Henry Cavendish

Varhainen elämäEdit

Henry Cavendish syntyi 10. lokakuuta 1731 Nizzassa, jossa hänen perheensä tuolloin asui. Hänen äitinsä oli Lady Anne de Grey, Kentin ensimmäisen herttuan Henry Greyn neljäs tytär, ja hänen isänsä oli lordi Charles Cavendish, Devonshiren toisen herttuan William Cavendishin kolmas poika. Suku juonsi sukujuurensa kahdeksan vuosisadan ajan normannien aikaan asti, ja sillä oli läheiset yhteydet moniin Ison-Britannian aristokraattisiin sukuihin. Henryn äiti kuoli vuonna 1733, kolme kuukautta toisen poikansa Frederickin syntymän jälkeen ja hieman ennen Henryn toista syntymäpäivää, ja jätti lordi Charles Cavendishin kasvattamaan kaksi poikaansa. Henry Cavendishia kutsuttiin nimellä ”The Honourable Henry Cavendish”.

11-vuotiaasta lähtien Henry kävi Newcome’s Schoolia, yksityiskoulua Lontoon lähellä. Hän kirjoittautui 18-vuotiaana (24. marraskuuta 1748) Cambridgen yliopistoon St Peter’s Collegeen, joka nykyisin tunnetaan nimellä Peterhouse, mutta lähti sieltä kolme vuotta myöhemmin 23. helmikuuta 1751 suorittamatta tutkintoa (tuolloin yleinen käytäntö). Sen jälkeen hän asui isänsä kanssa Lontoossa, jossa hänellä oli pian oma laboratorio.

Lordi Charles Cavendish vietti elämänsä ensin politiikan ja sitten yhä enemmän tieteen parissa, erityisesti Lontoon kuninkaallisessa seurassa. Vuonna 1758 hän vei Henryn Royal Societyn kokouksiin ja myös Royal Society Clubin illallisille. Vuonna 1760 Henry Cavendish valittiin molempiin ryhmiin, ja sen jälkeen hän osallistui niihin ahkerasti. Hän ei juuri osallistunut politiikkaan, mutta seurasi isäänsä tieteeseen tutkimustensa ja tieteellisiin järjestöihin osallistumisensa kautta. Hän toimi aktiivisesti Lontoon kuninkaallisen seuran (Royal Society of London) neuvostossa (johon hänet valittiin vuonna 1765).

Hänen kiinnostuksensa ja asiantuntemuksensa tieteellisten instrumenttien käyttöön johti hänet johtamaan komiteaa, jonka tehtävänä oli tarkistaa kuninkaallisen seuran meteorologiset instrumentit, ja auttamaan Greenwichin kuninkaallisen observatorion instrumenttien arvioinnissa. Hänen ensimmäinen artikkelinsa Factitious Airs ilmestyi vuonna 1766. Muihin komiteoihin, joissa hän toimi, kuuluivat muun muassa paperikomitea, joka valitsi Royal Societyn filosofisiin aikakauskirjoihin (Philosophical Transactions of the Royal Society) julkaistavat artikkelit, sekä komiteat, jotka käsittelivät Venuksen kauttakulkua (1769), vuorten gravitaatiovetovoimaa (1774) ja tieteellisiä ohjeita Constantine Phippsin retkikunnalle (1773), joka etsi pohjoisnapaa ja luoteisväylää. Vuonna 1773 Henry liittyi isänsä rinnalle British Museumin luottamusmieheksi, jolle hän omisti paljon aikaa ja vaivaa. Pian Ison-Britannian kuninkaallisen instituutin perustamisen jälkeen Cavendishistä tuli sen johtaja (1800) ja hän osallistui aktiivisesti erityisesti laboratorioon, jossa hän tarkkaili ja auttoi Humphry Davyn kemiallisia kokeita.

Kemian tutkimusEdit

Cavendishin laitteisto vedyn valmistamiseksi ja keräämiseksi

Lähes isänsä kuollessa, Cavendish alkoi työskennellä tiiviisti Charles Blagdenin kanssa, ja tämä yhteistyö auttoi Blagdenia pääsemään täysipainoisesti mukaan Lontoon tiedeyhteisöön. Vastineeksi Blagden auttoi pitämään maailmaa etäällä Cavendishista. Cavendish ei julkaissut kirjoja eikä juurikaan artikkeleita, mutta hän saavutti paljon. Useat tutkimusalat, kuten mekaniikka, optiikka ja magnetismi, esiintyvät laajalti hänen käsikirjoituksissaan, mutta ne tuskin esiintyvät hänen julkaistuissa teoksissaan. Cavendishia pidetään yhtenä 1700- ja 1800-luvun niin sanotuista pneumaattisista kemisteistä esimerkiksi Joseph Priestleyn, Joseph Blackin ja Daniel Rutherfordin ohella. Cavendish havaitsi, että tiettyjen happojen vaikutuksesta tiettyihin metalleihin syntyi tiettyä, erikoista ja erittäin helposti syttyvää kaasua, jota hän kutsui nimellä ”syttyvä ilma”. Tämä kaasu oli vetyä, jonka Cavendish oikein arveli olevan suhteessa kaksi yhteen vedessä.

