Генри Кавендиш биография и материалы
Генри Кавендиш (1731-1810) был британским физиком и химиком, известным своими открытиями, такими как состав воды или расчет плотности Земли. Он также был первым, кто получил водород, и из своих работ он вывел расчет гравитационной постоянной.
Кавендиш родился в Ницце в 1731 году, в месте, где его родители оказались в неформальной обстановке. Он учился в Кембридже, но не получил степень по дополнительным академическим причинам. Полученное наследство позволило ему полностью сосредоточиться на исследовании, не отвлекаясь больше, чем на еженедельные встречи в Королевском обществе..
Помимо своего таланта ученого, Кавендиш был известен своей нетрадиционной личностью. Ему не нравилось личное обращение с кем-либо, что значительно возросло, когда дело дошло до женщин. Его застенчивость, самоотверженность и вкус к одиночеству заставили многих думать, что он, возможно, страдал от болезни Аспергера..
Это вызвало то, что некоторые из его открытий не были обнародованы до времени после его смерти, в результате чего другие ученые воспользовались достоинствами, которые соответствовали бы Кавендишу, если бы этот опубликовал его работы.
биография
Генри Кавендиш появился на свет 10 октября 1731 года в Ницце, сегодня во Франции, а затем принадлежал к королевству Сардиния.
Его родители, богатые представители английского дворянства, были там, чтобы попытаться облегчить деликатное состояние здоровья леди Энн Грей, матери будущего ученого. Женщина умрет через два года.
Благодаря хорошему семейному положению молодой Кавендиш вырос со всеми удобствами. Однако уже в это время стали проявляться признаки его одинокого характера. По словам его биографов, он не только избегал общения с другими, но и отказ от контакта с человеком граничил с болезненным.
Согласно летописцам, Генри был очень замкнутым, с глубоко эксцентричными и довольно женоненавистными чертами. Многие думают, что он страдал от синдрома Аспергера, который объяснил бы его образ жизни.
Кавендиш оставался одиноким всю свою жизнь. Его дядя Джордж Кавендиш видел его всего несколько минут в году. Его отвращение к женщинам было таким, что он общался со слугами посредством письменных заметок, угрожая уволить любого, кто предстал перед ним..
исследования
Школа Ньюкомба в Хакни была местом, выбранным для Кавендиша, чтобы начать учебу, когда ему было 11 лет. Когда он закончил этот этап, в 1749 году он поступил в Питерхаус Кембриджского университета.,
По словам его учителей, он был прикладным студентом, хотя обременен его застенчивостью. Он едва говорил и, казалось, всегда был заперт в своем мире.
Однако не в этом причина, по которой он не получил диплом в Кембридже. Кавендиш отказался участвовать в религиозных службах, которые проходили в университете, что было обязательным. Таким образом, заканчивая годы обучения в 1753 году, они не согласились дать ему звание..
После этого Кавендиш оставил сезон в Париже, где он расширил свои знания в области физики и математики..
Интерес к науке
По возвращении в Англию Кавендиш продолжал углублять научные предметы, которые его интересовали. Его отец, фанат науки, сыграл важную роль в будущем его сына, так как он привел его к экспериментам, которые были разработаны в Королевском обществе. Кроме того, он заставил их построить частную лабораторию для своего сына.
Когда отец Кавендиша умер, он начал тесно сотрудничать с Чарльзом Благденом, который также отвечал за сохранение мира от ученого..
Взрослая жизнь
Образ жизни Кавендиша всегда был очень строгим. Пока ему не исполнилось сорок лет, он жил на небольшой доход, который потратил его отец. Это изменилось, когда в 1773 году он унаследовал значительную сумму от своего дяди, лорда Джорджа Кавендиша..
В общей сложности он получил более миллиона фунтов, что сделало его одним из величайших миллионеров своего времени. Научный коллега, французский Баптист Био, сказал, что Кавендиш был «самым богатым из всех мудрых и, возможно, самым мудрым из всех богатых».
Несмотря на свое недавно приобретенное богатство, Кавендиш не изменил своего образа жизни. Все источники утверждают, что он не имел никакого интереса за деньги, и его единственными значительными расходами были научный материал и книги по физике и химии..
