Henry Cavendish

Première vieEdit

Henry Cavendish est né le 10 octobre 1731 à Nice, où sa famille vivait alors. Sa mère était Lady Anne de Grey, quatrième fille de Henry Grey, 1er duc de Kent, et son père était Lord Charles Cavendish, troisième fils de William Cavendish, 2e duc de Devonshire. La famille a retracé sa lignée sur huit siècles, jusqu’à l’époque normande, et était étroitement liée à de nombreuses familles aristocratiques de Grande-Bretagne. La mère d’Henry meurt en 1733, trois mois après la naissance de son deuxième fils, Frederick, et peu avant le deuxième anniversaire d’Henry, laissant Lord Charles Cavendish élever ses deux fils. Henry Cavendish était surnommé « l’honorable Henry Cavendish ».

Dès l’âge de 11 ans, Henry fréquente la Newcome’s School, une école privée près de Londres. À l’âge de 18 ans (le 24 novembre 1748), il entre à l’université de Cambridge au St Peter’s College, aujourd’hui connu sous le nom de Peterhouse, mais quitte l’établissement trois ans plus tard, le 23 février 1751, sans avoir obtenu de diplôme (une pratique courante à l’époque). Il vit alors avec son père à Londres, où il a bientôt son propre laboratoire.

Lord Charles Cavendish passe sa vie d’abord dans la politique, puis de plus en plus dans la science, notamment au sein de la Royal Society de Londres. En 1758, il emmène Henry aux réunions de la Royal Society et aussi aux dîners du Royal Society Club. En 1760, Henry Cavendish est élu à ces deux groupes, et il est assidu par la suite. Il ne prend pratiquement aucune part à la politique, mais suit son père dans la science, par ses recherches et sa participation à des organisations scientifiques. Il est actif au sein du Conseil de la Royal Society of London (auquel il est élu en 1765).

Son intérêt et son expertise dans l’utilisation des instruments scientifiques l’amènent à diriger un comité chargé d’examiner les instruments météorologiques de la Royal Society et à aider à évaluer les instruments de l’Observatoire royal de Greenwich. Son premier article, Factitious Airs, a été publié en 1766. Parmi les autres comités auxquels il participe, citons le comité des articles, qui choisit les articles à publier dans les Philosophical Transactions of the Royal Society, et les comités pour le transit de Vénus (1769), pour l’attraction gravitationnelle des montagnes (1774), et pour les instructions scientifiques de l’expédition de Constantine Phipps (1773) à la recherche du pôle Nord et du passage du Nord-Ouest. En 1773, Henry rejoint son père en tant qu’administrateur élu du British Museum, auquel il consacre beaucoup de temps et d’efforts. Peu après la création de l’Institution royale de Grande-Bretagne, Cavendish en devient le directeur (1800) et s’y intéresse activement, notamment au laboratoire, où il observe et aide aux expériences chimiques de Humphry Davy.

Recherche en chimieModifier

Appareil de Cavendish pour fabriquer et recueillir l’hydrogène

A peu près au moment de la mort de son père, Cavendish a commencé à travailler en étroite collaboration avec Charles Blagden, une association qui a aidé Blagden à entrer pleinement dans la société scientifique de Londres. En retour, Blagden a contribué à tenir le monde à distance de Cavendish. Cavendish n’a publié aucun livre et peu d’articles, mais il a accompli beaucoup. Plusieurs domaines de recherche, dont la mécanique, l’optique et le magnétisme, figurent en bonne place dans ses manuscrits, mais rarement dans ses travaux publiés. Cavendish est considéré comme l’un des chimistes dits pneumatiques des XVIIIe et XIXe siècles, avec, par exemple, Joseph Priestley, Joseph Black et Daniel Rutherford. Cavendish a découvert qu’un gaz précis, particulier et hautement inflammable, qu’il appelait « air inflammable », était produit par l’action de certains acides sur certains métaux. Ce gaz était de l’hydrogène, dont Cavendish a deviné à juste titre qu’il était proportionné à deux pour un dans l’eau.