Vaikka muut, kuten Robert Boyle, olivat valmistaneet vetykaasua jo aiemmin, Cavendishille annetaan tavallisesti kunnia siitä, että hän tunnisti sen alkeisluonteen. Vuonna 1777 Cavendish havaitsi, että nisäkkäiden uloshengitysilma muuttuu ”kiinteäksi ilmaksi” (hiilidioksidiksi), ei ”flogistiseksi ilmaksi”, kuten Joseph Priestley ennusti. Liuottamalla emäksiä happoihin Cavendish tuotti hiilidioksidia, jota hän keräsi muiden kaasujen ohella veden tai elohopean päälle käännettyihin pulloihin. Sitten hän mittasi kaasujen liukoisuuden veteen ja niiden ominaispainon sekä totesi niiden palavuuden. Hän päätteli vuonna 1778 julkaisemassaan artikkelissa ”General Considerations on Acids”, että hengitettävä ilma muodostaa hapon. Cavendish sai tästä artikkelista Royal Societyn Copley-mitalin. Kaasukemian merkitys kasvoi 1700-luvun jälkipuoliskolla, ja siitä tuli ratkaisevan tärkeä ranskalaisen Antoine-Laurent Lavoisierin kemian uudistuksessa, joka tunnetaan yleisesti kemiallisena vallankumouksena.

Vuonna 1783 Cavendish julkaisi artikkelin eudiometriasta (kaasujen hengityskelpoisuuden mittaaminen). Hän kuvasi uuden keksimänsä eudiometrin, jolla hän saavutti tähän mennessä parhaat tulokset, kun hän käytti muissa käsissä käytössä ollutta epätarkkaa menetelmää, jossa kaasut mitattiin punnitsemalla. Sitten Cavendish julkaisi Priestleyn vuonna 1781 tekemän kokeen toistamisen jälkeen artikkelin puhtaan veden tuottamisesta polttamalla vetyä ”deflogistisessa ilmassa” (palamisprosessissa oleva ilma, jonka nykyään tiedetään olevan happea).Cavendish päätteli, että vedyn polttaminen ei syntetisoitunut, vaan aiheutti vedyn palamisen seurauksena veden tiivistymistä ilmasta. Jotkut fyysikot tulkitsivat vedyn puhtaaksi flogistoniksi. Cavendish ilmoitti havainnoistaan Priestleylle viimeistään maaliskuussa 1783, mutta julkaisi ne vasta seuraavana vuonna. Skotlantilainen keksijä James Watt julkaisi vuonna 1783 artikkelin veden koostumuksesta; siitä, kuka teki löydön ensin, syntyi kiista.

Vuonna 1785 Cavendish tutki tavallisen (eli ilmakehän) ilman koostumusta ja sai vaikuttavan tarkkoja tuloksia. Hän teki kokeita, joissa vetyä ja tavallista ilmaa yhdistettiin tunnetuissa suhteissa ja sitten räjäytettiin sähkökipinällä. Lisäksi hän kuvasi kokeen, jossa hän pystyi poistamaan nykyterminologian mukaisesti sekä happi- että typpikaasuja ilmakehän ilmanäytteestä, kunnes alkuperäiseen näytteeseen jäi vain pieni kupla reagoimatonta kaasua. Havaintojensa avulla Cavendish havaitsi, että kun hän oli määrittänyt flogistisen ilman (typpi) ja deflogistisen ilman (happi) määrät, jäljelle jäi kaasun määrä, joka oli 1/120 alkuperäisestä typpitilavuudesta.Huolellisten mittausten perusteella hän päätteli, että ”tavallinen ilma koostuu yhdestä osasta deflogistista ilmaa , joka on sekoitettu neljään osaan flogistista ilmaa”.

