Henry Cavendish

Tidlig levetidRediger

Henry Cavendish blev født den 10. oktober 1731 i Nice, hvor hans familie boede på det tidspunkt. Hans mor var lady Anne de Grey, fjerde datter af Henry Grey, 1. hertug af Kent, og hans far var lord Charles Cavendish, tredje søn af William Cavendish, 2. hertug af Devonshire. Familien trak sin slægt gennem otte århundreder tilbage til normannernes tid og var tæt forbundet med mange aristokratiske familier i Storbritannien. Henrys mor døde i 1733, tre måneder efter fødslen af hendes anden søn, Frederick, og kort før Henrys anden fødselsdag, og efterlod Lord Charles Cavendish til at opfostre sine to sønner. Henry Cavendish blev kaldt “The Honourable Henry Cavendish”.

Fra han var 11 år gammel, gik Henry på Newcome’s School, en privatskole i nærheden af London. Som 18-årig (den 24. november 1748) kom han ind på universitetet i Cambridge på St Peter’s College, nu kendt som Peterhouse, men forlod det tre år senere, den 23. februar 1751, uden at have taget en eksamen (på den tid en almindelig praksis). Han boede derefter hos sin far i London, hvor han snart havde sit eget laboratorium.

Lord Charles Cavendish tilbragte sit liv først med politik og derefter i stigende grad med videnskab, især i Royal Society of London. I 1758 tog han Henry med til møder i Royal Society og også til middage i Royal Society Club. I 1760 blev Henry Cavendish valgt ind i begge disse grupper, og han var flittig i sit fremmøde efter det. Han tog stort set ikke del i politik, men fulgte sin far i videnskaben gennem sine undersøgelser og sin deltagelse i videnskabelige organisationer. Han var aktiv i Rådet for Royal Society of London (som han blev valgt til i 1765).

Hans interesse og ekspertise i brugen af videnskabelige instrumenter fik ham til at lede et udvalg til at gennemgå Royal Society’s meteorologiske instrumenter og til at hjælpe med at vurdere instrumenterne i Royal Greenwich Observatory. Hans første artikel, Factitious Airs, udkom i 1766. Andre komitéer, som han var medlem af, omfattede komitéen for artikler, som udvalgte de artikler, der skulle offentliggøres i Philosophical Transactions of the Royal Society, og komitéerne for Venus’ passage (1769), for bjergenes gravitationelle tiltrækning (1774) og for de videnskabelige instruktioner til Constantine Phipps’ ekspedition (1773) på jagt efter Nordpolen og Nordvestpassagen. I 1773 sluttede Henry sig til sin far som valgt tillidsmand for British Museum, som han brugte en stor del af sin tid og indsats på. Kort efter at Royal Institution of Great Britain blev oprettet, blev Cavendish leder (1800) og tog en aktiv interesse, især i laboratoriet, hvor han observerede og hjalp til ved Humphry Davys kemiske eksperimenter.

KemiforskningRediger

Cavendishs apparat til fremstilling og indsamling af brint

Omkring tidspunktet for hans fars død, Cavendish begyndte at arbejde tæt sammen med Charles Blagden, en forbindelse, der hjalp Blagden til at komme fuldt ud ind i Londons videnskabelige samfund. Til gengæld hjalp Blagden med at holde omverdenen på afstand af Cavendish. Cavendish udgav ingen bøger og kun få artikler, men han opnåede meget. Flere forskningsområder, herunder mekanik, optik og magnetisme, optræder i udstrakt grad i hans manuskripter, men de optræder næppe i hans offentliggjorte værker. Cavendish anses for at være en af de såkaldte pneumatiske kemikere fra det 18. og 19. århundrede sammen med bl.a. Joseph Priestley, Joseph Black og Daniel Rutherford. Cavendish fandt ud af, at en bestemt, ejendommelig og meget brandfarlig gas, som han kaldte “Inflammable Air”, blev dannet ved visse syrers påvirkning af visse metaller. Denne gas var hydrogen, som Cavendish korrekt gættede på var proportioneret to til en i vand.