Его библиотека выросла настолько, что ему пришлось установить ее в отдельном доме, открыв для избранной группы коллег.
Королевское общество
Не изменилась и его личность. Его единственным занятием было научное исследование, которое он проводил в своем собственном лондонском доме. У него были только некоторые социальные отношения на сессиях Королевского общества, где он представил свои открытия.
В этом заведении каждую неделю проводился обед, на котором ученые делились своими выводами. Несмотря на то, что он был среди равных, Кавендиш поддерживал свою застенчивость почти каждый раз. Остальные участники знали о своих особенностях, поэтому они обычно оставляли это тихим.
Его биографы утверждают, что Королевское общество пропагандировало стратегию борьбы с ней: что они будут ходить рядом с ним случайным образом и что они будут говорить так, как будто они движутся к пустоте.
Видимо, если то, что было сказано, показалось интересным, Кавендиш мог ответить шепотом. В противном случае собеседник только услышал писк и вскоре увидел, что Кавендиш пойдет в самый тихий угол комнаты..
Его работа, однако, принесла ему некоторое признание среди исследователей. Таким образом, в 1773 году Кавендиш был избран членом Общества антикваров, а также попечителем Британского музея. Позже, в 1803 году, институт Франции принял его в свои ряды.
смерть
Генри Кавендиш скончался 24 февраля 1810 года в своем доме в лондонском Сити. Ему было 78 лет, и он оставил важное научное наследство и наследство миллионера.
Доказательством его бытия является история о дне его смерти. Кажется, что, чувствуя его конец, Кавендиш приказал своему слуге, что никто не должен приближаться к нему до наступления темноты. Слуга, обеспокоенный своим боссом, предупредил одного из своих немногих друзей, сэра Эверарда, который быстро пришел в дом.
Там он нашел умирающего ученого, но с тем же характером. Несмотря на его состояние, он сказал ему, что быть там бесполезно, так как он умирал, и это ему не поможет..
Кроме того, он обратился к слуге, предупредив и прокомментировав, что к его почти 80 годам любое продление его жизни приведет лишь к росту его страданий..
Его друг настоял на том, чтобы остаться с ним на всю ночь, пока Кавендиш не истечет на рассвете.
взносы
Вклад Генри Кавендиша в науку был очень важен для его времени. Основные из них были посвящены исследованию химии воздуха и воды, а также плотности Земли. По мнению экспертов, они отличаются большой точностью своих расчетов.
Его уже упоминавшееся отсутствие интереса к социальным отношениям сделало признание более ограниченным, чем он заслуживал.
В конце девятнадцатого века, просматривая свои труды, он обнаружил, что сделал открытия об электричестве, о которых никто не знал. Это заставило других ученых взять кредит, который бы соответствовал.
Получение водорода
В 1766 году Кавендиш провел несколько экспериментов с использованием сильных кислот (которые разлагаются при контакте с водным раствором) и некоторых металлов.
В результате этих исследований впервые был получен водород, элемент, который ученый назвал флогистоном («воспламеняющийся воздух»). Он также обнаружил, что газ легче.
Позже, в 1781 году, он понял, что если водород сжигался в закрытом контейнере, стены были покрыты водой. Это позволило ему подтвердить, что элемент имел несколько компонентов, что-то неизвестное до этого момента.
Он также исследовал состав атмосферы. Их результаты были очень похожи на результаты, полученные сегодня с более продвинутыми средствами. Таким образом, он обнаружил присутствие углекислого газа и ожидал почти столетие открытия благородных газов.
Кавендишский эксперимент: плотность Земли
Его знаменитый «Кавендишский эксперимент» позволил ему рассчитать массу Земли и привел к открытию значения универсальной гравитации..
Кавендиш опубликовал свои результаты в 1789 году в своей работе «Эксперименты по определению плотности Земли». Данные, предоставленные ученым, заключались в том, что плотность планеты была в 5,45 раза больше плотности воды, что очень близко к текущим измерениям..
Исследователь также определил плотность атмосферы и экспериментально продемонстрировал, что закон тяготения Ньютона был соблюден для любой пары тел.
электричество
Хотя его работы не были обнаружены до столетия спустя, Кавендиш сделал важные открытия в области электричества. Среди них закон притяжения между электрическими зарядами и понятие электроэнергии.
