地球的重量卡文迪许（卡文迪许贵族）

（看上篇文章的反响大家好像都比较喜欢看科学史的系列啊，那我就交替着写吧[捂脸]）

今天我们来讲讲这位不时就会在高中课本里出现的传奇科学家：卡文迪许的故事。

我实在是没法直截了当地在第一句就向大家概括今天我要讲的内容，原因很简单，正如第一句话所说，这位科学家算是个全才型的科学家，在化学、物理的多个领域都有卓越的贡献（放到如今的世界可能包揽几个诺奖也没问题[奸笑]），所以我这里也只是挑最重要的介绍。

好，那么时间回到1731年10月10日，我们的故事开始了。

卡文迪许一生的开局可以说是“梦幻开局”了，他的父亲是德文郡公爵二世的小儿子，而母亲则是第一世肯特公爵的女儿，按现在的标准妥妥的是个富二代。

那个时代，贵族拥有着一辈子也吃不完的资产——也就是头衔，只要有这个头衔，基本上一辈子过着吃穿不愁的生活那是绝对没问题的，这也就是为什么贵族里有那么多整天游手好闲的纨绔子弟。

但我们的卡文迪许不一样，尽管他的父亲是贵族，但也是皇家学会的会员——比起钻营和炫富，他的父亲对科学更感兴趣。也正是在这种氛围熏陶的环境之下，他才在母亲早逝与父亲忙于交际这样缺失家庭支撑的情况下考上了剑桥大学。

空中俯瞰全球知名的高等学府——英国剑桥大学

不过我们的卡文迪许或许是因为对毕业考试中的神学题目不满，于是就从剑桥大学肄业了。

当然这在当时并不算奇怪，毕竟那个年代，能上大学的孩子根本不需要学位来撑腰，卡文迪许自然也不例外。

离开大学之后，卡文迪许也没有就此销声匿迹，他选择和父亲一起出入皇家学会，开始了自己的秘密独立研究——而正是这些研究，成就了他的伟大。

我们就从“空气”说起。

“空气”

我们在化学课上都会学到空气的组成：78%的氮气，21%的氧气，还有1%的二氧化碳、水蒸气、氩这类的稀有气体和其他气体。

空气的组成，和我上面说的一样

但在几百年前，空气的组成根本不像现在这样只是初中课本的水平，恰恰相反，那时对“空气”的研究可以称得上是时代前沿了。

当然，初中化学也说了拉瓦锡是第一个测出空气成分比例的科学家，那我们今天的主角卡文迪许对空气相关研究的贡献又在哪里呢？

他首先研究的是氮气，他发现在空气中用电火花就会产生化合物，如果继续加氧气颜色就会进一步变深，而且产生的气体溶于水会产生酸（这也就是如今所谓的氮气和氧气在放电的条件下化合为一氧化氮，然后一氧化氮再氧化为二氧化氮，二氧化氮溶于水形成硝酸的过程）

在对于氮气的研究中，他知道了去除空气中氮气的方法，在此之后，他最具超前性的研究就出现了，也就是关于空气中含量连1%都不到的稀有气体的报告。

他的实验方法也是非常神奇：把一根U型管两端密封起来，这样就可以保证管里的气体不会和空气交换而白做实验。

然后他就想：既然空气中的氮气和氧气能通电后化合再吸收而被消耗掉，那么我这样一直通电反复消耗就肯定会有把它们消耗完的那一天，这时就可能会有新发现了。

于是他和仆人就在那里轮流摇了三周的起电机，一直重复着通氧气、通电化合、液体吸收的步骤。

最后，他发现始终有一个小气泡存在，这时他当机立断，判断空气中有一种质量分数不超过1/120的不与氧化合的新气体。

各位看官就看我这么说可能会觉得这也没啥的，毕竟课本早就把“稀有气体一共六种，氦氖氩氪氙氡”写在上面了。但各位可能不知道的是，卡文迪许断定空气中有这种成分是在1784年，而人类发现第一种稀有气体氩是在1894年，这之间足足有着110年的时间差。

也就是说，卡文迪许在设备和技术落后了百年之久的情形下，仍旧靠着自己对科学的热情和技能，坚持做一个连结果都不知道是否存在的实验三周之久，并最后做出了超前一个世纪的正确论断（虽然也是因为他的论断太超前才导致这一百年间都没人能够继往开来[捂脸]）。