Bien que d’autres, comme Robert Boyle, aient préparé de l’hydrogène gazeux plus tôt, on attribue généralement à Cavendish le mérite d’avoir reconnu sa nature élémentaire. En 1777, Cavendish a découvert que l’air expiré par les mammifères se transforme en « air fixe » (dioxyde de carbone), et non en « air phlogistique » comme l’avait prédit Joseph Priestley. En outre, en dissolvant des alcalis dans des acides, Cavendish produit du dioxyde de carbone, qu’il recueille, avec d’autres gaz, dans des bouteilles renversées au-dessus d’eau ou de mercure. Il mesure ensuite leur solubilité dans l’eau et leur gravité spécifique, et note leur combustibilité. Il conclut dans son article de 1778 intitulé « General Considerations on Acids » que l’air respirable constitue l’acidité. Cavendish a reçu la médaille Copley de la Royal Society pour cet article. La chimie des gaz a pris une importance croissante dans la seconde moitié du 18e siècle, et est devenue cruciale pour la réforme de la chimie du Français Antoine-Laurent Lavoisier, généralement connue sous le nom de révolution chimique.

En 1783, Cavendish a publié un article sur l’eudiométrie (la mesure de la qualité des gaz pour la respiration). Il décrit un nouvel eudiomètre de son invention, avec lequel il obtient les meilleurs résultats à ce jour, en utilisant ce qui, dans d’autres mains, était la méthode inexacte de mesurer les gaz en les pesant. Puis, après avoir répété une expérience réalisée par Priestley en 1781, Cavendish publie un article sur la production d’eau pure en brûlant de l’hydrogène dans de « l’air déphlogistiqué » (air en cours de combustion, aujourd’hui connu comme étant de l’oxygène). Cavendish conclut qu’au lieu d’être synthétisée, la combustion de l’hydrogène provoque la condensation de l’eau présente dans l’air. Certains physiciens ont interprété l’hydrogène comme du phlogiston pur. Cavendish a fait part de ses découvertes à Priestley au plus tard en mars 1783, mais ne les a publiées que l’année suivante. L’inventeur écossais James Watt publia un article sur la composition de l’eau en 1783 ; il s’ensuivit une controverse sur l’auteur de la découverte.

En 1785, Cavendish étudia la composition de l’air ordinaire (c’est-à-dire atmosphérique), obtenant des résultats d’une précision impressionnante. Il a mené des expériences dans lesquelles de l’hydrogène et de l’air ordinaire étaient combinés dans des proportions connues, puis explosés par une étincelle d’électricité. Il a également décrit une expérience au cours de laquelle il a pu éliminer, selon la terminologie moderne, les gaz oxygène et azote d’un échantillon d’air atmosphérique jusqu’à ce qu’il ne reste qu’une petite bulle de gaz n’ayant pas réagi dans l’échantillon d’origine. En utilisant ses observations, Cavendish a observé que, lorsqu’il avait déterminé les quantités d’air phlogistiqué (azote) et d’air déphlogistiqué (oxygène), il restait un volume de gaz s’élevant à 1/120 du volume original d’azote.Par des mesures minutieuses, il a été amené à conclure que  » l’air commun consiste en une partie d’air déphlogistiqué , mélangé à quatre de phlogistiqué « .

Dans les années 1890 (environ 100 ans plus tard), deux physiciens britanniques, William Ramsay et Lord Rayleigh, ont réalisé que leur gaz inerte nouvellement découvert, l’argon, était responsable du résidu problématique de Cavendish ; il n’avait pas fait d’erreur. Ce qu’il avait fait, c’était réaliser des expériences quantitatives rigoureuses, en utilisant des instruments et des méthodes standardisés, dans le but d’obtenir des résultats reproductibles ; il avait pris la moyenne des résultats de plusieurs expériences ; et il avait identifié et pris en compte les sources d’erreur. La balance qu’il utilisait, fabriquée par un artisan du nom de Harrison, était la première des balances de précision du XVIIIe siècle, et aussi précise que celle de Lavoisier (dont la mesure a été estimée à une partie sur 400 000). Cavendish travaillait avec ses fabricants d’instruments, améliorant généralement les instruments existants plutôt que d’en inventer de tout nouveaux.

