麥克斯韋也是站在了他的肩膀上，他本該靠電磁學聞名於世，卻偏偏只被當成測出引力常數的第一人

來源：SMETalk

如果你有機會發現歐姆定律、庫倫定律等能載入史冊的成果，你會怎麼做？

在18世紀，一位性格孤僻的科學家，竟選擇讓這些理論爛在了手稿里，至死未曾發布。

到19世紀末，電磁學之父麥克斯韋在查閱資料時，才發現這20捆塵封的神秘手稿。

這些驚為天人的理論和猜想，讓麥克斯韋都懷疑此人為穿越者。

卡文迪許，這個名字對大多數人算不上陌生。

但也僅僅停留在那位用扭秤測出引力常量的人物。

在物理課本中，他的名字總與牛頓形影不離，但卻連個畫像都沒有。

然而，卡文迪許隱藏之深遠超過了所有人的想像。

他一輩子只發表了不到20篇論文，但這些研究涵蓋的全是開創性的領域。

他最早研究了二氧化碳、發現了氫氣和惰性氣體。

就連後來締造了一個個偉人的不少概念，如電勢、歐姆定律、庫侖定律都由他最早提出。

但讓人惋惜的是，他竟把這大部分成果都埋藏在手稿里...

亨利·卡文迪許

若以今天的眼光去看，亨利·卡文迪許絕對是個富二代。

他的父親查爾斯是第二世德文郡公爵的小兒子，母親則是第一世肯特公爵亨利·格雷的女兒。

可是，含著金鑰匙出生的卡文迪許，卻從未享受到家庭的溫暖。

還未滿兩歲其母親就因難產去世，在他記憶里幾乎找不到媽媽的身影。

第二世德文郡公爵，卡文迪許的爺爺

他父親也忙於交際，無暇給予足夠關注。

不過幸運的是，其父親並非等閑之輩，是皇家學會的會員。

在科學氛圍的熏陶之下，卡文迪許才得以進入以優秀和嚴格著稱的哈克尼學院。

之後18歲的卡文迪許也順利畢業，並考入了劍橋大學的聖彼得學院。

現今的聖彼得學院舊址

只是臨畢業考試前夕，他就退學並放棄了學位。

退學的原因尚不明確，一個說法是為了表達對考試中神學題目的不滿。

當然這也是當時的風氣，卡文迪許的13名同窗有8名都選擇了退學。

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。

劍橋肄業後，他便追隨父親出入皇家學院，秘密地開始了自己的獨立研究。

卡文迪許最早研究的是化學領域，他先從砒霜入手，先製取了砷酸，後來又製得了酒石酸。

然而這些事迹他只告訴了他幾位好友，我們也只能從他的手稿中才得知一二。

含有三氧化二砷（砒霜主要成分）的礦物

在一次偶爾的實驗中，卡文迪許發現一些金屬與酸反應，會產生一種「可燃空氣」。

這種「可燃空氣」，就是氫氣。

只是當時對於這種反應生成的氣體還沒有普遍的認識。

羅伯特·波義耳統一稱所有的生成氣體為「人工空氣」。

但卡文迪許卻不認同，他堅持認為這就是一種新的物質。

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於是，他便用現在最常用的排水集氣法，收集到了氫氣。

經過乾燥和純化處理後，他成功測定了氫氣的密度。

此後，他將氫氣與空氣混合後，用電火花引發反應。

從而發現了氫氣能消耗掉五分之一的空氣，明確氫氣與氧氣的消耗比約為2.02：1。

中間為氫氣燃燒的火焰形態

當然，這個實驗最重要的是發現，還屬這兩種氣體混合竟生成了水。

這在當時可引起了不小的爭論。

因為化學界普遍地認為，水是組成萬物的元素之一（當時的「四元素說」，包括水、土、氣、火）。

而證明水是化合物，簡直就像是說耶穌是韓國人一樣無禮。

卡文迪許在氣體上的研究，還遠不止這些。

他用石灰石與酸反應，生成了二氧化碳，並用實驗證明了二氧化碳能溶於水。

由此，他指出收集二氧化碳必須用「排汞集氣法」。

此外，卡文迪許還證明了這種氣體（二氧化碳），與木炭燃燒、動物呼出的氣體成分相同。

經過多年的研究，卡文迪許已經弄清楚了空氣的組成。

他指出空氣中大約有20.833%的氧氣，剩下的大部分是氮氣。

而現今我們所測得空氣中氧含量約為20.95%，誤差已很小。

更讓人意想不到的是，卡文迪許還發現空氣中約有1/120的氣體幾乎不發生反應。

這也就是稀有惰性氣體。

一百多年後，第一種惰性氣體氬氣才被發現，並證實了卡文迪許當年的天才推測。

通電能發出不同色光的稀有氣體

憑著這些研究卡文迪許名氣已不小，但當年讓他成為話題人物的原因，還屬其古怪的性格。

他雖腰纏萬貫，卻常年只穿著一件褪色的天鵝絨大衣，戴著過時的三角帽。

性格孤僻、沉默寡言的他，幾乎不敢與陌生人和異性交談。

不過卡文迪許也會參加一些科學聚會，以保證自己不與最新的科學發現脫節。

在博物學家班克斯舉行的交流會上，班克斯會特別告誡來賓們。

不要靠近那個在角落的人，就算他在發言也要裝作沒有聽見他說的話，這樣才能聽到他的一些高見。

卡文迪許靦腆的程度是圈子裡有目共睹的。

就連與自己聘來的管家溝通，他也只通過傳紙條等方式來避免尷尬。

靦腆之王亨利·卡文迪許

還有一次，卡文迪許出席宴會，一位從奧地利遠道而來的科學家，竟敢稱讚卡文迪許的貢獻傑出（熟悉卡文迪許的人都不敢這樣做）。

他聽到後大為忸怩，好似尷尬癌發作。

很快手足無措的他便站起來，直直衝出房間坐上馬車走了，留下眾人面面相覷。

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除了對科研特別上心之外，在卡文迪許身上幾乎難以找到長處。

