Henry Cavendish

Raný životEdit

Henry Cavendish se narodil 10. října 1731 v Nice, kde v té době žila jeho rodina. Jeho matkou byla lady Anne de Grey, čtvrtá dcera Henryho Greye, 1. vévody z Kentu, a jeho otcem byl lord Charles Cavendish, třetí syn Williama Cavendishe, 2. vévody z Devonshiru. Rodina vysledovala svůj rodokmen přes osm století až do normanských dob a byla úzce spjata s mnoha šlechtickými rody Velké Británie. Henryho matka zemřela v roce 1733, tři měsíce po narození druhého syna Fredericka a krátce před Henryho druhými narozeninami, a nechala lorda Charlese Cavendishe vychovávat jeho dva syny. Henry Cavendish byl stylizován jako „ctihodný Henry Cavendish“.

Od svých 11 let Henry navštěvoval Newcome’s School, soukromou školu poblíž Londýna. V 18 letech (24. listopadu 1748) nastoupil na univerzitu v Cambridgi do St Peter’s College, dnes známé jako Peterhouse, ale o tři roky později, 23. února 1751, ji opustil, aniž by získal titul (v té době běžná praxe). Poté žil se svým otcem v Londýně, kde měl brzy vlastní laboratoř.

Lord Charles Cavendish strávil svůj život nejprve v politice a poté stále více ve vědě, zejména v Královské společnosti v Londýně. V roce 1758 vzal Henryho na zasedání Královské společnosti a také na večeře Klubu Královské společnosti. V roce 1760 byl Henry Cavendish zvolen členem obou těchto skupin a poté se jich pilně účastnil. V politice se prakticky neangažoval, ale následoval svého otce ve vědě, a to prostřednictvím svých výzkumů a účasti ve vědeckých organizacích. Byl činný v Radě Královské londýnské společnosti (do níž byl zvolen v roce 1765).

Jeho zájem a odborné znalosti v oblasti používání vědeckých přístrojů ho vedly k tomu, že vedl výbor pro revizi meteorologických přístrojů Královské společnosti a pomáhal posuzovat přístroje Královské greenwichské observatoře. Jeho první článek, Factitious Airs, vyšel v roce 1766. Mezi další výbory, v nichž působil, patřil výbor pro referáty, který vybíral příspěvky k publikování ve Filosofických sbornících Královské společnosti, a výbory pro tranzit Venuše (1769), pro gravitační přitažlivost hor (1774) a pro vědecké pokyny pro výpravu Constantina Phippse (1773), která hledala severní pól a severozápadní cestu. V roce 1773 se Henry připojil ke svému otci jako zvolený správce Britského muzea, kterému věnoval mnoho času a úsilí. Brzy po založení Královského institutu Velké Británie se Cavendish stal jeho ředitelem (1800) a aktivně se zajímal zejména o laboratoř, kde pozoroval a pomáhal při chemických pokusech Humphryho Davyho.

Chemický výzkumEdit

Cavendishův přístroj na výrobu a sběr vodíku

V době otcovy smrti, Cavendish začal úzce spolupracovat s Charlesem Blagdenem, což mu pomohlo plně se začlenit do londýnské vědecké společnosti. Na oplátku Blagden pomáhal udržovat od Cavendishe odstup. Cavendish nevydal žádnou knihu a publikoval jen málo prací, ale dosáhl mnoha úspěchů. Několik oblastí výzkumu, včetně mechaniky, optiky a magnetismu, se hojně objevuje v jeho rukopisech, ale v jeho publikovaných pracích se téměř nevyskytují. Cavendish je považován za jednoho z tzv. pneumatických chemiků osmnáctého a devatenáctého století, spolu například s Josephem Priestleym, Josephem Blackem a Danielem Rutherfordem. Cavendish zjistil, že působením některých kyselin na určité kovy vzniká určitý, zvláštní a vysoce hořlavý plyn, který označil jako „zápalný vzduch“. Tímto plynem byl vodík, o němž Cavendish správně odhadl, že je ve vodě v poměru dvě ku jedné.

Ačkoli jiní, například Robert Boyle, připravili plynný vodík již dříve, Cavendishovi se obvykle připisují zásluhy za rozpoznání jeho elementární povahy. V roce 1777 Cavendish zjistil, že vzduch vydechovaný savci se mění na „fixovaný vzduch“ (oxid uhličitý), nikoliv na „flogistický vzduch“, jak předpovídal Joseph Priestley. Cavendish také rozpouštěním zásad v kyselinách získal oxid uhličitý, který spolu s dalšími plyny shromažďoval v lahvích obrácených nad vodou nebo rtutí. Poté měřil jejich rozpustnost ve vodě a specifickou hmotnost a zaznamenal jejich hořlavost. Ve svém článku „General Considerations on Acids“ (Obecné úvahy o kyselinách) z roku 1778 dospěl k závěru, že vdechovaný vzduch představuje kyselinu. Cavendish za tuto práci obdržel Copleyho medaili Královské společnosti. Chemie plynů měla ve druhé polovině 18. století stále větší význam a stala se rozhodující pro reformu chemie Francouze Antoina-Laurenta Lavoisiera, obecně známou jako chemická revoluce.

