亨利·卡文迪什

亨利·卡文迪什（Henry Cavendish，1731年10月10日－1810年2月24日），其姓又譯卡文迪什，是英國著名的物理學家、化學家。他首次對氫氣的性質進行了細緻的研究，證明了水並非單質，預言了空氣中稀有氣體的存在。他首次發現了庫侖定律和歐姆定律，將電勢概念廣泛應用於電學，並精確測量了地球的密度，被認為是牛頓之後英國最偉大的科學家之一。

## 早年

卡文迪什出身貴族家庭，父親查爾斯·卡文迪什是第二代德文郡公爵威廉·卡文迪什最小的兒子，母親是第一代肯特公爵亨利·格雷的女兒安妮·格雷。1731年查爾斯·卡文迪什和安妮在時屬薩丁尼亞王國的尼斯療養，10月亨利·卡文迪什誕生與此地。卡文迪什兩歲時母親去世，自幼接受身為英國皇家學會會員的父親的教育，十一歲時進入以管理嚴格和學生優秀著稱，位於海克雷的紐康姆學校。

1749年11月，十八歲的他進入劍橋大學的聖彼得學院就讀，接受了嚴格的數學訓練，但在1753年，他即將通過考試拿到學位前夕退學，具體的原因不得而知，有學者認為是對考試中的神學測試不滿，有學者則認為這是當時的一種習慣，因為和卡文迪什同屆的十三名fellow-commoners中有八名都放棄了學位。

## 化學研究

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離開劍橋之後不久，亨利·卡文迪什就開始跟隨父親參加皇家學會會員的聚會。1760年，他被選入皇家學會。他最先的化學研究是關於三氧化二砷，他通過砷酸鹽製取和砷酸，同時他也研究了酒石酸鹽，製得了酒石酸。但這兩份實驗報告他都只讀給朋友聽，並未發表，直到瑞典化學家卡爾·威廉·舍勒製得砷酸和酒石酸。1764年在皇家學會宣讀了自己的第一篇論文《對特內里費發現的某些鹽的研究》。

1766年卡文迪什發表了《三篇文章：包含對人工空氣的實驗》（Three Papers：Containing Experiments on Factitious Air）。「人工空氣」一詞為羅伯特·波義耳首創，用來指存在於某種化學物質之中，可以通過化學反應釋放出來的氣體。如約瑟夫·普利斯特里通過碳酸鹽與酸反應生成的二氧化碳。在文章的第一部分中，卡文迪什觀察到鋅、鐵和錫可以與酸反應，生成一種「可燃空氣」（即氫氣），相信燃素說的他認為這就是燃素。他使用了排水集氣法收集了氫氣，進行了乾燥和純化處理，隨後在溫度一定的條件下測定了氫氣的密度。在第二和第三部分中，他研究了約瑟夫·布萊克發現的固定空氣（即二氧化碳，fixed air），由於二氧化碳溶於水，他用排水銀的方法來收集。測量後發現，酸和大理石生成的這種氣體和糖類發酵所得氣體密度相似，他推測兩者為同一種氣體。這篇文章使他獲得了科普利獎章。

他得知普里斯特利發現在空氣中存在「脫燃素氣體」（即氧氣），就將空氣和氫氣混合，用電火花引發反應，得出這樣的結果「在不斷的實驗之後，我發現可燃空氣可以消耗掉大約1/5的空氣，在反應容器上有水滴出現。」隨後卡文迪什繼續研究氫氣和氧氣反應時的體積比，得出了2.02:1的結論。對於氫氣在氧氣中燃燒可以生成水這一點的發現權，當時曾引起了爭論。因為約瑟夫·普里斯特利、瓦特和卡文迪什都作過類似的實驗。1785年瓦特被選為皇家學會會員，爭論以當事人的和解而告終。

卡文迪什敏銳地注意到，生成的水中有少量的硝酸存在。他認為這是反應用的氧氣中含有新物質（主要是氮氣）的原因。1785年卡文迪什在氧氣和空氣混合物中引入電火花，使得空氣中的氧氣和氮氣化合，然後用氫氧化鈉溶液來吸收生成的氮氧化物，發現空氣中殘留下一小部分，大約1/120，無法與氧氣反應生成化合物被氫氧化鈉吸收。經過幾百次的實驗和分析，他得出在今天看來都很精確的結論，空氣中有20.833% 的體積是脫燃素空氣（現在測量值是氧氣佔20.95%）和79.167%的燃素空氣，在燃素空氣中有空氣總體積的1/120的不易和其他氣體反應的濁氣。一直到1894年瑞利和拉姆賽發現稀有氣體氬，才證實了卡文迪什的推測。在拉瓦節提出氧化說，卡文迪什贊成氧化說的簡潔，認為這有利化學的發展，但也不願輕易放棄自己一直採用的燃素說，隨後他將自己的研究重點轉向了物理學領域。

