Henry Cavendish

Korai életútSzerkesztés

Henry Cavendish 1731. október 10-én született Nizzában, ahol akkoriban a családja élt. Édesanyja Lady Anne de Grey volt, Henry Grey, Kent első hercegének negyedik lánya, édesapja pedig Lord Charles Cavendish, William Cavendish, Devonshire második hercegének harmadik fia. A család nyolc évszázadon át, egészen a normann időkig visszavezethető volt, és szoros kapcsolatban állt Nagy-Britannia számos arisztokrata családjával. Henry édesanyja 1733-ban halt meg, három hónappal második fia, Frederick születése után, és nem sokkal Henry második születésnapja előtt, így Lord Charles Cavendishre maradt a két fiú nevelése. Henry Cavendish-t “The Honourable Henry Cavendish”-ként emlegették.

Henry 11 éves korától a Newcome’s Schoolba, egy London melletti magániskolába járt. Tizennyolc évesen (1748. november 24-én) belépett a Cambridge-i Egyetemre a St Peter’s College-ba, a mai Peterhouse-ba, de három évvel később, 1751. február 23-án diploma nélkül távozott (ez akkoriban általános gyakorlat volt). Ezután apjánál élt Londonban, ahol hamarosan saját laboratóriummal rendelkezett.

Lord Charles Cavendish előbb a politikában, majd egyre inkább a tudományban, különösen a Londoni Királyi Társaságban töltötte életét. 1758-ban elvitte Henryt a Royal Society üléseire és a Royal Society Club vacsoráira is. 1760-ban Henry Cavendish-t mindkét csoportba beválasztották, és ezt követően is szorgalmasan látogatta a rendezvényeket. A politikában gyakorlatilag nem vett részt, de követte apját a tudományba, kutatásai és a tudományos szervezetekben való részvétele révén. Aktívan tevékenykedett a Londoni Királyi Társaság Tanácsában (amelybe 1765-ben választották be).

A tudományos műszerek használata iránti érdeklődése és szakértelmének köszönhetően ő vezette a Királyi Társaság meteorológiai műszereit felülvizsgáló bizottságot, és segített a Greenwichi Királyi Obszervatórium műszereinek értékelésében. Első tanulmánya, a Factitious Airs (Tényszerű levegő) 1766-ban jelent meg. További bizottságok, amelyekben részt vett, a következők voltak: a lapok bizottsága, amely a Royal Society Philosophical Transactions of the Royal Society című folyóiratban megjelenő tanulmányokat választotta ki, valamint a Vénusz átvonulásával (1769), a hegyek gravitációs vonzásával (1774) és a Constantine Phipps északi sarkot és az északnyugati átjárót kereső expedíciójának (1773) tudományos utasításaival foglalkozó bizottságok. 1773-ban Henry csatlakozott apjához, mint a British Museum választott kurátora, amelynek rengeteg időt és energiát szentelt. Nem sokkal a Nagy-Britanniai Királyi Intézet megalapítása után Cavendish igazgató lett (1800), és aktívan részt vett, különösen a laboratóriumban, ahol megfigyelte és segítette Humphry Davy kémiai kísérleteit.

Kémiai kutatásokSzerkesztés

Cavendish’s apparatus for making and collecting hydrogen

Apa halála körül, Cavendish szorosan együtt kezdett dolgozni Charles Blagdennel, és ez a kapcsolat segítette Blagden teljes körű beilleszkedését a londoni tudományos társadalomba. Cserébe Blagden segített távol tartani a világot Cavendish-től. Cavendish nem publikált könyveket és kevés tanulmányt, de sokat elért. Számos kutatási terület, köztük a mechanika, az optika és a mágnesesség, kiterjedten szerepel kézirataiban, de publikált munkáiban alig szerepelnek. Cavendish-t a tizennyolcadik és tizenkilencedik század úgynevezett pneumatikus kémikusainak egyikeként tartják számon, például Joseph Priestley, Joseph Black és Daniel Rutherford mellett. Cavendish megállapította, hogy bizonyos savaknak bizonyos fémekre való hatására egy meghatározott, sajátos és erősen gyúlékony gáz keletkezik, amelyet ő “gyúlékony levegőnek” nevezett. Ez a gáz hidrogén volt, amelyről Cavendish helyesen sejtette, hogy a vízben kettő az egyhez arányban van jelen.