Доказательством того, что эти открытия были открыты в эпоху, в которой жил ученый, является способ измерения электрического тока..
Поскольку подходящих инструментов не было, Кавендиш подключал кабели к своему телу и подвергался постепенным разрядам, вычисляя интенсивность в соответствии с болью, которую он чувствовал..
Кавендиш
Самый богатый из учёных и самый учёный из богачей.
Ж.Био.
Довёл свою страсть к науке или до идеала, или до абсурда.
Среди его возможных «родственников» Томас Кавендиш, знаменитый корсар, командор 3-й кругосветной экспедиции.
Родился 10 октября 1731 в Ницце в семье лорда Чарльза Кавендиша, третьего сына герцога Девоншира, и леди Анн Грей. В Ницце леди лечилась. Она умерла, когда Генри было 2 года.
1749-1753 (59). Учился в кембриджском университете, но не закончил обучение. Даже не пытался сдавать экзамены.
1760. Член Лондонского королевского общества.
Никакой ученой степени он так и не получил.
Публиковал только те научные результаты, в достоверности которых был полностью уверен. Остальное оставалось в неведении до публикации их Максвеллом.
«Занимался наукой исключительно из любви к ней. Ко всему, что её не касалось, Кавендиш был холодно-безразличен, никогда не слышали, чтобы он о чём-то отозвался более или менее положительно».
Жил в молодости бедно и располагал довольно скромным достатком. Наследство получил от дяди.
Кое-кто полагает, что богатство принесли ему успешные занятия алхимией.
«Сохранилось письмо из банка, где Кавендиш держал очень небольшую часть своих денег. В этом письме банк предлагал ему поместить туда и остальную часть состояния, обещая самые выгодные условия. Ответ сэра Генри: «Занимайтесь деньгами, которые я депонировал в вашем банке, а от остальных держитесь подальше. Если же вы не знаете, что с ними делать, я их охотно заберу. И если вы еще хоть раз меня потревожите, я незамедлительно это сделаю»».
Жил в родовом замке отшельником.
(Вариации: В замке занимал 2 комнаты – в одной жил сам, в другой была лаборатория, где спал единственный помогавший ему с опытами слуга).
Всегда ходил по середине мостовой чтобы уменьшить вероятность встречи и необходимого разговора.
Молчал почти всегда. «Поговорить с ним было совершенно невозможно, так как он просто поворачивался спиной к пытающемуся это сделать и уходил. По слухам, у него все же было несколько друзей, но никакой информации о них не имеется».
Распоряжения передавались с помощью записок.
Библиотекой его мог пользоваться любой. При условии, что бравший книгу давал письменное обязательство её вернуть. Бывало, что если сам Кавендиш ею пользовался, то писал: «Генри Кавендиш взял книгу у Генри Кавендиша».
Боязнь женщин. Пользовался специально пристроенной наружной лестницей в своем доме для того, чтобы не пересекаться со служанками в доме. Если встречал в доме горничную, она могла быть уволена. (Вариант: К дому он приказал пристроить наружную лестницу и велел слугам пользоваться только ею. Тех же из них, кто осмеливался воспользоваться внутренней, он немедленно увольнял).
«Однажды Кавендиш ужинал в клубе Королевского научного общества. В окне напротив появилась молодая красивая женщина. Многие из присутствующих в клубе мужчин подошли к окну. Кавендиш к ним присоединился. Поняв, что их заинтересовало, тут же покинул клуб, вслух выражая свое отвращение к происходящему».
«Как-то раз, находясь в Клапхэме, Кавендиш увидел, как на лугу женщина пытается убежать от разъяренного быка. Он мгновенно поспешил на помощь, бросился между женщиной и животным и сумел его отогнать. Затем, не ожидая благодарности, повернулся и молча ушел».
Носил фиолетовый костюм, парик в стиле XVII века и всегда прятал лицо. Точные копии костюмов с учётом произошедших изменений формы тела. Мерка снималась один раз в год в одно и тоже время при полном молчании.
Строгие места предметов.
