互动科普

1798年，一位孤独的科学老人还在他设计的扭称上精心地做着他的引力实验。在一根细丝（弹性扭丝，上边固定一面小镜子，称为扭称）上悬挂着一根6英尺（1.8米）的木杆，杆的两端各有一个直径2英寸（51毫米）、重1.61磅（0.73公斤）的铅球，另一系统悬挂两个直径12英寸（300毫米）、重348磅（158公斤）的大铅球，在靠近小球约9英寸（230毫米）的地方，测量大小球之间的万有引力。经过两三年的努力，他终于完成了这个实验，后世称为的卡文迪许实验。是的，这位科学家就是卡文迪许（1731～1810），他通过扭称，巧妙地运用了光的反射原理，将不易观测的微小变化量转化为容易观测的显著变化量，再根据显著变化量与微小量的关系，算出微小的变化量，从而推算出了万有引力常量，并由此计算出地球的密度和质量，验证了万有引力定律。被誉为第一个称量地球的人。

卡文迪许

卡文迪许实验是他晚年最后对物理学做出的重大贡献，他早年的主要实验工作在化学和电学上，做出过更多的贡献。卡文迪许出生于法国，幼年起即迁居英国，曾经就读于剑桥大学，后又到巴黎留学，研究物理学和化学。定居伦敦后，卡文迪许在他父亲的实验室中当助手，从事电学、化学的研究工作。1760年，不到30岁的卡文迪许被选为英国皇家学会会员，从此开始了他长达半个世纪之久的实验研究工作生涯。今年是他担任英国皇家学会会员250周年，也是他逝世200周年，值得纪念。

卡文迪许在物理学方面的贡献，首推他在电学方面，最早研究了电荷在导体上的分布，并于1771年早于库伦得到了电力相互作用的规律。1777年，他向皇家学会提交的报告中说：“电的吸引力和排斥力很可能同电荷间距离的平方成反比。如果是这样的话，那么物体中多余的电几乎全部堆积在紧靠物体表面的地方。而且这些电紧紧地压在一起，物体的其余部分处于中性状态。”这就揭示了静电荷是束缚在导电体表面的这一事实。与此同时，卡文迪许还研究了电容器的容量，预料了不同物质的电容率，并测量了几种物质的电容率。卡文迪许最早建立了电势概念，早于欧姆提出了导体两端的电势与通过它的电流成正比。由于当时还无法测量电流强度，据说他勇敢地用自己的身体当做测量仪器，以从手指到手臂何处感到电振动来估计电流的强弱。

在化学方面，卡文迪许取得了更大的成就。他最早研究了氧气的性质，早在1866年他35岁时就发表了《论人工空气》的论文并获得皇家学会科普利奖章。1781年，他首先制得了氢气（不过，他认为这是易燃的空气），用实验证明它燃烧后生成水，证明水不是一种纯元素，而是氢和氧的化合物。这一发现在化学史上开辟了一个新纪元，是对他50周岁的最好的生日礼物。他还研究了空气的组成，发现了空气中氮占五分之四而氧占五分之一。因此，他也被称为“化学中的牛顿”。

在科学上取得巨大成就的卡文迪许，也从祖上继承了巨大的遗产，成为“最富有的学者，最博学的富豪”。但是，富有科学素养的卡文迪许，却没有当时英国的那种绅士派头。他不修边幅，不善交际，生活俭朴，终生未婚。他的头脑中没有金钱和女人，只有科学和实验。200年前的1810年，79岁的卡文迪许在伦敦逝世，他给后人留下了巨大的科学遗产。

卡文迪许逝世后60年，1871年，他的家族后代亲属捐赠大笔财产给剑桥大学建立以卡文迪许命名的实验室（卡文迪许实验室至今为科学研究做出了重要贡献），著名电学大师麦克斯韦应聘负责筹建。麦克斯韦整理了卡文迪许遗留下来的20捆实验笔记，仔细阅读了前辈几乎在一个世纪前的手稿，不禁大惊失色，连声叹服道：“卡文迪许也许是有史以来最伟大的实验物理学家，他几乎预料到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。”麦克斯韦决定搁下自己手中的一些研究课题，呕心沥血地整理这些手稿，于1879年出版《卡文迪许的电学研究》一书。

（本文发表于《科学世界》2010年第9期）