他是倫敦銀行最大的儲戶，但他對財產卻完全不管不問。

幾十年來，都只讓投資顧問購買的同一種股票。

他的顧問也實在看不過眼了，提議他購買另一種股票。

誰知這個草率的舉動，竟引來了卡文迪許罕見的大怒：「不要拿這些瑣事來煩我，否則我就解僱你」。

亨利·卡文迪許

言歸正傳，卡文迪許對空氣的研究告一段落後，拉瓦錫就已提出了自己的氧氣說。

可惜的是，他當年支持的是錯誤的燃素說。

不過卡文迪許也表示贊同這種簡潔的說法，符合奧卡姆剃刀原則，也有利於化學的發展。

雖然他最後還是沒有放棄燃素說的觀點，但卻陰差陽錯地轉行去做物理學研究了。

也正是這些物理研究，才更展現了他上帝一般的預見力。

「現代化學之父」拉瓦錫

他最早提出了電荷之間的相互作用力應該與距離的平方呈反比關係。

後來法國人庫倫通過實驗驗證了他的發現，從此關於電荷間的受力規律被稱作庫倫定律。

卡文迪許還指出兩個帶電物體在相互作用時，電荷並不是均勻分布的，反而會集中在相互接近的兩個區域。

他還第一個提出了電勢的概念，指出了電勢與電流的正比關係。

這也就是我們物理課本電學章節中的歐姆定律。

同時卡文迪許與法拉第共同主張，電容器的電容會隨其介質不同而改變。

後來，他也據此提出了介電常數的概念。

課本中的歐姆定律

但極其可惜的是，卡文迪許大多數的電學研究都沒有公開發表。

1810年卡文迪許逝世後，他的侄子齊治把卡文迪許遺留下的20捆實驗筆記完好地放進了書櫥里，誰也沒有去動它。誰知手稿在書櫥里一放竟是70年，一直到了1871年，另一位電學大師麥克斯韋應聘擔任劍橋大學教授並負責籌建卡文迪許實驗室時，這些充滿了智慧和心血的筆記獲得了重返人間的機會。麥克斯韋仔細閱讀了前輩在100年前的手搞，不由大驚失色，連聲嘆服說：「卡文迪許也許是有史以來最偉大的實驗物理學家，他幾乎預料到電學上的所有偉大事實。這些事實後來通過庫侖和法國哲學家的著作聞名於世。」此後麥克斯韋決定擱下自己的一些研究課題，嘔心瀝血地整理這些手稿，使卡文迪許的光輝思想流傳了下來。真是一本名著，兩代風流。不啻是科學史上的一段佳話．

電磁學之父麥克斯韋

而卡文迪許最著名的扭秤實驗，反而是被世人誤解了。

他用的扭秤實際上是米切爾設計的。

米切爾去世後，裝置幾經易手才送到卡文迪許手中。

卡文迪許將裝置進行幾番精細的改造後，才開始進行長達25年的測量。

此外，他用扭秤測量的也不是什麼引力常數，而是為當時熱門的天文學測定地球的密度和質量。

扭秤實驗圖解

卡文迪許將扭秤安裝在一個密不透風的房間里，在扭秤的石英纖維上加裝了可以反光的小鏡子。

將光束投向鏡面，反射的光線經過一段距離射在有刻度的平面上。

這樣就能巧妙地克服測量微小量的困難。

而卡文迪許則在遠處，用望遠鏡記下了這些偉大的數據。

根據卡文迪許的實驗記錄，他測算出的地球密度為水密度的5.481倍，也就是5.481克每立方厘米。

這與現今21世紀的數據相比，僅有0.65%的誤差。

至於萬有引力常數G，卡文迪許並沒有計算出來。

但他的實驗記錄中，計算G的數據已經齊全。

就算是現在的高中生，都能輕易地就能夠算出引力常數，而且相當精準。

卡文迪許離萬有引力常數只是一步之遙。

可惜以當時的認知，還沒有出現引力常數的概念。

人們為了紀念這位偉大的實驗物理學家，還是決定將測出引力常數G的頭銜，授予卡文迪許。

以他之名建立的卡文迪許物理實驗室，在麥克斯韋的帶領下繁榮昌盛，逐漸發展為全學科實驗室。

從中走出的諾獎得主共有29名，數量與斯坦福大學相當，然而它僅僅是個實驗室。

中子、DNA雙螺旋結構、放射半衰期都出自卡文迪許實驗室。

DNA雙螺旋結構的發現者沃森與克里克

卡文迪許比起牛頓等大牌來說可能微不足道。

他一生研究科學超過50年，但論文寥寥可數。

縱使有諸多驚為天人的開創性研究，可成果不是難以被人接受就是爛在了手稿里。

以他的才學，不應該是今天的這番模樣。

如果非要找原因的話，大概是因為上帝在描繪他的智慧上花費了過多的筆墨，以至於無法給他繪出更美好的性格。

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