V roce 1783 Cavendish publikoval článek o eudiometrii (měření vhodnosti plynů k dýchání). Popsal nový eudiometr, který vynalezl a s nímž dosáhl dosud nejlepších výsledků, přičemž použil to, co v jiných rukou bylo nepřesnou metodou měření plynů jejich vážením. Poté, po zopakování experimentu z roku 1781, který provedl Priestley, Cavendish publikoval práci o výrobě čisté vody spalováním vodíku v „deflogistickém vzduchu“ (vzduch v procesu hoření, dnes známý jako kyslík). cavendish došel k závěru, že při spalování vodíku dochází spíše ke kondenzaci vody ze vzduchu, než k její syntéze. Někteří fyzikové interpretovali vodík jako čistý flogiston. Cavendish o svých zjištěních informoval Priestleyho nejpozději v březnu 1783, ale publikoval je až v následujícím roce. Skotský vynálezce James Watt publikoval článek o složení vody v roce 1783; následovala polemika o tom, kdo učinil objev jako první.

V roce 1785 Cavendish zkoumal složení běžného (tj. atmosférického) vzduchu a získal působivě přesné výsledky. Prováděl pokusy, při nichž byly vodík a obyčejný vzduch kombinovány ve známém poměru a poté vybuchovaly pomocí elektrické jiskry. Kromě toho popsal také pokus, při kterém dokázal ze vzorku atmosférického vzduchu odstranit, řečeno moderní terminologií, plynný kyslík i dusík, až v původním vzorku zůstala jen malá bublinka nezreagovaného plynu. Na základě svých pozorování Cavendish zjistil, že když určil množství flogistického vzduchu (dusíku) a deflogistického vzduchu (kyslíku), zůstal objem plynu ve výši 1/120 původního objemu dusíku. pečlivým měřením dospěl k závěru, že „běžný vzduch se skládá z jednoho dílu deflogistického vzduchu , smíšeného se čtyřmi díly flogistického“.

V 90. letech 19. století (přibližně o 100 let později) si dva britští fyzikové, William Ramsay a lord Rayleigh, uvědomili, že za Cavendishův problematický zbytek může jimi nově objevený inertní plyn, argon; nedopustil se chyby. Provedl přísné kvantitativní experimenty s použitím standardizovaných přístrojů a metod, jejichž cílem bylo dosáhnout reprodukovatelných výsledků, stanovil průměrný výsledek několika experimentů a identifikoval a zohlednil zdroje chyb. Váhy, které používal, vyrobené řemeslníkem jménem Harrison, byly první z přesných vah 18. století a byly stejně přesné jako Lavoisierovy váhy (jejichž přesnost se odhaduje na jednu část ze 400 000). Cavendish spolupracoval se svými nástrojaři a většinou spíše vylepšoval stávající přístroje, než aby vymýšlel zcela nové.

Cavendish, jak bylo uvedeno výše, používal v chemii jazyk staré flogistonové teorie. V roce 1787 jako jeden z prvních mimo Francii přešel na novou Lavoisierovu antiflogistickou teorii, ačkoli k názvosloví nové teorie zůstával skeptický. Měl také námitky proti Lavoisierovu označení tepla za látkový nebo elementární základ. Cavendish, který pracoval v rámci newtonovského mechanismu, se problémem podstaty tepla zabýval již v 60. letech 17. století a vysvětloval teplo jako výsledek pohybu hmoty.

V roce 1783 publikoval práci o teplotě, při níž mrzne rtuť, a v této práci použil myšlenku latentního tepla, ačkoli tento termín nepoužíval, protože se domníval, že implikuje přijetí materiální teorie tepla. Své námitky jasně vyjádřil ve svém článku o vzduchu z roku 1784. Dále rozvíjel obecnou teorii tepla a rukopis této teorie byl přesvědčivě datován do konce 80. let 17. století. Jeho teorie byla zároveň matematická a mechanická: obsahovala princip zachování tepla (později chápaný jako instance zachování energie) a dokonce obsahovala pojem (i když ne označení) mechanického ekvivalentu tepla.

Hustota ZeměUpravit

Po otcově smrti koupil Henry další dům ve městě a také dům v Clapham Common (postavený Thomasem Cubittem), v té době jižně od Londýna. V londýnském domě se nacházela většina jeho knihovny, zatímco většinu svých přístrojů měl v Clapham Common, kde prováděl většinu svých experimentů. Nejslavnější z těchto pokusů, publikovaný v roce 1798, se týkal určení hustoty Země a stal se známým jako Cavendishův experiment. Přístroj, který Cavendish použil k vážení Země, byl modifikací torzních vah sestrojených Angličanem a geologem Johnem Michellem, který zemřel dříve, než mohl experiment zahájit. Přístroj byl v bednách zaslán Cavendishovi, který experiment dokončil v letech 1797-1798 a výsledky publikoval.