就这一条，他也无愧于“伟大的科学家”的评价了。

当然，还不止这些。

上面我也有提到，拉瓦锡是第一个测出空气成分比例的科学家，但卡文迪许做了这么多关于空气的实验，也不可能对此事毫无了解。实际上，拉瓦锡在1777年测定出空气各成分比例（也就是书上经典的那个1：4）之后，卡文迪许在1784年也测定出了空气的各成分比例，而且比之于拉瓦锡的那个比较粗略的1：4，他把比例精确到了氧气占20.833%，这与我们如今测出来的准确值20.95%，只有0.56%的误差。

另外，卡文迪许也曾经在对金属和酸的实验中发现了氢气（这也正是如今实验室制氢气的方式），并按照我们如今实验也会用的排水集气法收集并测定了氢气的密度，而且他还发现在空气中用电火花点燃氢气会产生水。

现在，我们学会的第一个化学方程式可能就是氢气和氧气燃烧生成水的这个方程式。

氢气和氧气化合生成水

所以各位看官可能会觉得氢气点燃生成水是理所当然的。

但在卡文迪许的那个时代，正确的元素学说都没有被建立，就更别提燃烧了。当时的人们甚至信奉四元素说，也就是认为万物都由水火土气这四种基本元素组成，可是卡文迪许的这个实验就证明了水不是基本元素之一，水也是可以再分的。

要知道，这个四元素说正是柏拉图和亚里士多德提出来的，说水不是一种基本元素无异于伽利略设想的两个铁球同时落地，都是对这几位从古希腊时期就一直延续下来的老权威的挑战。而卡文迪许，则在这个背景下通过自己的实验技术为四元素说重重地敲响了一记丧钟。

称量地球

当然，卡文迪许还不止是一位伟大的化学家，他也是一位伟大的物理学家。

而他在这方面最广为人知的成就，就是“测量地球”。

当然，地球这么重，肯定是不能就像称体重那样上秤称一下就万事大吉了。

所以实际上卡文迪许做的工作是测定了地球的密度和万有引力常量G。（这一点有争议，但用他的实验装置确实可以测出万有引力常量）

他的物理成就和万有引力有关，没错，就是牛顿被苹果砸（虽然实际上并没有）之后发现的那个

在高中物理里，大家都知道这个公式，这里的F就是所谓的万有引力，G就是上面说的万有引力常量——不过这样问题就来了：它虽然是个常量，但在这个定律只缺少一个比例系数而无法计算F的情形下，它的值又是怎么测出来的呢？

让我们来看看卡文迪许的设计：

卡文迪许测量地球的密度是从求牛顿的万有引力定律中的常数着手，再推算出地球密度。他的指导思想极其简单，用两个大铅球使它们接近两个小球。从悬挂小球的金属丝的扭转角度，测出这些球之间的相互引力。根据万有引力定律，可求出常数G。

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

没错，这就是有名的卡文迪许扭秤实验。

简单地说来，他的思路按现在的说法可以说是把两个小球挂在一根杆的两端，然后用两个大球去接近小球，这样万有引力的存在就会使得小球被吸走，这时看悬挂杆的扭转角就可以得出万有引力的值，再通过万有引力定律的公式就能反向倒推出G——本来应该是这样就可以了的。

大家可能会不明白，明明这套逻辑过程看下来很行云流水哪儿又有毛病啊？

问题其实就出在我们要测的这个G上。G的值大致上是，大家可以看到，这个数值非常小，再带入现实中的铁球质量和能实现的距离，大家会发现引力小得惊人——这引力小到现在也需要精密仪器才能测定出来，更何谈测定手段远没有现代发达的18世纪呢？

那么卡文迪许又想到了什么妙招来测定这本不可能测出来的微小力呢？

物理第一课讲物理思想的时候应该有讲到一种放大的思想，就是把比较小不容易测定的物理量通过变化比较大容易测定的物理量来展示出来，这样就便于测定了。而我们的卡文迪许，他在物理书把这句话写进去的几百年前就已经实践了这种思想。

他想：既然我没有办法直接测定，那我就用间接的办法，不是没法测定微小形变（对应微小力）吗？那我就在支架的中间放面小镜子，然后放一个固定光源，再放一面接收的镜子，看光移动的角度，这不就可以精确测定了吗？