Men selv om andre, såsom Robert Boyle, havde fremstillet hydrogengas tidligere, er det normalt Cavendish, der får æren for at have erkendt dens elementære natur. I 1777 opdagede Cavendish, at luft, som pattedyr udånder, omdannes til “fast luft” (kuldioxid) og ikke til “phlogisticeret luft”, som Joseph Priestley havde forudsagt. Ved at opløse alkalier i syrer fremstillede Cavendish også kuldioxid, som han opsamlede sammen med andre gasser i flasker, der blev vendt om over vand eller kviksølv. Derefter målte han deres opløselighed i vand og deres vægtfylde og noterede deres brændbarhed. Han konkluderede i sin afhandling “General Considerations on Acids” fra 1778, at indåndbar luft udgør surhedsgraden. Cavendish blev tildelt Royal Society’s Copley Medalje for denne artikel. Gaskemi fik stigende betydning i sidste halvdel af det 18. århundrede og blev afgørende for franskmanden Antoine-Laurent Lavoisiers reform af kemien, der generelt er kendt som den kemiske revolution.

I 1783 udgav Cavendish en afhandling om eudiometri (måling af gassers egnethed til at blive indåndet). Han beskrev et nyt eudiometer, som han havde opfundet, og hvormed han opnåede de bedste resultater til dato, idet han anvendte den i andre hænder upræcise metode, hvor gasser blev målt ved at veje dem. Derefter, efter en gentagelse af et forsøg udført af Priestley i 1781, offentliggjorde Cavendish en artikel om fremstilling af rent vand ved at brænde brint i “dephlogisticated air” (luft i forbrændingsproces, som nu vides at være ilt) Cavendish konkluderede, at i stedet for at blive syntetiseret, forårsagede forbrændingen af brint, at vand blev kondenseret fra luften. Nogle fysikere fortolkede brint som ren phlogiston. Cavendish rapporterede sine resultater til Priestley senest i marts 1783, men offentliggjorde dem først året efter. Den skotske opfinder James Watt offentliggjorde en artikel om vands sammensætning i 1783; der fulgte en kontrovers om, hvem der først gjorde opdagelsen.

I 1785 undersøgte Cavendish sammensætningen af almindelig (dvs. atmosfærisk) luft og opnåede imponerende præcise resultater. Han udførte eksperimenter, hvor brint og almindelig luft blev kombineret i kendte forhold og derefter eksploderede med en gnist af elektricitet. Desuden beskrev han også et forsøg, hvor han med moderne terminologi var i stand til at fjerne både ilt- og kvælstofgasserne fra en prøve af atmosfærisk luft, indtil der kun var en lille boble af uomsat gas tilbage i den oprindelige prøve. Ved hjælp af sine observationer konstaterede Cavendish, at når han havde bestemt mængderne af phlogisticeret luft (nitrogen) og dephlogisticeret luft (oxygen), var der stadig en gasmængde tilbage, der svarede til 1/120 af den oprindelige mængde nitrogen, og ved omhyggelige målinger kunne han konkludere, at “almindelig luft består af en del dephlogisticeret luft, blandet med fire dele phlogisticeret luft”.

I 1890’erne (ca. 100 år senere) indså to britiske fysikere, William Ramsay og Lord Rayleigh, at deres nyligt opdagede inerte gas, argon, var ansvarlig for Cavendishs problematiske restkoncentration; han havde ikke begået en fejl. Han havde udført strenge kvantitative eksperimenter ved hjælp af standardiserede instrumenter og metoder med henblik på at opnå reproducerbare resultater; han havde taget gennemsnittet af resultatet af flere eksperimenter og havde identificeret og taget højde for fejlkilder. Den vægt, som han brugte, og som var fremstillet af en håndværker ved navn Harrison, var den første af 1700-tallets præcisionsvægte og var lige så nøjagtig som Lavoisiers (som er blevet anslået til at måle en del på 400.000). Cavendish arbejdede sammen med sine instrumentmagere og forbedrede generelt eksisterende instrumenter snarere end at opfinde helt nye.

