规律简史万有引力定律的发现四 [复制链接]

4.引力常数的测定：卡文迪许

尽管牛顿的力学体系在他死后得到了很大的发展，但是由于我们身边物体的万有引力（严格地说应该叫质量引力）实在太微弱，万有引力公式中的引力常数G直到牛顿的《原理》出版多年之后才由英国18世纪的一位科学大牛亨利·卡文迪许巧妙地测量并计算出来。

对微弱作用的测量一直是个难题，因为不仅人感觉不到它，当时的仪器也难以探测。年英国剑桥大学的地质学家和天文学家约翰米歇尔（JohnMichell）想到了悬丝，他注意到很小的一点力就可以使一根悬丝扭转。若干年后，米歇尔制作了世界上第一个扭秤。米歇尔制作扭秤的目的是为了测定地球的密度，他曾跟卡文迪许讨论过这一问题。但是，米歇尔还未用它来进行测定，便去世了。后来，米歇尔的扭秤辗转传到了卡文迪许的手里。

年，亨利·卡文迪许出生在英国一个贵族家庭，他从父辈那里继承了巨额财产，但是他的一生却非常节俭，因为他把全部的精力都投入到了科学研究当中，一辈子就只在自家的实验室里度过。在得到米歇尔的扭秤之后，卡文迪许便开始准备用它来测量铅球之间的引力。

卡文迪许首先根据自己实验的需要对米歇尔的扭秤进行了分析，他认为有些部件没有达到他所希望的方便程度，为此，卡文迪许重新制作了绝大部分部件，并对原装置进行了一些改动。卡文迪许认为大铅球对小铅球的引力是极其微小的，任何一个极小的干扰力都会使实验失败。他发现最难以防止的干扰力来自冷热变化和空气的流动。为了排除误差来源，卡文迪许把整个仪器安置在一个封闭房间里，通过望远镜从室外观察扭秤臂杆的移动。扭秤的主要部分是一个轻而坚固的T形架，倒挂在一根金属丝的下端。T形架水平部分的两端各装一个质量为m的小球，T形架的竖直部分装一面小平面镜M，它能把射来的光线反射到刻度尺上，这样就能比较精确地测量金属丝的扭转。年，他利用扭秤进行了一系列测量，测得引力常数G=6.×10-11N·m2/kg2，与目前的公认值只差百分之一。年，他测量并计算出的地球平均密度是5.克/厘米3，现在公认的是5.克/厘米3，非常接近。

卡文迪许在热学理论、化学、电学、气象学、大地磁学等方面都有研究。卡文迪许是一个特别腼腆内向、害怕与人打交道的人，他在电学上进行了大量重要的研究却长期不为人知。他在年向皇家学会提交论文，认为电荷之间的作用力可能呈现与距离的平方成反比的关系，后来被库仑通过实验证明了这一关系，这就是库仑定律。他主张电容器的电容会随着极板间的介质不同而变化，提出了介电常数的概念，并推导出平板电容器的公式。他第一个将电势概念大量应用于电学现象的解释中，并通过大量实验，提出了电势与电流成正比的关系，年这一关系被欧姆重新发现，即欧姆定律。

出于科学上的严谨，还由于性格孤僻的原因，卡文迪许的大部分手稿在他生前都没有公开。直至19世纪中叶开尔文（威廉·汤姆生）发现卡文迪许的手稿中有圆盘和同半径的圆球所带电荷的正确比值，才注意到这些手稿的价值，然后经他的催促和努力，电学部分由麦克斯韦整理为《卡文迪许的电学研究》并加上注释，在年发表，卡文迪许在电学上的成果才被世人知晓。化学和力学部分直到年才出版──卡文迪许的许多重要发现被雪藏了一百多年。麦克斯韦在整理卡文迪许的电学研究的手稿后说过这么一句话：“卡文迪许把自己的成果捂得如此严实，以致于电学的历史失去了本来的面目。”的确，在电学上面我们几乎看不到卡文迪许的名字，然而，他却是真正的电学先驱。

亨利·卡文迪许是科学史上最低调的一流科学大师，他一生都在实验室里度过。这自然使我们联想起剑桥大学的那座著名的卡文迪许实验室。不过卡文迪许实验室并不是亨利·卡文迪许留下的，而是亨利的后代亲属德文郡八世公爵S.C.卡文迪许将自己的一笔财产捐赠剑桥大学于年兴建的，它的名字既来自捐赠者家族，也是纪念其杰出的先辈亨利·卡文迪许。实验室的第一任主任是19世纪最杰出的物理学家麦克斯韦，他比亨利·卡文迪许小了整整岁。卡文迪许实验室可谓人才辈出，硕果累累，在科学史上大概只有诞生于20世纪美国的贝尔实验室可与之媲美。贝尔实验室以技术发明见长，卡文迪许实验室以基础科学驰誉。卡文迪许实验室的一代一代科学家没有辱没实验室的名字，而是将它的荣耀发扬光大。

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