Bár mások, például Robert Boyle már korábban is előállítottak hidrogéngázt, általában Cavendishnek tulajdonítják az elemi jellegének felismerését. 1777-ben Cavendish felfedezte, hogy az emlősök által kilélegzett levegő “kötött levegővé” (szén-dioxiddá) alakul át, nem pedig “foszforos levegővé”, ahogy azt Joseph Priestley megjósolta. Cavendish lúgok savakban való feloldásával szintén szén-dioxidot állított elő, amelyet más gázokkal együtt víz vagy higany fölé fordított palackokba gyűjtött. Ezután megmérte vízben való oldhatóságukat és fajsúlyukat, valamint feljegyezte éghetőségüket. Az 1778-as “Általános megfontolások a savakról” című munkájában arra a következtetésre jutott, hogy a belélegezhető levegő alkotja a savasságot. Cavendish ezért a tanulmányáért megkapta a Királyi Társaság Copley-érmét. A gázkémia a 18. század második felében egyre nagyobb jelentőségre tett szert, és döntő jelentőségűvé vált a francia Antoine-Laurent Lavoisier kémiai reformjában, amelyet általában kémiai forradalomként ismerünk.

1783-ban Cavendish publikált egy tanulmányt az eudiometriáról (a gázok légzésre való alkalmasságának mérése). Leírta az általa feltalált új eudiométert, amellyel az eddigi legjobb eredményeket érte el, felhasználva a más kezekben a gázok mérésének pontatlan módszerét, a mérlegelést. Ezután egy Priestley által 1781-ben elvégzett kísérlet megismétlése után Cavendish publikált egy tanulmányt a tiszta víz előállításáról hidrogén “dephlogisztikus levegőben” (égési folyamatban lévő levegő, ma már oxigénként ismert) történő elégetésével: Cavendish arra a következtetésre jutott, hogy a hidrogén elégetése nem szintetizálódik, hanem a levegőből víz kondenzálódik ki. Egyes fizikusok a hidrogént tiszta flogisztonként értelmezték. Cavendish legkésőbb 1783 márciusában jelentette eredményeit Priestley-nek, de csak a következő évben publikálta azokat. A skót feltaláló, James Watt 1783-ban publikált egy tanulmányt a víz összetételéről; vita alakult ki arról, hogy ki tette meg először a felfedezést.

1785-ben Cavendish a közönséges (azaz a légköri) levegő összetételét vizsgálta, és lenyűgözően pontos eredményeket kapott. Olyan kísérleteket végzett, amelyekben a hidrogént és a közönséges levegőt ismert arányban egyesítette, majd elektromos szikrával felrobbantotta. Továbbá leírt egy olyan kísérletet is, amelyben – mai szóhasználattal élve – mind az oxigént, mind a nitrogéngázt el tudta távolítani egy légköri levegőből vett mintából, amíg az eredeti mintában csak egy kis buboréknyi reakcióképtelen gáz maradt. Megfigyeléseit felhasználva Cavendish megfigyelte, hogy miután meghatározta a foszfoldozott levegő (nitrogén) és a foszfoldozott levegő (oxigén) mennyiségét, az eredeti nitrogéntérfogat 1/120-ának megfelelő mennyiségű gáz maradt. gondos mérésekkel arra a következtetésre jutott, hogy “a közönséges levegő egy rész foszfoldozott levegőből áll , négy rész foszfoldozottal keverve “.

Az 1890-es években (mintegy 100 évvel később) két brit fizikus, William Ramsay és Lord Rayleigh rájött, hogy az általuk újonnan felfedezett inert gáz, az argon felelős Cavendish problémás maradékáért; nem tévedett. Amit ő tett, az az volt, hogy szigorú kvantitatív kísérleteket végzett, szabványosított műszerekkel és módszerekkel, amelyek célja a reprodukálható eredmények elérése volt; több kísérlet eredményének átlagát vette; és azonosította és figyelembe vette a hibaforrásokat. Az általa használt mérleg, amelyet egy Harrison nevű mesterember készített, a 18. század első precíziós mérlege volt, és olyan pontos, mint Lavoisier mérlege (amely a becslések szerint 400 000-ből egy részecskét mért). Cavendish a műszerészekkel dolgozott együtt, általában a meglévő műszereket javította, ahelyett, hogy teljesen újakat talált volna fel.

