@ 2018.09.30 , 12:00

社恐的得与失:一位冷门科学家的故事

亨利.卡文迪许的祖父是德文和肯特两郡的公爵,所以他没有遇到过其他科学家或多或少都会遭遇并为之沉思的难题:穷。他也是那个时代最有天赋——似乎也顺理成章地——最古怪的科学家。用他其中一位传记作者的话来说,这人害羞到“已经接近病态”,任何人类之间的社交接触都会让他极之难受。

有次他在自家门前意外遇到一位慕名到访的奥地利客人。对方从维也纳远道而来,没想到刚下地就见着偶像,兴奋之下堵住恭维。卡文迪许站在原地,承受了几分钟伴随人文关怀而来的精神拷打,最终崩溃跑出了院子,门都没来得及关。几个小时后他才被家人哄回了家里(很少自己闯出去那么远);跟管家之间的交流主要靠写信。

卡文迪许有时也会进入人类社会探险,比如约瑟夫·班克斯(英著名自然学家)每星期都搞的理工晚会,他就很愿意去。不过与会客人都会被着重提醒不要打搅卡文迪许,不要打搅的意思是别走太近,也别打量他。想听听他见解的人应该走到他警戒范围的边缘,注意不是正对,然后假装自己对面的空气里有人,开始平静地陈述。如果他们说的话有充足的科学性,卡文迪许会小声答点东西;但更多时候他们只会听到一线细细的尖叫,转头看见卡文迪许的残影正闪往无人的角落。

社恐和富贵,让卡文迪许无所顾忌地把整栋房子都改造成实验室,顺带一提他家在克拉珀姆,伦敦南部。以这栋实验室为基地,他涉猎了当时物理学内的一切课题:电、热、引力、气体和其它反正都跟物质有关的学问。十八世纪后半叶,人们开始对各类“基本”物质——例如气体和电——的性质大感兴趣,想方设法摸索它们的脾性。这段时期出现了很多硬核研究者,比如亲手往雷暴里放风筝的富兰克林,还有法国的彼拉特尔,为了检验氢的可燃性,就含住一大口往火头上喷,结论特别明确且强烈。卡文迪许则是往自己身上通电,陆续提级,一路记录、描述痛楚程度,直到握不住笔(偶尔是直到断片),实验才停止。

社恐的得与失:一位冷门科学家的故事

幸运的是他这辈子并不算短。卡文迪许一生之中达成了很多开创性的科研成就,他不但是地球上第一个把氢气分离出来的人,也是第一位成功用氢和氧合成出水的科学家。此外,他还有不少更古怪的成果,而且似乎压根没打算让大众知道,比如他设计的电导性实验就超前了一个世纪,可到百年之后都还未有人意识到这点。实际上他的大部分成就都埋没在故纸堆里,一直到十九世纪后期,剑桥物理学家麦克斯韦着手整理他的手稿才摸出累累真金。但这些卡文迪许曾摘落的花朵,那时多数已经归于别主。

提醒一下卡文迪许离世于1810年,我们大概数数他曾确认或预言过的物理法则:能量守恒1842;欧姆定律1826;道尔顿气体分压1801;里希特的当量定律1791;查理定律1780s;以及导电的基本原理。据科学历史学家J.G.克洛泽考据,卡文迪许还预言过潮汐力会导致地球自转降速、局部地区大气冷却的影响和一些多相平衡现象。他还留了一点直接指向惰性气体的线索(也叫稀有气体)。不过我们这里要展开介绍的是时年67的卡文迪许在1797年夏末做的实验。这时期他把注意力集中在约翰.米歇尔设计并遗赠的仪器上,所做的研究鲜为人知。

卡文迪许改良版的仪器构造,描述出来你也想不清楚,可以点上面的维基链。它的构想简单来说,是通过测量大球对小球产生的引力扰动,解出引力常数,由此最终得出地球的质量。(谢谢评论指正。这段不是原文内容,是我擅自以小学以下知识残渣“归纳”出来,简化文章的;扭秤实验图解很好搜,有兴趣的看看就明白,怕越说越错,我就不乱补了)

大家可能都习惯觉得引力是很宏伟的力量,毕竟天体的群舞就靠它来牵引,但实情并非如此。只有在大尺度上,像太阳牵住地球时,这力量才显得巨大;你每次弯腰捡起本书,都可以理解为在拔河里小胜了地球一把。——在元素层面,引力表现得更柔弱,而卡文迪许想在实验里把握住的正是那纤细的若有若无。

精确就是关键,布置仪器的房间不准有丝毫干扰,悄悄话也不行。卡文迪许腾出两个相连的房间,一个用来摆仪器,另一室架了望远镜,通过墙上一个小孔看邻室仪器的读数。他花一整年时间做了17趟参照测量,精度要求极之苛刻。最后统合运算下来,他宣布地球的质量稍稍超过13,000,000,000,000,000,000,000磅,换算成现制约是6×10^24kg。如今科学家手头的仪器精密得多了,它们有的能称出一只细菌的体重,有的几十米外有人打呵欠读数也会被影响,但我们对地球质量的测量精度还是没有抛离卡文迪许太多。

新近的数字是5.965×10^24kg,跟两百年前他宅在家里算的得数差了大概1%。

Henry Cavendish,1731/10/10-1810/02/24

原文:《A Short History of Nearly Everything》,Chapter 4.THE MEASURE OF THINGS;有改动;这书在喜O拉雅有免费全文英读,无论什么学习目的都挺适合的,大概要六级水平?

本文译自 douban,由译者 梁兵 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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