## 物理學研究

卡文迪什在電學上進行了大量重要而不為人知的研究。他在1777年向皇家學會提交論文，認為電荷之間的作用力可能呈現與距離的平方成反比的關係，後來被庫侖通過實驗證明，成為庫侖定律。他和法拉第共同主張電容器的電容會隨著極板間的介質不同而變化，提出了電容率的概念，並推導出平板電容器的公式。他第一個將電勢概念大量應用對電學現象的解釋中。並通過大量實驗，提出了電勢與電流成正比的關係，這一關係1827年被歐姆重新發現，即歐姆定律。卡文迪什對電學的研究基本都沒有發表，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的最後五年致力於對卡文迪什個人實驗記錄的整理，於1879年出版了麥克斯韋注釋的《尊敬的亨利·卡文迪什的電學研究》（The Electrical Researches of the Honourable Henry Cavendish），卡文迪什在電學上成果才使世人知曉。

### 對地球密度的測量

1797年卡文迪什完成了對地球密度的精確測量。他使用的裝置是約翰·米切爾設計，但米切爾本人不久去世，將裝置遺留給了威廉·海德·沃拉斯頓，後被轉送給卡文迪什。裝置是由兩個重達350磅的鉛球和扭秤系統組成。為了消除氣流干擾，卡文迪什將裝置安裝在一個不透風的房間，自己則在室外用望遠鏡觀測扭矩的變化。之後他向皇家學會提交報告，給出了目前看來仍然比較精確的地球密度值。這一測量被稱為開創了「弱力測量的新時代」。很多文章稱卡文迪什求出了萬有引力常數，實際上卡文迪什當時只關心地球的密度，並沒有涉及其他。而採用卡文迪什的測量結果通過計算可以求出萬有引力常量和地球的質量。

## 軼事

卡文迪什沉默寡言，不善交際，對於卡文迪什的生平主要來源於物理學家漢弗萊·戴維和其他一些朋友的記載，同時也流傳著不少傳說。據記載，卡文迪什長年穿著一件褪色的天鵝絨大衣，戴當時已經少見的三角帽，性格獨特，說話顯得猶豫和困難，而面對女士和陌生人會很羞澀而避免和他們說話。他非常喜歡獨自沉思，甚至很少和自己的僕人見面，一般只會在桌子上留下字條說明自己晚餐要吃什麼，常常是「一隻羊腿」。卡文迪什終生未婚，唯一的社會活動就是參加皇家學會俱樂部的兩周一次的會議。他對沒有研究透徹的東西從不發表，所以儘管他一生只提交過不足20篇論文，卻獲得了皇家學會成員的一致尊重。

由於其家庭地位和父母留給他的大量財產，使得他曾是倫敦銀行的最大儲戶，但他心思專注在科學研究中，對於財產，他幾十年都只讓投資顧問買一種股票，不論漲跌。他的一名投資顧問希望建議他向另一股票投資，卡文迪什以平生罕見的大怒的告知對方：「不要拿這些事情來煩我，否則我就解僱你」。故法國科學家畢奧曾說「卡文迪什是有學問的人中最富有的，也很有可能是富有的人中最有學問的。」

1851年，由第一個發現色盲的化學家喬治－威爾遜撰寫並出版了一部関於卡文迪什的傳記，書中對卡文迪什生活中各個方面的仔細觀察和描繪，被美國精神學院的奧利佛·薩克斯引用為判定卡文迪什是一個亞斯伯格症候群患者的有力證據。

卡文迪什於1810年因結腸炎去世。

## 基本資料

- 名字：尊敬的
- 原文名：Henry Cavendish
- 原文名：en
- 出生日期：1731年10月10日
- 出生地：

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撒丁王國尼斯
- 逝世日期：1810年2月24日
- 逝世地：英格蘭倫敦
- 國籍：英國
- 研究領域：化學、物理學
- 機構：皇家研究院
- 母校：劍橋大學彼得學院
- 知名於：氫元素的發現、測量地球密度（卡文迪什實驗）
- 獲獎：科普利獎章（1766年）