Cavendish, comme indiqué ci-dessus, utilisait le langage de l’ancienne théorie du phlogiston en chimie. En 1787, il fut l’un des premiers, hors de France, à se convertir à la nouvelle théorie antiphlogistique de Lavoisier, bien qu’il restât sceptique quant à la nomenclature de la nouvelle théorie. Il s’oppose également à l’identification de la chaleur par Lavoisier comme ayant une base matérielle ou élémentaire. Travaillant dans le cadre du mécanisme newtonien, Cavendish avait abordé le problème de la nature de la chaleur dans les années 1760, expliquant la chaleur comme le résultat du mouvement de la matière.

En 1783, il a publié un article sur la température à laquelle le mercure gèle et dans cet article, il a utilisé l’idée de chaleur latente, bien qu’il n’ait pas utilisé le terme parce qu’il pensait que cela impliquait l’acceptation d’une théorie matérielle de la chaleur. Il a rendu ses objections explicites dans son article de 1784 sur l’air. Il a ensuite développé une théorie générale de la chaleur, dont le manuscrit a été daté de manière convaincante à la fin des années 1780. Sa théorie était à la fois mathématique et mécanique : elle contenait le principe de la conservation de la chaleur (compris plus tard comme une instance de conservation de l’énergie) et incluait même le concept (mais pas l’étiquette) de l’équivalent mécanique de la chaleur.

Densité de la TerreModifier

Après la mort de son père, Henry a acheté une autre maison en ville et aussi une maison à Clapham Common (construite par Thomas Cubitt), à l’époque au sud de Londres. La maison de Londres contenait l’essentiel de sa bibliothèque, tandis qu’il conservait la plupart de ses instruments à Clapham Common, où il réalisait la plupart de ses expériences. La plus célèbre de ces expériences, publiée en 1798, visait à déterminer la densité de la Terre et fut connue sous le nom d’expérience de Cavendish. L’appareil utilisé par Cavendish pour peser la Terre était une modification de la balance à torsion construite par l’Anglais et géologue John Michell, qui mourut avant de pouvoir commencer l’expérience. L’appareil a été envoyé dans des caisses à Cavendish, qui a terminé l’expérience en 1797-1798 et a publié les résultats.

Le dispositif expérimental consistait en une balance de torsion avec une paire de sphères de plomb de 2 pouces de 1,61 livre suspendues au bras d’une balance de torsion et deux boules de plomb stationnaires beaucoup plus grandes (350 livres). Cavendish avait l’intention de mesurer la force d’attraction gravitationnelle entre les deux. Il a remarqué que l’appareil de Michell serait sensible aux différences de température et aux courants d’air induits, il a donc apporté des modifications en isolant l’appareil dans une pièce séparée avec des contrôles externes et des télescopes pour faire des observations.

En utilisant cet équipement, Cavendish a calculé l’attraction entre les boules à partir de la période d’oscillation de la balance de torsion, puis il a utilisé cette valeur pour calculer la densité de la Terre. Cavendish a découvert que la densité moyenne de la Terre était 5,48 fois supérieure à celle de l’eau. John Henry Poynting a noté plus tard que les données auraient dû conduire à une valeur de 5,448, et c’est effectivement la valeur moyenne des vingt-neuf déterminations que Cavendish a incluses dans son article. Ce qui était extraordinaire dans l’expérience de Cavendish, c’était l’élimination de toute source d’erreur et de tout facteur susceptible de perturber l’expérience, ainsi que la précision de la mesure d’une attraction étonnamment faible, à peine 1/50 000 000 du poids des billes de plomb. Le résultat que Cavendish a obtenu pour la densité de la Terre est à moins de 1 % du chiffre actuellement accepté.