Умер после единственной в его жизни болезни на 80-м году. Умирая запретил заходить к себе слугам. Те почувствовав неладное вызвали врача. Тот прибыл, но Кавендиш отказался в лечении, заявив, продолжение жизни означало бы продолжение страданий. Врач остался в бездействии.
«Завещание учёного содержало категорическое требование, чтобы склеп с его гробом сразу после похорон был наглухо замурован, а снаружи не было никаких надписей, указывающих, кто в этом склепе похоронен. Так и было сделано. Кавендиша похоронили 12 марта 1810 года в соборе в Дерби. Ни осмотра тела, ни вскрытия трупа не производили».
После его смерти осталось миллион фунтов стерлингов и несколько пачек неопубликованных рукописей, «разобранных» только Максвеллом (1879). Все его работы оставались достоянием семейного архива в Девоншире.
Состояние оставил своему кузену, деду 7-го герцога Девонширского, открывшего Кавендишскую лабораторию.
Ни одного достоверного портрета Кавендиша не сохранилось.
1871. Учреждение кафедры экспериментальной физики в Кембриджском университете.
1873. Создание Кавендишской лаборатории (Уильям Кавендиш). Первый профессор – Максвелл.
1879. Издание 20 пакетов манускриптов Генри Кавендиша. Максвелл на их разборку и редактирование потратил 5 лет жизни. Ничего неоткрытого к моменту опубликования обнаружено не было.
1921. Публикация трудов Кавендиша.
Основные труды Кавендиша относятся к химии газов и различным разделам экспериментальной физики.
Научные исследования проводил в собственной лаборатории, которую устроил в своем доме в Лондоне, где собрал лучшие приборы и инструменты того времени.
1766. Публикация 1-й научной работы «Искусственный воздух» (в 1784 и 1785 в «Трудах Королевского общества» были напечатаны две другие). Разработал методику собирания, очистки и изучения газов. Открыл водород (горючий воздух), получив его в чистом виде и исследовал его свойства (принял его за флогистон; гипотетическая огненная материя с отрицательным весом).
1770. Открыл Закон Ома (Сам Ом открыл его в 1826).
1771. Задолго до Фарадея (65 лет) признал роль промежуточной среды во взаимодействии и нашёл величину характеризующую эту роль – диэлектрическую постоянную. Определил значение диэлектрических проницаемостей ряда веществ. Ввёл понятия электроёмкости и электрического потенциала.
1771/2 (1767). Задолго до Кулона (1785) и гораздо убедительнее обосновал «закон Кулона».
1775. Демонстрирует сконструированного им искусственного электрического ската. Даёт возможность ощутить электрический разряд, абсолютно идентичный тому, каким настоящий скат парализует свои жертвы (опередил своих современников Гальвани и Вольта в создании электрических батарей). В роли «живого гальванометра» использовал своего слугу Ричарда.
1781 (84). Показал, что вода образуется при горении водорода. Определил её состав (определив соотношение объёмов взаимодействующих в этой реакции газов (100:202)). Получил углекислый газ.
1781 (84). Определил содержание кислорода в воздухе.
1796–1798. Занимался определениями теплоты фазовых переходов и удельных теплоемкостей различных веществ. Впервые сформулировал понятие теплоёмкости. Отверг флогистон. Изобрел эвдиометр – прибор для анализа газовых смесей, содержащих горючие вещества, ввел в практику осушители.
1798. Подтвердил закон Всемирного тяготения, вычислил гравитационную постоянную. Вычислил массу и среднюю плотность Земли.
За 200 лет до Эйнштейна рассчитал величину отклонения световых лучей, вызываемую гравитационным воздействием Солнца. Результаты близки к эйнштейновским.
Эпилог 1.
Что касается скрытности Кавендиша, то она совершенно непростительна; это грех.
Хэвисайд (1891).
Эпилог 2.
Рукописи самого гениального Хэвисайда бесследно пропали после его смерти.
Эпилог 3.
«Несколько ящиков (из наследия Кавендиша), заполненных рукописями и приборами, назначение которых не поддается определению, остаются не разобранными».
