Henry Cavendish

Vita giovanileModifica

Henry Cavendish nacque il 10 ottobre 1731 a Nizza, dove la sua famiglia viveva all’epoca. Sua madre era Lady Anne de Grey, quarta figlia di Henry Grey, 1° duca di Kent, e suo padre era Lord Charles Cavendish, terzo figlio di William Cavendish, 2° duca di Devonshire. La famiglia faceva risalire il suo lignaggio attraverso otto secoli fino all’epoca normanna, ed era strettamente collegata a molte famiglie aristocratiche della Gran Bretagna. La madre di Henry morì nel 1733, tre mesi dopo la nascita del suo secondo figlio, Frederick, e poco prima del secondo compleanno di Henry, lasciando Lord Charles Cavendish a crescere i suoi due figli. Henry Cavendish fu chiamato “The Honourable Henry Cavendish”.

Dall’età di 11 anni Henry frequentò la Newcome’s School, una scuola privata vicino a Londra. All’età di 18 anni (il 24 novembre 1748) entrò all’Università di Cambridge nel St Peter’s College, ora conosciuto come Peterhouse, ma lasciò tre anni dopo, il 23 febbraio 1751, senza prendere una laurea (all’epoca, una pratica comune). Visse poi con suo padre a Londra, dove presto ebbe il suo laboratorio.

Lord Charles Cavendish trascorse la sua vita prima in politica e poi sempre più nella scienza, soprattutto nella Royal Society di Londra. Nel 1758, portò Henry alle riunioni della Royal Society e anche alle cene del Royal Society Club. Nel 1760, Henry Cavendish fu eletto in entrambi questi gruppi, e da allora fu assiduo nella sua partecipazione. Non prese praticamente parte alla politica, ma seguì suo padre nella scienza, attraverso le sue ricerche e la sua partecipazione alle organizzazioni scientifiche. Fu attivo nel Consiglio della Royal Society di Londra (al quale fu eletto nel 1765).

Il suo interesse e la sua competenza nell’uso degli strumenti scientifici lo portarono a dirigere un comitato per rivedere gli strumenti meteorologici della Royal Society e ad aiutare a valutare gli strumenti del Royal Greenwich Observatory. Il suo primo articolo, Factitious Airs, apparve nel 1766. Altri comitati in cui servì furono il comitato delle carte, che sceglieva gli articoli da pubblicare nelle Philosophical Transactions della Royal Society, e i comitati per il transito di Venere (1769), per l’attrazione gravitazionale delle montagne (1774), e per le istruzioni scientifiche per la spedizione di Constantine Phipps (1773) alla ricerca del Polo Nord e del Passaggio a Nord Ovest. Nel 1773, Henry si unì a suo padre come fiduciario eletto del British Museum, al quale dedicò molto tempo e impegno. Poco dopo la fondazione della Royal Institution of Great Britain, Cavendish divenne un manager (1800) e prese un interesse attivo, specialmente nel laboratorio, dove osservò e aiutò negli esperimenti chimici di Humphry Davy.

Ricerca chimicaModifica

L’apparato di Cavendish per fare e raccogliere l’idrogeno

Circa il periodo della morte del padre, Cavendish iniziò a lavorare a stretto contatto con Charles Blagden, un’associazione che aiutò Blagden ad entrare pienamente nella società scientifica di Londra. In cambio, Blagden aiutò a tenere il mondo a distanza da Cavendish. Cavendish non pubblicò libri e pochi articoli, ma ottenne molto. Diverse aree di ricerca, tra cui la meccanica, l’ottica e il magnetismo, sono ampiamente presenti nei suoi manoscritti, ma sono scarsamente presenti nel suo lavoro pubblicato. Cavendish è considerato uno dei cosiddetti chimici pneumatici del XVIII e XIX secolo, insieme, per esempio, a Joseph Priestley, Joseph Black e Daniel Rutherford. Cavendish scoprì che un gas definito, peculiare e altamente infiammabile, che chiamò “Aria infiammabile”, era prodotto dall’azione di certi acidi su certi metalli. Questo gas era l’idrogeno, che Cavendish intuì correttamente essere proporzionato due a uno nell’acqua.

Anche se altri, come Robert Boyle, avevano preparato l’idrogeno gassoso prima, a Cavendish viene solitamente dato il merito di averne riconosciuto la natura elementare. Nel 1777, Cavendish scoprì che l’aria espirata dai mammiferi viene convertita in “aria fissa” (anidride carbonica), non in “aria flogistica” come previsto da Joseph Priestley. Inoltre, sciogliendo gli alcali negli acidi, Cavendish produsse anidride carbonica, che raccolse, insieme ad altri gas, in bottiglie rovesciate sull’acqua o sul mercurio. Poi misurò la loro solubilità in acqua e il loro peso specifico, e notò la loro combustibilità. Ha concluso nel suo documento del 1778 “Considerazioni generali sugli acidi” che l’aria respirabile costituisce l’acidità. Cavendish ricevette la medaglia Copley della Royal Society per questo articolo. La chimica dei gas fu di crescente importanza nella seconda metà del XVIII secolo, e divenne cruciale per la riforma della chimica del francese Antoine-Laurent Lavoisier, generalmente conosciuta come la rivoluzione chimica.