Cavendish brugte, som nævnt ovenfor, sproget fra den gamle phlogiston-teori i kemi. I 1787 blev han en af de tidligste uden for Frankrig til at konvertere til Lavoisiers nye antiphlogistiske teori, selv om han forblev skeptisk over for den nye teoris nomenklatur. Han modsatte sig også Lavoisiers identifikation af varme som værende materielt eller elementært baseret. Cavendish, der arbejdede inden for rammerne af Newtons mekanisme, havde i 1760’erne taget fat på problemet om varmens natur og forklarede varme som et resultat af materiens bevægelse.

I 1783 udgav han en artikel om den temperatur, hvor kviksølv fryser, og i denne artikel gjorde han brug af ideen om latent varme, selv om han ikke brugte udtrykket, fordi han mente, at det indebar accept af en materiel teori om varme. Han gjorde sine indvendinger eksplicit i sin afhandling om luft fra 1784. Han fortsatte med at udvikle en generel teori om varme, og manuskriptet til denne teori er på overbevisende vis blevet dateret til slutningen af 1780’erne. Hans teori var på én gang matematisk og mekanisk: den indeholdt princippet om bevarelse af varme (senere forstået som et eksempel på bevarelse af energi) og indeholdt endda begrebet (om end ikke betegnelsen) om den mekaniske ækvivalent af varme.

Jordens massefyldeRediger

Efter sin fars død købte Henry et andet hus i byen og også et hus i Clapham Common (bygget af Thomas Cubitt), på det tidspunkt syd for London. Huset i London indeholdt hovedparten af hans bibliotek, mens han opbevarede de fleste af sine instrumenter i Clapham Common, hvor han udførte de fleste af sine eksperimenter. Det mest berømte af disse eksperimenter, der blev offentliggjort i 1798, gik ud på at bestemme Jordens massefylde og blev kendt som Cavendish-eksperimentet. Det apparat, som Cavendish brugte til at veje jorden, var en modifikation af den torsionsvægt, der var bygget af englænderen og geologen John Michell, som døde, før han kunne påbegynde eksperimentet. Apparatet blev sendt i kasser til Cavendish, som afsluttede eksperimentet i 1797-1798 og offentliggjorde resultaterne.

Det eksperimentelle apparat bestod af en torsionsvægt med et par 2-tommers blykugler på 1,61 pund, der var ophængt i armen på en torsionsvægt, og to meget større stationære blykugler (350 pund). Cavendish havde til hensigt at måle den gravitationelle tiltrækningskraft mellem de to. Han bemærkede, at Michells apparat ville være følsomt over for temperaturforskelle og inducerede luftstrømme, så han foretog ændringer ved at isolere apparatet i et separat rum med eksterne kontroller og teleskoper til at foretage observationer.

Med dette udstyr beregnede Cavendish tiltrækningskraften mellem kuglerne ud fra torsionsbalancens svingningsperiode, og derefter brugte han denne værdi til at beregne Jordens massefylde. Cavendish fandt ud af, at Jordens gennemsnitlige massefylde er 5,48 gange større end vandets massefylde. John Henry Poynting bemærkede senere, at dataene burde have ført til en værdi på 5,448, og det er faktisk den gennemsnitlige værdi af de niogtyve bestemmelser, som Cavendish medtog i sin afhandling. Det ekstraordinære ved Cavendishs eksperiment var, at det eliminerede enhver fejlkilde og enhver faktor, der kunne forstyrre eksperimentet, og at det med stor præcision målte en forbløffende lille tiltrækning, nemlig blot 1/50.000.000 af blykuglernes vægt. Det resultat, som Cavendish opnåede for Jordens massefylde, ligger inden for 1 procent af det i dag accepterede tal.

