一位來自十八世紀的疑似穿越者：卡文迪許
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如果沉默是一種美德
那他絕對功德無量
…
十九世紀末，電磁學之父麥克斯韋受劍橋委託籌建物理系實驗室
他在查閱資料時發現了20捆塵封已久的神秘手稿
手稿中的記錄了許多驚為天人的結論與猜想
在懷疑作者穿越的同時，也以他的名字命名實驗室
曾是「物理學界半壁江山」的卡文迪許實驗室誕生
如今，卡文迪許實驗室已經走出了29個諾獎得主
圖：卡文迪許實驗室
卡文迪許，這個名字對於大多數人算不上陌生
但也僅僅停留在物理書中與牛頓形影不離
用扭秤測出引力常量數的那個沒有畫像的人
然而卡文迪許隱藏之深遠超你我的想像
卡文迪許家財萬貫，是當時倫敦銀行最大的儲戶
他卻從不打理存款，常年穿著一身破舊的高檔衣服
性格上也怪得出奇，面對遠道而來的貴客的讚許
他竟然尷尬癌發作，嬌嗔一聲踱步離去
他一輩子都在研究科學卻只發表了不到20篇論文
可那些研究，涵蓋的全是開創性的領域
他最早研究了二氧化碳、氫氣，發現了惰性氣體
最早提出電勢概念、歐姆定律、庫倫定律
當然還有著名的扭秤實驗，他所計算出的地球密度與現在的數據相比誤差僅僅只有0.65%
可他卻選擇將大部分埋藏在手稿當中
…
亨利·卡文迪許若以今天的眼光去看絕對是富二代
他的父親查爾斯是第二世德文郡公爵的小兒子
母親是第一世肯特公爵亨利·格雷的女兒
卡文迪許含著金鑰匙出生，可卻沒有享受到家庭的溫暖
在還不滿兩歲時，他母親意外離世，他的記憶里幾乎沒有媽媽的身影
圖：第二世德文郡公爵，卡文迪許的爺爺
沒有母親的陪伴，亨利自幼接受父親的言傳身教
卡文迪許的父親不是等閑之輩，是皇家學會的會員
在這樣的科學氛圍熏陶之下，卡文迪許進入了以優秀和嚴格著稱的哈克尼學院
直到18歲，卡文迪許畢業並且順利考入了劍橋大學的聖彼得學院
圖：今天的聖彼得學院舊址
在劍橋大學，卡文迪許接受了十分嚴格的數學訓練
三年後，就在畢業考試前夕，他退學放棄了學位
退學的原因不得而知，據說是為了表達對考試中神學題目的不滿
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
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
卡文迪許從劍橋肄業後便追隨父親出入皇家學會
也秘密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
這些事迹他只告訴了他的朋友們，我們只能從他的手稿中才得知一二
圖：含有三氧化二砷（砒霜主要成分）的礦物
試驗中，卡文迪許發現一些金屬與酸可以發生反應
反應後會生成一種「可燃空氣」，也就是氫氣
但當時對於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」
但卡文迪許認為這是一種新的物質
他用現在最常用的排水集氣法收集了氫氣
經過乾燥和純化處理後，測定了氫氣的密度
他將氫氣與空氣混合後用電火花引發反應
發現氫氣能消耗掉五分之一的空氣，並生成水
而且氫氣與氧氣的消耗比約為2.02：1
圖：中間為氫氣燃燒的火焰形態
卡文迪許因為發現氫氧能生成水的結論引起了不小的爭論
在以前，歐洲普遍認為水是組成萬物的元素之一
證明水是化合物簡直就像是說耶穌是韓國人一樣無禮
但很可惜的是，卡文迪許當時堅定地支持燃素說
圖：亨利·卡文迪許
卡文迪許在空氣上的研究遠不止這些
他用石灰石與酸反應，生成了二氧化碳
用實驗證明了二氧化碳能溶於水，並指出收集二氧化碳必須用「排汞集氣法」
除此之外，卡文迪許已經證明了反應生成的氣體與木炭燃燒、動物呼出的氣體成分相同
經過多年的研究，卡文迪許已經得出了空氣的組成
他指出空氣中大約有20.833%的氧氣，剩下的大部分是氮氣
今天我們所測得空氣中氧含量約為20.95%
除此之外，卡文迪許還發現空氣中約有1/120的氣體幾乎不發生反應，也就是稀有惰性氣體
而百年後，氬氣才被發現，證實了卡文迪許的推測
彼時，卡文迪許已經是個大名人，不過並不是因為他的學術研究
據卡文迪許的一些朋友記在，他常年穿著一件褪色的天鵝絨大衣，戴著過時的三角帽
性格孤僻，幾乎不敢與陌生人和異性交談
但卡文迪許也會參加一些科學聚會，討論科學問題
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
圖：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人當面稱讚卡文迪許的貢獻
他聽到後大為忸怩，好似尷尬癌發作
手足無措地站起來，衝出房間坐上馬車回家了
卡文迪許靦腆的程度是圈子裡有目共睹的
他就連與管家溝通也從來都是只用書信
卡文迪許除了科學研究上心之外幾乎沒有長處
作為倫敦銀行當時最大的儲戶，他幾乎對財產不聞不問
幾十年都只讓投資顧問購買同一種股票
一名顧問看不過眼，建議他購買另一種股票
結果這個草率的舉動換來了卡文迪許罕見的大怒
「不要拿這些事情來煩我，否則我就解僱你」
圖：亨利·卡文迪許
言歸正傳，卡文迪許對空氣的研究告一段落
當時拉瓦錫已經提出自己的氧氣說
卡文迪許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
但他也沒有放棄燃素說，而是轉行去做物理學研究
而正是這些物理研究展現了他上帝一般的預見力
圖：小說封面之王——拉瓦錫
卡文迪許做了很多電力學上的實驗
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，電荷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
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
後來他據此提出了介電常數的概念
可惜卡文迪許大多數的電學研究都沒有公開
麥克斯韋在閱讀了前輩的手稿後大為感嘆
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。
圖：麥克斯韋
而卡文迪許最著名的扭秤實驗反而被世人誤解
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裡
卡文迪許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
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
卡文迪許在遠處，用望遠鏡記下了這組偉大的數據
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
與今天21世紀的數據比僅有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
後人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
人們為了紀念這為偉大的實驗物理學家
還是將測出引力常數G的頭銜授予卡文迪許
以他之名建立的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
圖：發現DNA雙螺旋結構的沃森與克里克
卡文迪許比起牛頓等大牌來說可能微不足道
一生研究科學超過50年，論文寥寥可數
縱使有諸多驚為天人的開創性研究
可成果不是難以被世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
關註：SME
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