструировал главную деталь в экспериментальной установке — крутильные весы, однако умер в 1793 так и не поставив опыта. После его смерти экспериментальная установка перешла к Генри Кавендишу. Кавендиш модифицировал установку, провёл опыты и описал их в Philosophical Transactionsв 1798. Установка представляет собой коромысло с прикреплёнными к его концам небольшими свинцовыми шарами. Оно подвешено на нити из посеребрённой меди длиной 1 м. К шарам подносят шары большего размера массой 159 кг, сделанные также из свинца.
В результате действия гравитационных сил коромысло закручивается на некий угол. Жёсткость нити была такой, что коромысло делало одно колебание за 15 минут. Угол поворота коромысла определялся с помощью луча света, пущенного на зеркальце на коромысле. Зная упругие свойства нити, а также угол поворота коромысла, можно вычислить гравитационную постоянную. Для предотвращения конвекционных потоков установка была заключена в ветрозащитную камеру. Угол отклонения измерялся при помощи телескопа. Первоначально Кавендиш приписал закручивание нити магнитному взаимодейстивию железного стержня и свинцовых шаров. Кавендиш заменил его медным, однако результаты получились те же самые.
В «Британнике» утверждается, что Г. Кавендиш получил значение g = 6,754.10-11 м3/(кг·с2). Это же утверждают Е. P. Коэн, К. Кроув и Дж. Дюмонд. Л. Купер в своём двухтомном учебнике физики приводит другое значение: g = 6.71.10-11м3/(кг·с2), а О. П. Спиридонов — третье: g = (6.6 ± 0.04).10-11 м3/(кг·с2). Однако в классической работе Кавендиша не было приведено никакого значения g. Он рассчитал лишь значение средней плотности Земли: 5.48 плотностей воды (современное значение 5,52 г/см3). Вывод Кавендиша о том, что средняя плотность планеты 5,48 г/см3 больше поверхностной ~2 г/см3, подтвердил, что в глубинах сосредоточены тяжёлые вещества.
Гравитационная постоянная была введена, по-видимому, впервые только С. Д. Пуассоном в «Трактате по механике» (1811). Значение g было вычислено уже после другими учеными из данных опыта Кавендиша. Кто впервые рассчитал численное значение g, историкам неизвестно.
Эксперимент многократно повторялся многими экспериментаторами, уточнявших результат Кавендиша. Ниже приведены некоторые из этих экспериментов:
Год Экспериментатор Описание опыта Плотность Земли, г/см3 Гравитационная постоянная
10-11 м3/(кг·с2)
1837-1847
Рейх
5,58
6,71
1842
Бэли
 Было проведено 2000 опытов
5,66
6,62
1872
Корню и Байль
 При помощи более совершенного прибора, составленного из алюминиевого стержня, маленьких платиновых шариков и больших стеклянных шаров, наполненных ртутью
5,53
6,77
1880
Жолли
 Использовал обыкновенные рычажные весы
5,692 ± 0,068
6,58
1887
Вильзингом
 Вместо горизонтального стержня, отклоняемого тяжёлыми шарами в опытах Кавендиша, употреблён вертикальный
5,58
6,71
1982
G.Luther и W.Towler
5,617
6,67260
2000
Университет 
Вашингтона в Сиэтле
5,6154
6,67390
Некоторые из опубликованных работ Кавендиша:
  • Электрические явления (Phenomena of Electricity, 1771);
  • Открытие состава воды (Discovery of the Composition of Water, 1784);
  • Открытие состава азотной кислоты (Discovery of the Composition of Nitric Acid, 1785);
  • Точка замерзания ртути (Freezing Point of Mercury, 1783);
  • Опыты по определению плотности Земли (Experiments to Determine the Density of the Earth, 1798);
  • Усовершенствованный метод градуировки астрономических инструментов (An Improved Method for Graduating Astronomical Instruments, 1809).

    •