СОДЕРЖАНИЕ
биография
Ранний период жизни
Химические исследования
Кавендиш, как указано выше, использовал язык старой теории флогистона в химии. В 1787 году он стал одним из первых за пределами Франции, кто обратился к новой антифлогистической теории Лавуазье, хотя он по-прежнему скептически относился к номенклатуре новой теории. Он также возражал против определения Лавуазье тепла как имеющего материальную или элементарную основу. Работая в рамках ньютоновского механизма, Кавендиш занялся проблемой природы тепла в 1760-х годах, объяснив тепло как результат движения материи.
Плотность Земли
Экспериментальная установка состояла из торсионных весов с парой 2-дюймовых свинцовых сфер весом 1,61 фунта, подвешенных к рычагу торсионных весов, и двух гораздо более крупных неподвижных свинцовых шариков (350 фунтов). Кавендиш намеревался измерить силу гравитационного притяжения между ними. Он заметил, что аппарат Мичелла будет чувствителен к перепадам температур и индуцированным воздушным потокам, поэтому он внес изменения, изолировав аппарат в отдельной комнате с внешним управлением и телескопами для проведения наблюдений.
Используя это оборудование, Кавендиш рассчитал притяжение между шарами по периоду колебаний торсионных весов, а затем использовал это значение для расчета плотности Земли. Кавендиш обнаружил, что средняя плотность Земли в 5,48 раза больше, чем у воды. Джон Генри Пойнтинг позже заметил, что данные должны были привести к значению 5,448, и это действительно среднее значение из двадцати девяти определений, которые Кавендиш включил в свою статью. Что было необычным в эксперименте Кавендиша, так это то, что он исключил все источники ошибок и все факторы, которые могли помешать эксперименту, а также его точность измерения удивительно малого притяжения, составляющего всего 1/50 000 000 от веса свинцовых шаров. Результат, который Кавендиш получил для плотности Земли, находится в пределах 1 процента от принятой в настоящее время цифры.
Книги часто описывают работу Кавендиша как измерение либо G, либо массы Земли. Поскольку они связаны с плотностью Земли тривиальной сетью алгебраических соотношений, ни один из этих источников не является неправильным, но они не соответствуют точному выбору слова Кавендиша, и на эту ошибку указали несколько авторов. Заявленная цель Кавендиша состояла в том, чтобы измерить плотность Земли, хотя его результат, очевидно, рассчитывает G для этого.
Электротехнические исследования
Смерть
Личность и наследие
Обустройство его резиденции оставляло лишь часть места для личного комфорта, поскольку его библиотека была отделена, верхние комнаты и лужайка предназначались для астрономических наблюдений, а его гостиная представляла собой лабораторию с кузницей в соседней комнате. Он также любил коллекционировать прекрасную мебель, примером чего является его покупка набора из «десяти стульев с инкрустацией из атласного дерева и подходящего дивана на ножках кабриолета ».
Генри Кавендиш
Тот, кто взвесил Землю
Генри Кавендиш (Henry Cavendish) (1731–1810)
Клэпхем — район Лондона, который в конце XVIII века ещё считался деревней. Двести с лишним лет назад там стоял малопримечательный дом, ныне разрушенный, про который соседи говорили своим детям: «Это дом, где был взвешен мир».
Да, именно в этом доме английский физик и химик Генри Кавендиш впервые определил плотность и массу Земли. Это было самое знаменитое его достижение, хотя далеко не единственное.
Внешняя сторона жизни Кавендиша исключительно бедна событиями. Родился в Ницце, учился в Кембридже, жил порой в Лондоне, порой рядом с ним. Ни подвигов, ни скандалов, ни трогательных или страшных эпизодов. И это связано с необычными особенностями его личности — настолько необычными, что даже учёный мир, привыкший к чудакам и оригиналам, смотрел на этого человека с изумлением.
Дело в том, что Кавендиш был болезненно застенчив и избегал людей. С внешним миром он старался общаться через своего помощника Чарльза Благдена и никогда не заводил ни близких друзей, ни семьи. Когда его знакомили с кем-то, он сильно нервничал. Даже в беседах со старыми знакомыми он при любом неосторожном слове замыкался в себе и старался удалиться. Однажды, гуляя в малолюдном районе и глубоко задумавшись, он встретил влюблённую парочку, обратившуюся к нему с каким-то вопросом. Кавендиш был так перепуган, что с тех пор гулял только вокруг дома. Единственным видом светского общения, который он признавал, были вечера в клубе Королевского общества: там его глубоко уважали и признавали за ним право на любые странности.