Experimentální aparatura se skládala z torzní váhy s dvojicí dvoupalcových olověných koulí o hmotnosti 1,61 libry zavěšených na rameni torzní váhy a dvou mnohem větších nehybných olověných koulí (350 liber). Cavendish měl v úmyslu změřit sílu gravitační přitažlivosti mezi nimi. Všiml si, že Michellův přístroj bude citlivý na teplotní rozdíly a indukované vzdušné proudy, a proto provedl úpravy tak, že přístroj izoloval v samostatné místnosti s vnějším ovládáním a dalekohledem pro provádění pozorování.

Pomocí tohoto zařízení Cavendish vypočítal přitažlivost mezi koulemi z periody kmitání torzní váhy a tuto hodnotu pak použil k výpočtu hustoty Země. Cavendish zjistil, že průměrná hustota Země je 5,48krát větší než hustota vody. John Henry Poynting později poznamenal, že údaje měly vést k hodnotě 5,448, a to je skutečně průměrná hodnota z devětadvaceti stanovení, která Cavendish zahrnul do svého článku. Mimořádné na Cavendishově experimentu bylo vyloučení všech zdrojů chyb a všech faktorů, které by mohly experiment narušit, a jeho přesnost při měření překvapivě malé přitažlivosti, pouhé 1/50 000 000 hmotnosti olověných kuliček. Výsledek, který Cavendish získal pro hustotu Země, se pohybuje v rozmezí 1 procenta v současnosti uznávaného údaje.

Cavendishova práce vedla ostatní k přesným hodnotám gravitační konstanty (G) a hmotnosti Země. Na základě jeho výsledků lze vypočítat hodnotu G 6,754 × 10-11N-m2/kg2, což je v příznivém srovnání s moderní hodnotou 6,67428 × 10-11N-m2/kg2.

Knihy často popisují Cavendishovu práci jako měření G nebo hmotnosti Země. Vzhledem k tomu, že tyto údaje souvisejí s hustotou Země pomocí triviální sítě algebraických vztahů, není žádný z těchto zdrojů chybný, ale neodpovídají přesně Cavendishově volbě slov a na tuto chybu upozornilo několik autorů. Cavendishovým deklarovaným cílem bylo změřit hustotu Země, ačkoli jeho výsledek k tomu zjevně počítá s G.

Poprvé dostala konstanta tento název v roce 1873, tedy téměř 100 let po Cavendishově experimentu, ale konstanta se používala již od dob Newtona. Cavendishovy výsledky také udávají hmotnost Země.

Elektrické výzkumyEdit

Cavendishovy elektrické a chemické pokusy, stejně jako pokusy s teplem, začaly v době, kdy žil se svým otcem v laboratoři v jejich londýnském domě. Lord Charles Cavendish zemřel v roce 1783 a téměř celý svůj velmi značný majetek odkázal Henrymu. Stejně jako jeho teorie tepla měla i Cavendishova komplexní teorie elektřiny matematickou podobu a byla založena na přesných kvantitativních experimentech. V roce 1771 publikoval ranou verzi své teorie založenou na expanzivní elektrické kapalině, která působí tlakem. Dokázal, že pokud by intenzita elektrické síly byla nepřímo úměrná vzdálenosti, pak by na vnějším povrchu zelektrizované koule leželo více elektrické tekutiny, než je potřeba k elektrické neutralitě; to pak potvrdil experimentálně. Po tomto úvodním článku Cavendish pokračoval v práci na elektřině, ale nic dalšího na toto téma nepublikoval.

Cavendish psal články na elektrická témata pro Královskou společnost, ale většina jeho elektrických experimentů se stala známou až poté, co je o sto let později, v roce 1879, shromáždil a publikoval James Clerk Maxwell, dlouho poté, co se o stejné výsledky zasloužili jiní vědci. Cavendishovy elektrické práce z Philosophical Transactions of the Royal Society of London byly spolu s většinou jeho elektrických rukopisů přetištěny v knize The Scientific Papers of the Honourable Henry Cavendish, F.R.S. (1921). Podle vydání Encyclopædia Britannica z roku 1911 patří mezi Cavendishovy objevy pojem elektrického potenciálu (který nazval „stupeň elektrizace“), raná jednotka kapacity (kapacita koule o průměru jeden palec), vzorec pro kapacitu deskového kondenzátoru, pojem dielektrické konstanty materiálu, vztah mezi elektrickým potenciálem a proudem (nyní nazývaný Ohmův zákon) (1781), zákony pro dělení proudu v paralelních obvodech (nyní připisované Charlesi Wheatstoneovi) a inverzní kvadratický zákon změny elektrické síly se vzdáleností, nyní nazývaný Coulombův zákon.

SmrtEdit

Cavendish zemřel v Claphamu 24. února 1810 (jako jeden z nejbohatších mužů v Británii) a byl pohřben spolu s mnoha svými předky v kostele, který je nyní katedrálou v Derby. V Derby po něm byla pojmenována silnice, na které bydlel. Cavendishovu laboratoř na Cambridgeské univerzitě věnoval jeden z Cavendishových pozdějších příbuzných, William Cavendish, 7. vévoda z Devonshiru (kancléř univerzity v letech 1861-1891).