1890-luvulla (noin 100 vuotta myöhemmin) kaksi brittiläistä fyysikkoa, William Ramsay ja lordi Rayleigh, tajusivat, että heidän vastikään löytämänsä inertti kaasu, argon, oli vastuussa Cavendishin ongelmallisesta jäännöksestä; hän ei ollut tehnyt virhettä. Hän oli tehnyt tiukkoja kvantitatiivisia kokeita käyttäen standardoituja välineitä ja menetelmiä, joilla pyrittiin toistettaviin tuloksiin, ottanut useiden kokeiden tulosten keskiarvon sekä tunnistanut ja ottanut huomioon virhelähteet. Harrison-nimisen käsityöläisen valmistama vaaka, jota hän käytti, oli ensimmäinen 1700-luvun tarkkuusvaaka, ja se oli yhtä tarkka kuin Lavoisierin vaaka (jonka on arvioitu mittaavan yhden osan 400 000:sta). Cavendish teki yhteistyötä mittalaitevalmistajiensa kanssa parantaen yleensä olemassa olevia mittalaitteita sen sijaan, että olisi keksinyt kokonaan uusia.

Cavendish, kuten edellä todettiin, käytti kemiassa vanhan flogistoniteorian kieltä. Vuonna 1787 hänestä tuli yksi varhaisimmista Ranskan ulkopuolella, joka kääntyi Lavoisierin uuden antiflogistisen teorian kannalle, vaikka hän suhtautui edelleen epäilevästi uuden teorian nimikkeistöön. Hän vastusti myös sitä, että Lavoisier piti lämpöä aineellisena tai alkuaineena. Työskennellessään newtonilaisen mekanismin puitteissa Cavendish oli käsitellyt lämmön luonnetta koskevaa ongelmaa 1760-luvulla selittäen lämmön aineen liikkeen tuloksena.

Vuonna 1783 hän julkaisi artikkelin elohopean jäätymislämpötilasta, ja siinä hän käytti ajatusta piilevästä lämmöstä, vaikkei hän käyttänytkään termiä, koska hänen mielestään se merkitsi aineellisen lämpöteorian hyväksymistä. Hän teki vastalauseensa selväksi vuonna 1784 ilmestyneessä ilmaa käsittelevässä artikkelissaan. Myöhemmin hän kehitti yleisen lämpöteorian, ja tämän teorian käsikirjoitus on vakuuttavasti ajoitettu 1780-luvun lopulle. Hänen teoriansa oli yhtä aikaa matemaattinen ja mekaaninen: se sisälsi lämmön säilymisen periaatteen (joka myöhemmin ymmärrettiin energian säilymisen esimerkkinä) ja sisälsi jopa käsitteen (vaikkakaan ei nimitystä) lämmön mekaaninen ekvivalentti.

Maan tiheysMuutos

Isänsä kuoleman jälkeen Henry osti toisen talon kaupungista ja myös talon Clapham Commonista (jonka oli rakentanut Thomas Cubitt), tuolloin Lontoon eteläpuolella. Lontoon talossa oli suurin osa hänen kirjastostaan, kun taas hän säilytti suurinta osaa välineistään Clapham Commonissa, jossa hän suoritti suurimman osan kokeistaan. Kuuluisin näistä kokeista, joka julkaistiin vuonna 1798, oli maapallon tiheyden määrittäminen, ja se tuli tunnetuksi Cavendishin kokeena. Laite, jota Cavendish käytti maapallon punnitsemiseen, oli muunnos englantilaisen ja geologin John Michellin rakentamasta vääntövaakasta; Michell kuoli ennen kuin hän ehti aloittaa kokeen. Laite lähetettiin laatikoissa Cavendishille, joka sai kokeen valmiiksi vuosina 1797-1798 ja julkaisi tulokset.

Koelaitteisto koostui vääntövaakasta, jonka varteen oli ripustettu pari 2 tuuman 1,61-kiloista lyijypalloa ja kaksi paljon suurempaa paikallaan olevaa lyijypalloa (350 kiloa). Cavendishin tarkoituksena oli mitata näiden kahden pallon välistä vetovoimaa. Hän huomasi, että Michellin laite olisi herkkä lämpötilaeroille ja indusoituneille ilmavirtauksille, joten hän teki muutoksia eristämällä laitteen erilliseen huoneeseen, jossa oli ulkoiset ohjaimet ja kaukoputket havaintojen tekemistä varten.

Tämän laitteiston avulla Cavendish laski pallojen välisen vetovoiman vääntövaa’an värähtelyjakson perusteella ja käytti sitten tätä arvoa laskeakseen maapallon tiheyden. Cavendish havaitsi, että maapallon keskimääräinen tiheys on 5,48 kertaa suurempi kuin veden tiheys. John Henry Poynting totesi myöhemmin, että tietojen olisi pitänyt johtaa arvoon 5,448, ja se onkin Cavendishin artikkeliinsa sisällyttämien kahdenkymmenenneksikymmenenneksikymmenen yhdeksän määrityksen keskiarvo. Cavendishin kokeessa oli poikkeuksellista se, että siinä poistettiin kaikki virhelähteet ja kaikki tekijät, jotka saattoivat häiritä koetta, sekä se, että siinä mitattiin tarkasti hämmästyttävän pieni vetovoima, vain 1/50 000 000 lyijypallojen painosta. Tulos, jonka Cavendish sai Maan tiheydelle, on yhden prosentin tarkkuudella nykyisin hyväksytystä luvusta.