Вид Лондона в XVIII веке
Женщины смущали его настолько, что даже со служанками в доме он общался с помощью записок, и поговаривали, что он специально попросил пристроить к своему дому лишнюю лестницу, чтобы при входе или выходе случайно не столкнуться с экономкой.
Кавендиш унаследовал огромное состояние и одно время считался богатейшим человеком Лондона. Французский физик Био называл его «самым богатым среди учёных и самым учёным среди богачей». Тем не менее Кавендиш одевался очень скромно и старомодно, а почти все комнаты его дома были заняты книгами и научными приборами (но была одна слабость: красивую мебель он всё-таки себе позволял). Он не хотел принимать никакого участия в своих финансовых делах, и когда банкир предложил ему вложить деньги в какое-нибудь предприятие, Кавендиш ответил: «Делайте что хотите, только меня этим не беспокойте, а то я найду другой банк». Однако его состояние не уменьшалось, и современники удивлялись: неужели он черпает деньги из бездонной бочки? Когда один коллега попросил его о небольшой помощи, Кавендиш выписал ему чек на десять тысяч фунтов — астрономическая сумма по тем временам! Возможно, это была даже не щедрость, а непонимание того, что такое «небольшая помощь».
Он был настолько удалён от треволнений окружающего мира, что ухитрился практически не заметить Великую французскую революцию и наполеоновские войны. Он не позировал художникам, и мы знаем портреты всей его родни, но не знаем его достоверных портретов — только один рисунок, где почти не различить лица.
Кавендиш не только не мечтал о славе — он не признавал любой публичности, не печатал книг и почти не писал статей. Многие свои рукописи он не показывал даже коллегам, и о них стало известно через многие десятки лет, когда их оценил, собрал и опубликовал другой великий физик — Джеймс Максвелл. А часть рукописей была и вовсе уничтожена автором, и мы можем только догадываться об их содержании.
Генри Кавендиш не оставил потомков; другие знаменитые Кавендиши (в том числе Уильям, основатель Кавендишской лаборатории, где потом в XX веке работало около тридцати нобелевских лауреатов) — его дальние родственники.
Биограф Кавендиша писал о нём:
«В его натуре не было ничего искреннего, восторженного, героического или рыцарственного, но столь же мало было злого, холуйского или низкого. То, для понимания чего нужно было что-то большее, чем чистый интеллект, или требовались фантазия, воображение, привязанность, вера, было Кавендишу неприятно. Всё, что я вижу, читая его записки, — это умная голова для мышления, пара удивительно острых глаз для наблюдения и пара очень умелых рук для проведения опытов».
Действительно, болезненная робость Кавендиша пропадала за рабочим столом и в лаборатории. Здесь он ставил перед собой самые смелые и масштабные задачи — и блестяще их решал.
Поскольку Кавендиш не публиковал многие работы, а опубликованные статьи никак не продвигал, только через много лет стало понятно, что именно ему принадлежит приоритет ряда открытий. Он фактически открыл закон Кулона (сила взаимодействия между электрическими зарядами в зависимости от расстояния между ними) за 14 лет до Кулона, закон Ома за десятки лет до Ома, а также ещё многие законы, касающиеся электричества и тепла. Он обнаружил существование инертных газов (точнее, наличие в воздухе важных компонентов помимо азота и кислорода) за сто лет до Рэлея и Рамзая. Он не был первооткрывателем водорода, но успешно исследовал его и другие газы. Великий Хемфри Дэви позднее писал о химических опытах Кавендиша: «Хотя многие из них были проведены лишь в пору младенчества химической науки, их точность и красота не потускнели по сей день».
Аппарат Кавендиша для получения водорода
Но всё-таки самое известное достижение Кавендиша — измерение плотности Земли в 1797–1798 годах. Об этом стоит рассказать подробнее.