Cavendish, mint fentebb jeleztük, a régi flogisztonelmélet nyelvezetét használta a kémiában. 1787-ben Franciaországon kívül a legkorábbiak között volt, aki áttért Lavoisier új antiflogisztikus elméletére, bár az új elmélet nómenklatúráját illetően szkeptikus maradt. Az ellen is tiltakozott, hogy Lavoisier a hőnek anyagi vagy elemi alapot tulajdonított. A newtoni mechanizmus keretein belül dolgozva Cavendish már az 1760-as években foglalkozott a hő természetének problémájával, és a hőt az anyag mozgásának eredményeként magyarázta.

1783-ban publikált egy tanulmányt a higany fagyási hőmérsékletéről, és ebben a tanulmányban használta a látens hő gondolatát, bár nem használta a kifejezést, mert úgy vélte, hogy az a hő anyagi elméletének elfogadását feltételezi. Ellenvetéseit a levegőről szóló 1784-es tanulmányában tette egyértelművé. A továbbiakban a hő általános elméletét dolgozta ki, és ennek az elméletnek a kéziratát meggyőzően az 1780-as évek végére datálták. Elmélete egyszerre volt matematikai és mechanikai: tartalmazta a hő megmaradásának elvét (később az energia megmaradásaként értelmezve), és még a hő mechanikai egyenértékének fogalmát (bár nem a címkét) is tartalmazta.

A Föld sűrűségeSzerkesztés

Apa halála után Henry vett egy másik házat a városban, valamint egy házat Clapham Commonban (amelyet Thomas Cubitt épített), akkoriban Londontól délre. A londoni házban volt könyvtárának nagy része, míg műszereinek nagy részét Clapham Commonban tartotta, ahol a legtöbb kísérletét is végezte. Ezek közül a leghíresebb, 1798-ban közzétett kísérlet a Föld sűrűségének meghatározására irányult, és Cavendish-kísérlet néven vált ismertté. A készülék, amelyet Cavendish a Föld méréséhez használt, az angol John Michell geológus és geológus által épített torziós mérleg módosítása volt, aki azonban meghalt, mielőtt a kísérletet elkezdhette volna. A készüléket ládákban elküldték Cavendishnek, aki 1797-1798-ban befejezte a kísérletet, és publikálta az eredményeket.

A kísérleti készülék egy torziós mérlegből állt, amelynek karjára egy pár 2 hüvelykes, 1,61 font súlyú ólomgömböt függesztettek és két sokkal nagyobb, álló ólomgolyót (350 font). Cavendish a kettő közötti gravitációs vonzóerőt kívánta mérni. Észrevette, hogy Michell készüléke érzékeny lesz a hőmérsékletkülönbségekre és az indukált légáramlatokra, ezért módosításokat eszközölt: a készüléket egy külön helyiségben, külső vezérléssel és távcsövekkel elkülönítette a megfigyelések elvégzéséhez.

A berendezés felhasználásával Cavendish a torziós mérleg rezgésidejéből kiszámította a golyók közötti vonzóerőt, majd ezt az értéket felhasználta a Föld sűrűségének kiszámításához. Cavendish megállapította, hogy a Föld átlagos sűrűsége 5,48-szor nagyobb, mint a vízé. John Henry Poynting később megjegyezte, hogy az adatoknak 5,448-as értéket kellett volna eredményezniük, és valóban ez a huszonkilenc Cavendish által a tanulmányában szereplő meghatározás átlagértéke. Cavendish kísérletében az volt a rendkívüli, hogy minden hibaforrást és minden olyan tényezőt kiküszöbölt, amely megzavarhatta volna a kísérletet, valamint az a pontosság, amellyel egy megdöbbentően kis vonzerőt, az ólomgolyók súlyának mindössze 1/50.000.000 %-át mérte. Az eredmény, amelyet Cavendish a Föld sűrűségére kapott, 1 százalékon belül van a jelenleg elfogadott értéktől.