Cavendishin työ johti muita saamaan tarkkoja arvoja gravitaatiovakiolle (G) ja Maan massalle. Hänen tulostensa perusteella voidaan laskea G:n arvoksi 6,754 × 10-11N-m2/kg2, mikä vastaa hyvin nykyistä arvoa 6,67428 × 10-11N-m2/kg2.

Kirjoissa Cavendishin työtä kuvataan usein joko G:n tai Maan massan mittauksena. Koska nämä liittyvät Maan tiheyteen triviaalilla algebrallisten suhteiden verkostolla, mikään näistä lähteistä ei ole väärä, mutta ne eivät vastaa Cavendishin tarkkaa sanavalintaa, ja useat kirjoittajat ovat huomauttaneet tästä virheestä. Cavendishin ilmoittama tavoite oli mitata Maan tiheys, vaikka hänen tuloksensa ilmeisesti laskee G:n sitä varten.

Ensimmäisen kerran vakio sai tämän nimen vuonna 1873, lähes sata vuotta Cavendishin kokeen jälkeen, mutta vakio oli käytössä jo Newtonin ajoista lähtien. Cavendishin tuloksista saadaan myös Maan massa.

SähkötutkimusEdit

Cavendishin sähköiset ja kemialliset kokeet, kuten lämpöä koskevat kokeet, olivat alkaneet hänen asuessaan isänsä kanssa heidän lontoolaisessa talossaan sijaitsevassa laboratoriossa. Lordi Charles Cavendish kuoli vuonna 1783 ja jätti lähes koko erittäin huomattavan omaisuutensa Henrylle. Kuten hänen lämpöteoriansa, myös Cavendishin kattava sähköteoria oli muodoltaan matemaattinen ja perustui tarkkoihin kvantitatiivisiin kokeisiin. Hän julkaisi vuonna 1771 teoriansa varhaisen version, joka perustui painetta aiheuttavaan sähköiseen nesteeseen. Hän osoitti, että jos sähköisen voiman voimakkuus olisi kääntäen verrannollinen etäisyyteen, sähköisen pallon ulkopinnalla olisi enemmän sähköistä nestettä kuin sähköiseen neutraaliuteen tarvitaan; sitten hän vahvisti tämän kokeellisesti. Cavendish jatkoi sähkön parissa työskentelyä tämän ensimmäisen artikkelin jälkeen, mutta hän ei julkaissut aiheesta enempää.

Cavendish kirjoitti artikkeleita sähköisistä aiheista Royal Societylle, mutta pääosa hänen sähkökokeistaan tuli tunnetuksi vasta, kun James Clerk Maxwell keräsi ja julkaisi ne sata vuotta myöhemmin, vuonna 1879, kauan sen jälkeen, kun muut tutkijat olivat jo saaneet samat tulokset. Cavendishin Lontoon kuninkaallisen seuran Philosophical Transactions of the Royal Society of London -lehdessä julkaistut sähköalan artikkelit on painettu uudelleen yhdessä useimpien hänen sähköalan käsikirjoitustensa kanssa teoksessa The Scientific Papers of the Honourable Henry Cavendish, F.R.S. (1921). Encyclopædia Britannican vuoden 1911 painoksen mukaan Cavendishin löytöjä olivat muun muassa sähköpotentiaalin käsite (jota hän kutsui ”sähköistymisasteeksi”), kapasitanssin varhainen yksikkö (halkaisijaltaan tuuman kokoisen pallon yksikkö) ja levykondensaattorin kapasitanssin kaava, materiaalin dielektrisyysvakion käsite, sähköpotentiaalin ja virran välinen suhde (nykyisin Ohmin laki) (1781), lait virran jakamiseksi rinnakkaisvirtapiireissä (nykyisin Charles Wheatstonen ansioksi katsottu) ja käänteisneliöinen laki sähköisen voiman vaihtelusta etäisyyden mukaan, nykyisin Coulombin laki.

KuolemaEdit

Cavendish kuoli Claphamissa 24. helmikuuta 1810 (yhtenä Britannian rikkaimmista miehistä) ja hänet haudattiin monien esi-isiensä kanssa kirkkoon, joka on nykyinen Derbyn katedraali. Tie, jolla hän asui Derbyssä, on nimetty hänen mukaansa. Cambridgen yliopiston Cavendishin laboratorion lahjoitti yksi Cavendishin myöhemmistä sukulaisista, William Cavendish, Devonshiren seitsemäs herttua (yliopiston kansleri vuosina 1861-1891).