Главный опыт Кавендиша
Учёных с давних пор интересовали размеры Земли. Оценить радиус Земли (считая её шаром) не так уж сложно: это проделал ещё Эратосфен в III веке до нашей эры. В день летнего солнцестояния, в тот момент, когда в городе Сиене (ныне Асуан) лучи Солнца падали на Землю отвесно, в городе Александрии точно к северу от Сиены их направление уже не было отвесным: солнечные часы отбрасывали тень. Поняв, под каким углом падают лучи в Александрии — а это можно сделать, узнав отношение длины тени от солнечных часов к их высоте, — и зная расстояние между Александрией и Сиеной, Эратосфен, решив простую геометрическую задачу, узнал радиус Земли (рис. 1). Позднее другие измерили его точнее: R ≈ 6370 км.
Рис. 1. Определение радиуса Земли
А вот как узнать массу Земли? Долгое время эта задача казалась неразрешимой. Теоретическая возможность подступиться к ней возникла, когда Ньютон открыл закон всемирного тяготения: ведь не только Земля и небесные тела притягивают к себе разные объекты, но и вообще все предметы в мире притягиваются друг к другу. Сила тяготения между ними вычисляется (в современной записи) как
где m1 и m2 — массы первого и второго тела, R — расстояние между их центрами, а G — некое число, которое называется гравитационной постоянной.
Мы знаем, с какой силой F тело определенной массы m1 притягивается к Земле. Мы знаем расстояние между их центрами — это радиус Земли R. Но во времена Ньютона были неизвестны ни постоянная G, ни масса Земли m2, и не было способа их найти. Вот если бы мы могли измерить силу притяжения между двумя известными массами (и сравнить с силой притяжения к Земле), было бы совсем другое дело. Но измерить трудно: ведь притяжение между любыми предметами разумных размеров, которые может сконструировать человек, будет очень слабым.
В 80-е годы XVIII века прибор для измерения этой силы попытался создать английский геолог Джон Мичелл. Но он умер, не завершив работу. И позднее Кавендиш построил свой прибор по аналогии с аппаратом Мичелла и провёл свои знаменитые измерения (рис. 2).
Рис. 2. Схема прибора для опыта Кавендиша
Вид экспериментальной установки. Рисунок Кавендиша, 1798 г.
Основа установки Кавендиша — крутильные весы. На длинной металлической нити было закреплено коромысло с двумя одинаковыми свинцовыми шарами — примерно по 730 граммов. К каждому из них подводился на одной высоте с ним тяжёлый шар (около 150 кг), также из свинца. И тогда коромысло поворачивалось на небольшой угол! Этот угол определяется, с одной стороны, силой притяжения между шарами, с другой стороны — упругостью нити. Поскольку упругость нити можно было измерить (для этого удаляли большие шары и смотрели, как колеблется коромысло вокруг нити), сила притяжения между шарами тоже легко вычислялась.
Но не так всё просто. Кавендиш не использовал ту удобную терминологию и систему обозначений, которую мы применяем сейчас. Свою задачу Кавендиш формулировал даже не как «измерение массы Земли», а как «измерение плотности Земли». Кстати, его результаты были удивительно точными: средняя плотность Земли получилась примерно в 5,48 раз больше плотности воды (современная цифра — около 5,51 г/см 3 ), и измерения лучшего качества удалось провести только через сто лет. Даже сейчас для этого нужны установки примерно того же типа, а высокая точность остаётся проблемой.
Почему остаётся проблемой? Потому что при фиксации таких небольших сил очень трудно избавиться от случайных помех. Кавендиш приложил максимум стараний. Его установка была помещена в деревянный ящик, чтобы на неё не влияли потоки воздуха и перепады температуры. Наблюдатель смотрел на происходящее в телескоп через дырки в стенках ящика. Большие шары с помощью специального механизма подводились к малым то с одной, то с другой стороны, чтобы получить нужный результат даже для случая, когда здание или установка чуть-чуть наклонены по отношению к горизонтали. Эксперимент был повторен десятки раз. Словом, нужна была исключительная добросовестность, и недаром этот опыт Кавендиша считался образцовым.
Книга «Experiments to Determine the Density of Earth»
Современная модель прибора Кавендиша. Фото: Clive Grainger
Кавендиш был бы сильно удивлён, узнав, что о нём когда-нибудь будут писать в журнале для детей и что описание его опыта войдёт во все учебники по физике. Но сложилось именно так.
Собор Всех Святых в Дерби. Здесь могила Кавендиша