这和如今我们书上说的“用激光点的移动测定桌子的微小形变”的道理简直如出一辙——只不过卡文迪许是在几百年前就已经想到了。

把某个难测量的微小目标量放大成便于测量的其他物理量的这种做法我们至今沿用

借此，他就顺势测量出来了地球的密度，地球的半径早在古希腊时代就已经有人提出了较准确的值，地球的质量也便唾手可得了。

以他的方法测定出的G大概是，这与我上面列出的现代值的误差只有1.26%；而他测量出来的地球密度为,与现代值的误差仅有0.49%。

因而我们把他的这些成就叫做“称量地球”。

当然，他在物理方面的成就也不只是在称量地球这方面，大家熟知的“电荷间作用力与距离的平方成反比（库仑定律）”、“（欧姆定律）”、“电容器的电容和其本身的介电性质有关（介电常数的存在）”、“导体的电荷分布不均匀，集中接触的地方最密（感应起电的原理）”等这些定律和规律也都是他最先发现的——如果他要是肯多发表发表他的成果，或许很多定律也该改名字了。

贵族

说过了这么多他的成就，我们也来说说生活中的卡文迪许。

就看上面他的那些领先甚至超前的研究，大家会不会有一种“蓬头垢面、不修边幅，钻进实验室就能很久不出来直到下一个大发现新鲜出炉”的形象？

其实这并不完全符合他的形象。而且，在那个年代，科学被贵族阶层视为新鲜的玩具，他这种有贵族身份的科学家，那真的无疑是现在流行的“凡尔赛”本“赛”了——毕竟他只要把他那些玄妙的实验随便拿出一个用来炫耀，那也足够让那些虽然看不懂但喜欢附庸“风雅”的贵妇人和公子哥们为之折服了。这么一说，大家会不会又产生了一种“纨绔子弟、风流倜傥、游手好闲”的印象？

16世纪中期的英国服装。从左边，贵族，士兵，男人和女人，中产阶级，两个贵族妇女，一个伦敦商人

但这样的印象也是错的。

毕竟他要真整天忙于炫耀和社交，那他哪里来的时间去进行真正伟大的发现？

那么，真实的他是个什么样的人呢？

真实的他就像是把天赋点都加在实验上了，他几乎就没有什么社交的能力和兴趣：他平时几乎不出门社交，除了每周一次的由伟大的博物学家约瑟夫·班克斯举办的科学界聚会，但哪怕是在科学家的聚会中，他也常常是找个角落缩着一言不发，要想听到他的宝贵意见，必须要装作不经意地在他能听见的距离对着空气“自言自语”，这样才间或能得闻他一些模糊的回答——有时还会是含着怒气的尖叫。

有一次，一位不知他脾性来自奥地利的科学家在聚会上当面称赞了他，结果卡文迪许当场尴尬癌发作，不管人家远道而来，也顾不上什么有失远迎的礼数了，直接魂不守舍地奔向马车，直冲自家，只留下众人面面相觑，不知如何是好。

而对于一直照顾他的管家，他也一直都是用书信来交流，从来不愿多说话。

上面的种种怪行为，可不是因为他目中无人或者没有情商，原因正如我最开始的时候所说：要是按现在的标准，他妥妥地能算一个“社恐”。他真的就会做实验而不懂如何交际。

按现在的标准，这就是社交恐惧

另外，贵族很多也擅长玩弄权术和钱术，然而我们的卡文迪许在这些方面也是完全没有加任何天赋点。譬如有一次，他的一个仆人生了病生活困难想向他借点钱，结果他大手一挥就开出来了一张一万英镑的支票（约合现在的8.9万人民币，考虑到通货膨胀和现代的差距，这真的是一笔巨款）；还有一次，他在伦敦银行的理财顾问因为看不下去他一直以能位列最大储户的资产买同一种股票，就劝他换一种股票买，结果他勃然大怒：“不要拿这些琐事来烦我，否则我就解雇你”。

他这种“对钱不感兴趣”的程度，可能连如今的马云都难比。

真·对钱不感兴趣

但也正是因为他没有成为普通的“贵族”，世界上才多了一个伟大的科学家。

最后...？

如今，这个名字在世上的最大留存可能就是在剑桥的卡文迪许实验室了。

DNA结构的发现也和卡文迪许实验室有关

在麦克斯韦建立这个实验室后，这个实验室逐渐发展成了世界顶尖的全学科实验室，不仅培养了29名诺奖得主，还催生了大量足以影响人类进步的重要科学成果，比如发现电子、中子、原子核的结构，发现DNA的双螺旋结构和X光的散射等，为人类的科学发展作出了举足轻重的贡献。这无疑是对他——一个伟大的实验科学家——最好的纪念了。

他远没有牛顿那么有名，虽然研究科学一生，研究成果却因为性格的因素基本没有发表，若不是麦克斯韦的整理，恐怕它们就真的永远烂在故纸堆里了。

尽管上帝也许给予他过于完美的智慧，却无从给他一个更好的性格，但他的开拓与探索精神，却在科学殿堂中永远散发着耀眼的光芒，指引后来者勇敢前行。

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