Le travail de Cavendish a conduit d’autres personnes à des valeurs précises pour la constante gravitationnelle (G) et la masse de la Terre. Sur la base de ses résultats, on peut calculer une valeur pour G de 6,754 × 10-11N-m2/kg2, qui se compare favorablement à la valeur moderne de 6,67428 × 10-11N-m2/kg2.

Les livres décrivent souvent le travail de Cavendish comme une mesure de G ou de la masse de la Terre. Puisque ceux-ci sont liés à la densité de la Terre par un réseau trivial de relations algébriques, aucune de ces sources n’est fausse, mais elles ne correspondent pas au choix exact des mots de Cavendish, et cette erreur a été soulignée par plusieurs auteurs. L’objectif déclaré de Cavendish était de mesurer la densité de la Terre, bien que son résultat calcule évidemment G pour le faire.

La première fois que la constante a reçu ce nom, c’était en 1873, presque 100 ans après l’expérience de Cavendish, mais la constante était utilisée depuis l’époque de Newton. Les résultats de Cavendish donnent également la masse de la Terre.

Recherche électriqueModifié

Les expériences électriques et chimiques de Cavendish, comme celles sur la chaleur, avaient commencé alors qu’il vivait avec son père dans un laboratoire de leur maison londonienne. Lord Charles Cavendish est mort en 1783, laissant la quasi-totalité de son très important patrimoine à Henry. Comme sa théorie de la chaleur, la théorie complète de l’électricité de Cavendish était de forme mathématique et reposait sur des expériences quantitatives précises. Il a publié une première version de sa théorie en 1771, basée sur un fluide électrique expansif qui exerçait une pression. Il a démontré que si l’intensité de la force électrique était inversement proportionnelle à la distance, alors un fluide électrique plus important que celui nécessaire à la neutralité électrique se trouverait sur la surface extérieure d’une sphère électrifiée ; il a ensuite confirmé ce fait expérimentalement. Cavendish a continué à travailler sur l’électricité après ce premier article, mais il n’a plus publié sur le sujet.

Cavendish a écrit des articles sur des sujets électriques pour la Royal Society, mais la majeure partie de ses expériences électriques n’a pas été connue avant d’être collectée et publiée par James Clerk Maxwell un siècle plus tard, en 1879, longtemps après que d’autres scientifiques aient été crédités des mêmes résultats. Les articles sur l’électricité de Cavendish tirés des Philosophical Transactions of the Royal Society of London ont été réimprimés, ainsi que la plupart de ses manuscrits sur l’électricité, dans The Scientific Papers of the Honourable Henry Cavendish, F.R.S. (1921). Selon l’édition 1911 de l’Encyclopædia Britannica, parmi les découvertes de Cavendish figurent le concept de potentiel électrique (qu’il appelait le « degré d’électrification »), une première unité de capacité (celle d’une sphère d’un pouce de diamètre), la formule de la capacité d’un condensateur à plaques, le concept de la constante diélectrique d’un matériau, la relation entre le potentiel électrique et le courant (maintenant appelée loi d’Ohm) (1781), les lois pour la division du courant dans les circuits parallèles (maintenant attribuées à Charles Wheatstone), et la loi du carré inverse de la variation de la force électrique avec la distance, maintenant appelée loi de Coulomb.

MortModification

Cavendish est mort à Clapham le 24 février 1810 (alors qu’il était l’un des hommes les plus riches de Grande-Bretagne) et a été enterré, avec beaucoup de ses ancêtres, dans l’église qui est maintenant la cathédrale de Derby. La rue où il vivait à Derby a été baptisée de son nom. Le laboratoire Cavendish de l’université de Cambridge a été doté par l’un des parents ultérieurs de Cavendish, William Cavendish, 7e duc de Devonshire (chancelier de l’université de 1861 à 1891).