Cavendish munkája vezetett másokat a gravitációs állandó (G) és a Föld tömegének pontos értékeihez. Eredményei alapján a G értékére 6,754 × 10-11N-m2/kg2 értéket lehet kiszámítani, ami kedvezően hasonlít a mai 6,67428 × 10-11N-m2/kg2 értékhez.

A könyvek gyakran úgy írják le Cavendish munkáját, mint a G vagy a Föld tömegének mérését. Mivel ezek algebrai összefüggések triviális szövevénye révén kapcsolódnak a Föld sűrűségéhez, egyik forrás sem hibás, de nem egyezik Cavendish pontos szóhasználatával, és erre a hibára több szerző is rámutatott. Cavendish kimondott célja a Föld sűrűségének mérése volt, bár eredménye nyilvánvalóan a G-t számítja ki ehhez.

A konstans először 1873-ban kapta ezt a nevet, közel 100 évvel a Cavendish-kísérlet után, de a konstans már Newton óta használatban volt. Cavendish eredményei adják meg a Föld tömegét is.

Elektromos kutatásokSzerkesztés

Cavendish elektromos és kémiai kísérletei – a hővel kapcsolatosakhoz hasonlóan – akkor kezdődtek, amikor apjával londoni házukban lévő laboratóriumban élt. Lord Charles Cavendish 1783-ban halt meg, és igen jelentős vagyonának csaknem egészét Henryre hagyta. A hőelméletéhez hasonlóan Cavendish átfogó elmélete az elektromosságról is matematikai jellegű volt, és pontos mennyiségi kísérleteken alapult. Elméletének egy korai változatát 1771-ben publikálta, amely egy nyomást kifejtő elektromos folyadékon alapult. Kimutatta, hogy ha az elektromos erő intenzitása fordítottan arányos a távolsággal, akkor az elektromos semlegességhez szükségesnél több elektromos folyadék fekszik egy villamosított gömb külső felületén; majd ezt kísérletileg is megerősítette. Cavendish e kezdeti tanulmánya után tovább foglalkozott az elektromossággal, de többet nem publikált a témában.

Cavendish elektromos témájú tanulmányokat írt a Royal Society számára, de elektromos kísérleteinek nagy része csak egy évszázaddal később, 1879-ben vált ismertté, amikor James Clerk Maxwell összegyűjtötte és publikálta őket, jóval azután, hogy más tudósoknak is tulajdonítottak hasonló eredményeket. Cavendishnek a londoni Királyi Társaság filozófiai folyóiratában (Philosophical Transactions of the Royal Society of London) megjelent elektromos dolgozatai a The Scientific Papers of the Honourable Henry Cavendish, F.R.S. (1921) című kötetben a legtöbb elektromos kéziratával együtt újra megjelentek. Az Encyclopædia Britannica 1911-es kiadása szerint Cavendish felfedezései között szerepelt az elektromos potenciál fogalma (amelyet “elektromossági foknak” nevezett), a kapacitás korai mértékegysége (egy hüvelyk átmérőjű gömb), a lemezkondenzátor kapacitásának képlete, az anyag dielektromos állandójának fogalma, az elektromos potenciál és az áram közötti kapcsolat (ma Ohm-törvény) (1781), az áram párhuzamos áramkörökben való megosztására vonatkozó törvények (ma Charles Wheatstone-nak tulajdonítják), valamint az elektromos erő távolsággal való változásának fordított négyzetes törvénye (ma Coulomb-törvény).

HalálAz

Cavendish 1810. február 24-én halt meg Claphamben (mint Nagy-Britannia egyik leggazdagabb embere), és sok felmenőjével együtt a mai derby-i székesegyházban temették el. Az utat, amelyen Derbyben lakott, róla nevezték el. A Cambridge-i Egyetem Cavendish-laboratóriumát Cavendish egyik későbbi rokona, William Cavendish, Devonshire 7. hercege (az egyetem kancellárja 1861 és 1891 között) alapította.