Cavendishs arbejde førte andre til nøjagtige værdier for tyngdekraftskonstanten (G) og Jordens masse. På baggrund af hans resultater kan man beregne en værdi for G på 6,754 × 10-11N-m2/kg2, hvilket kan sammenlignes med den moderne værdi på 6,67428 × 10-11N-m2/kg2.

Bøger beskriver ofte Cavendishs arbejde som en måling af enten G eller Jordens masse. Da disse er relateret til Jordens massefylde ved hjælp af et trivielt net af algebraiske relationer, er ingen af disse kilder forkerte, men de stemmer ikke overens med Cavendishs nøjagtige ordvalg, og denne fejl er blevet påpeget af flere forfattere. Cavendishs erklærede mål var at måle Jordens massefylde, selv om hans resultat naturligvis beregner G for at gøre det.

Den første gang, konstanten fik dette navn, var i 1873, næsten 100 år efter Cavendishs eksperiment, men konstanten var i brug siden Newtons tid. Cavendishs resultater giver også jordens masse.

Elektrisk forskningRediger

Cavendishs elektriske og kemiske eksperimenter, ligesom dem om varme, var begyndt, mens han boede sammen med sin far i et laboratorium i deres hus i London. Lord Charles Cavendish døde i 1783 og efterlod næsten hele sin meget betydelige ejendom til Henry. Ligesom hans teori om varme var Cavendishs omfattende teori om elektricitet matematisk udformet og var baseret på præcise kvantitative eksperimenter. Han offentliggjorde en tidlig version af sin teori i 1771, som var baseret på en ekspansiv elektrisk væske, der udøvede tryk. Han påviste, at hvis intensiteten af den elektriske kraft var omvendt proportional med afstanden, så ville den elektriske væske mere end den, der var nødvendig for elektrisk neutralitet, ligge på den ydre overflade af en elektrificeret kugle; derefter bekræftede han dette eksperimentelt. Cavendish fortsatte med at arbejde med elektricitet efter denne første artikel, men han offentliggjorde ikke mere om emnet.

Cavendish skrev artikler om elektriske emner for Royal Society, men hovedparten af hans elektriske eksperimenter blev ikke kendt, før de blev samlet og offentliggjort af James Clerk Maxwell et århundrede senere, i 1879, længe efter at andre forskere var blevet krediteret med de samme resultater. Cavendishs elektriske artikler fra Philosophical Transactions of the Royal Society of London er blevet genoptrykt sammen med de fleste af hans elektriske manuskripter i The Scientific Papers of the Honourable Henry Cavendish, F.R.S. (1921). Ifølge 1911-udgaven af Encyclopædia Britannica var blandt Cavendishs opdagelser begrebet elektrisk potentiale (som han kaldte “elektrificeringsgrad”), en tidlig enhed for kapacitans (den for en kugle med en tomme i diameter), formlen for kapacitansen for en pladekondensator, begrebet om et materiales dielektriske konstant, forholdet mellem elektrisk potentiale og strøm (nu kaldet Ohm’s lov) (1781), love for opdeling af strømmen i parallelle kredsløb (nu tilskrevet Charles Wheatstone) og den omvendte kvadratsætning af den elektriske krafts variation med afstanden, nu kaldet Coulomb’s lov.

DødRediger

Cavendish døde i Clapham den 24. februar 1810 (som en af de rigeste mænd i Storbritannien) og blev begravet sammen med mange af sine forfædre i den kirke, der nu er Derby Cathedral. Den vej, han plejede at bo på i Derby, er blevet opkaldt efter ham. Universitetet i Cambridge’s Cavendish Laboratory blev grundlagt af en af Cavendishs senere slægtninge, William Cavendish, 7. hertug af Devonshire (universitetskansler fra 1861 til 1891).