卡文迪许：第一个称量地球的人
2019-5-2 青野云麓
如果你有机会发现欧姆定律、库伦定律等能载入史册的成果，你会怎么做？
在18世纪，一位性格孤僻的科学家，竟选择让这些理论烂在了手稿里，至死未曾发布。
到19世纪末，电磁学之父麦克斯韦在查阅资料时，才发现这20捆尘封的神秘手稿。
这些惊为天人的理论和猜想，让麦克斯韦都怀疑此人为穿越者。
卡文迪许，这个名字对大多数人算不上陌生。
但也仅仅停留在那位用扭秤测出引力常量的人物。
在物理课本中，他的名字总与牛顿形影不离，但却连个画像都没有。
然而，卡文迪许隐藏之深远超过了所有人的想象。
他一辈子只发表了不到20篇论文，但这些研究涵盖的全是开创性的领域。
他最早研究了二氧化碳、发现了氢气和惰性气体。
就连后来缔造了一个个伟人的不少概念，如电势、欧姆定律、库仑定律都由他最早提出。
但让人惋惜的是，他竟把这大部分成果都埋藏在手稿里...
若以今天的眼光去看，亨利•卡文迪许绝对是个富二代。
他的父亲查尔斯是第二世德文郡公爵的小儿子，母亲则是第一世肯特公爵亨利•格雷的女儿。
可是，含着金钥匙出生的卡文迪许，却从未享受到家庭的温暖。
还未满两岁其母亲就因难产去世，在他记忆里几乎找不到妈妈的身影。
他父亲也忙于交际，无暇给予足够关注。
不过幸运的是，其父亲并非等闲之辈，是皇家学会的会员。
在科学氛围的熏陶之下，卡文迪许才得以进入以优秀和严格著称的哈克尼学院。
之后18岁的卡文迪许也顺利毕业，并考入了剑桥大学的圣彼得学院。
只是临毕业考试前夕，他就退学并放弃了学位。
退学的原因尚不明确，一个说法是为了表达对考试中神学题目的不满。
当然这也是当时的风气，卡文迪许的13名同窗有8名都选择了退学。
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。
从剑桥肄业后，他便追随父亲出入皇家学院，秘密地开始了自己的独立研究。
卡文迪许最早研究的是化学领域，他先从砒霜入手，先制取了砷酸，后来又制得了酒石酸。
然而这些事迹他只告诉了他几位好友，我们也只能从他的手稿中才得知一二。
在一次偶尔的实验中，卡文迪许发现一些金属与酸反应，会产生一种“可燃空气”。这种“可燃空气”，就是氢气。只是当时对于这种反应生成的气体还没有普遍的认识。罗伯特•波义耳统一称所有的生成气体为“人工空气”。但卡文迪许却不认同，他坚持认为这就是一种新的物质。
于是，他便用现在最常用的排水集气法，收集到了氢气。经过干燥和纯化处理后，他成功测定了氢气的密度。此后，他将氢气与空气混合后，用电火花引发反应。从而发现了氢气能消耗掉五分之一的空气，明确氢气与氧气的消耗比约为2.02：1。
当然，这个实验最重要的是发现，还属这两种气体混合竟生成了水。
这在当时可引起了不小的争论。
因为化学界普遍地认为，水是组成万物的元素之一（当时的“四元素说”，包括水、土、气、火）。
而证明水是化合物，简直就像是说耶稣是韩国人一样无礼。
卡文迪许在气体上的研究，还远不止这些。
他用石灰石与酸反应，生成了二氧化碳，并用实验证明了二氧化碳能溶于水。
由此，他指出收集二氧化碳必须用“排汞集气法”。
此外，卡文迪许还证明了这种气体（二氧化碳），与木炭燃烧、动物呼出的气体成分相同。
经过多年的研究，卡文迪许已经弄清楚了空气的组成。他指出空气中大约有20.833%的氧气，剩下的大部分是氮气。而现今我们所测得空气中氧含量约为20.95%，误差已很小。
更让人意想不到的是，卡文迪许还发现空气中约有1/120的气体几乎不发生反应。这也就是稀有惰性气体。一百多年后，第一种惰性气体氩气才被发现，并证实了卡文迪许当年的天才推测。
凭着这些研究卡文迪许名气已不小，但当年让他成为话题人物的原因，还属其古怪的性格。
他虽腰缠万贯，却常年只穿着一件褪色的天鹅绒大衣，戴着过时的三角帽。
性格孤僻、沉默寡言的他，几乎不敢与陌生人和异性交谈。
不过卡文迪许也会参加一些科学聚会，以保证自己不与最新的科学发现脱节。
在博物学家班克斯举行的交流会上，班克斯会特别告诫来宾们。
不要靠近那个在角落的人，就算他在发言也要装作没有听见他说的话，这样才能听到他的一些高见。卡文迪许腼腆的程度是圈子里有目共睹的。就连与自己聘来的管家沟通，他也只通过传纸条等方式来避免尴尬。还有一次，卡文迪许出席宴会，一位从奥地利远道而来的科学家，竟敢称赞卡文迪许的贡献杰出（熟悉卡文迪许的人都不敢这样做）。
他听到后大为忸怩，好似尴尬癌发作。
很快手足无措的他便站起来，直直冲出房间坐上马车走了，留下众人面面相觑。
除了对科研特别上心之外，在卡文迪许身上几乎难以找到长处。他是伦敦银行最大的储户，但他对财产却完全不管不问。几十年来，都只让投资顾问购买的同一种股票。他的顾问也实在看不过眼了，提议他购买另一种股票。谁知这个草率的举动，竟引来了卡文迪许罕见的大怒：“不要拿这些琐事来烦我，否则我就解雇你”。
言归正传，卡文迪许对空气的研究告一段落后，拉瓦锡就已提出了自己的氧气说。可惜的是，他当年支持的是错误的燃素说。不过卡文迪许也表示赞同这种简洁的说法，符合奥卡姆剃刀原则，也有利于化学的发展。
虽然他最后还是没有放弃燃素说的观点，但却阴差阳错地转行去做物理学研究了。也正是这些物理研究，才更展现了他上帝一般的预见力。
他最早提出了电荷之间的相互作用力应该与距离的平方呈反比关系。
后来法国人库伦通过实验验证了他的发现，从此关于电荷间的受力规律被称作库伦定律。
卡文迪许还指出两个带电物体在相互作用时，电荷并不是均匀分布的，反而会集中在相互接近的两个区域。
他还第一个提出了电势的概念，指出了电势与电流的正比关系。这也就是我们物理课本电学章节中的欧姆定律。同时卡文迪许与法拉第共同主张，电容器的电容会随其介质不同而改变。后来，他也据此提出了介电常数的概念。
但极其可惜的是，卡文迪许大多数的电学研究都没有公开发表。
直到卡文迪许死后，麦克斯韦翻阅前辈的手稿时，世人才知道这些超越时代的构想。
麦克斯韦感叹道：卡文迪许也许是有史以来最伟大的实验物理学家，他几乎预知了电学上的所有伟大事实。这些事实后来通过库仑和法国哲学家的著作闻名于世。
而卡文迪许最著名的扭秤实验，反而是被世人误解了。他用的扭秤实际上是米切尔设计的。米切尔去世后，装置几经易手才送到卡文迪许手中。
卡文迪许将装置进行几番精细的改造后，才开始进行长达25年的测量。
此外，他用扭秤测量的也不是什么引力常数，而是为当时热门的天文学测定地球的密度和质量。
卡文迪许将扭秤安装在一个密不透风的房间里，在扭秤的石英纤维上加装了可以反光的小镜子。
将光束投向镜面，反射的光线经过一段距离射在有刻度的平面上。
这样就能巧妙地克服测量微小量的困难。
而卡文迪许则在远处，用望远镜记下了这些伟大的数据。
根据卡文迪许的实验记录，他测算出的地球密度为水密度的5.481倍，也就是5.481克每立方厘米。
这与现今21世纪的数据相比，仅有0.65%的误差。
至于万有引力常数G，卡文迪许并没有计算出来。
但他的实验记录中，计算G的数据已经齐全。
就算是现在的高中生，都能轻易地就能够算出引力常数，而且相当精准。
卡文迪许离万有引力常数只是一步之遥。
可惜以当时的认知，还没有出现引力常数的概念。
人们为了纪念这位伟大的实验物理学家，还是决定将测出引力常数G的头衔，授予卡文迪许。
以他之名建立的卡文迪许物理实验室，在麦克斯韦的带领下繁荣昌盛，逐渐发展为全学科实验室。
从中走出的诺奖得主共有29名，数量与斯坦福大学相当，然而它仅仅是个实验室。
中子、DNA双螺旋结构、放射半衰期都出自卡文迪许实验室。
卡文迪许比起牛顿等大牌来说可能微不足道。
他一生研究科学超过50年，但论文寥寥可数。
纵使有诸多惊为天人的开创性研究，可成果不是难以被人接受就是烂在了手稿里。
以他的才学，不应该是今天的这番模样。
如果非要找原因的话，大概是因为上帝在描绘他的智慧上花费了过多的笔墨，以至于无法给他绘出更美好的性格。