Nel 1783, Cavendish pubblicò un articolo sull’eudiometria (la misurazione della bontà dei gas per la respirazione). Descrisse un nuovo eudiometro di sua invenzione, con il quale ottenne i migliori risultati fino ad oggi, utilizzando quello che in altre mani era stato il metodo inesatto di misurare i gas pesandoli. Poi, dopo la ripetizione di un esperimento del 1781 eseguito da Priestley, Cavendish pubblicò un documento sulla produzione di acqua pura bruciando idrogeno in “aria deflogistica” (aria in fase di combustione, ora nota per essere ossigeno).Cavendish concluse che piuttosto che essere sintetizzata, la combustione dell’idrogeno causava la condensazione dell’acqua dall’aria. Alcuni fisici interpretarono l’idrogeno come puro flogisto. Cavendish riferì le sue scoperte a Priestley non più tardi del marzo 1783, ma non le pubblicò fino all’anno successivo. L’inventore scozzese James Watt pubblicò un documento sulla composizione dell’acqua nel 1783; ne seguì una controversia su chi avesse fatto la scoperta per primo.

Nel 1785, Cavendish studiò la composizione dell’aria comune (cioè atmosferica), ottenendo risultati impressionanti. Condusse esperimenti in cui l’idrogeno e l’aria ordinaria venivano combinati in rapporti noti e poi fatti esplodere con una scintilla di elettricità. Inoltre, descrisse anche un esperimento in cui fu in grado di rimuovere, nella terminologia moderna, sia l’ossigeno che l’azoto da un campione di aria atmosferica fino a quando solo una piccola bolla di gas non reagito era rimasta nel campione originale. Utilizzando le sue osservazioni, Cavendish osservò che, quando aveva determinato le quantità di aria flogistica (azoto) e di aria deflogistica (ossigeno), rimaneva un volume di gas pari a 1/120 del volume originale di azoto; con misurazioni accurate fu portato a concludere che “l’aria comune consiste in una parte di aria deflogistica, mescolata con quattro di flogistica”.

Negli anni 1890 (circa 100 anni dopo) due fisici britannici, William Ramsay e Lord Rayleigh, si resero conto che il gas inerte appena scoperto, l’argon, era responsabile del residuo problematico di Cavendish; non aveva fatto un errore. Ciò che aveva fatto era eseguire rigorosi esperimenti quantitativi, utilizzando strumenti e metodi standardizzati, finalizzati a risultati riproducibili; prendere la media del risultato di diversi esperimenti; e identificare e consentire le fonti di errore. La bilancia che usava, fatta da un artigiano di nome Harrison, era la prima delle bilance di precisione del XVIII secolo, e accurata quanto quella di Lavoisier (che è stata stimata misurare una parte su 400.000). Cavendish lavorò con i suoi costruttori di strumenti, generalmente migliorando gli strumenti esistenti piuttosto che inventarne di completamente nuovi.

Cavendish, come indicato sopra, usava il linguaggio della vecchia teoria del flogisto in chimica. Nel 1787, divenne uno dei primi fuori dalla Francia a convertirsi alla nuova teoria antiflogistica di Lavoisier, anche se rimase scettico sulla nomenclatura della nuova teoria. Si oppose anche all’identificazione di Lavoisier del calore come avente una base materiale o elementare. Lavorando nel quadro del meccanismo newtoniano, Cavendish aveva affrontato il problema della natura del calore negli anni 1760, spiegando il calore come il risultato del movimento della materia.

Nel 1783, pubblicò un articolo sulla temperatura di congelamento del mercurio e in quell’articolo fece uso dell’idea del calore latente, sebbene non usasse il termine perché riteneva che implicasse l’accettazione di una teoria materiale del calore. Egli rese esplicite le sue obiezioni nel suo articolo del 1784 sull’aria. Continuò a sviluppare una teoria generale del calore, e il manoscritto di questa teoria è stato datato in modo convincente alla fine degli anni 1780. La sua teoria era allo stesso tempo matematica e meccanica: conteneva il principio della conservazione del calore (più tardi inteso come un’istanza della conservazione dell’energia) e includeva persino il concetto (sebbene non l’etichetta) dell’equivalente meccanico del calore.

Densità della TerraModifica

Dopo la morte del padre, Henry comprò un’altra casa in città e anche una casa a Clapham Common (costruita da Thomas Cubitt), a quel tempo a sud di Londra. La casa di Londra conteneva la maggior parte della sua biblioteca, mentre teneva la maggior parte dei suoi strumenti a Clapham Common, dove realizzò la maggior parte dei suoi esperimenti. Il più famoso di questi esperimenti, pubblicato nel 1798, era per determinare la densità della Terra e divenne noto come l’esperimento Cavendish. L’apparato che Cavendish utilizzò per pesare la Terra era una modifica della bilancia a torsione costruita dall’inglese e geologo John Michell, che morì prima di poter iniziare l’esperimento. L’apparato fu inviato in casse a Cavendish, che completò l’esperimento nel 1797-1798 e pubblicò i risultati.

L’apparato sperimentale consisteva in una bilancia a torsione con una coppia di sfere di piombo da 2 pollici e 1,61 libbre sospese al braccio di una bilancia a torsione e due sfere di piombo fisse molto più grandi (350 libbre). Cavendish intendeva misurare la forza di attrazione gravitazionale tra le due. Notò che l’apparato di Michell sarebbe stato sensibile alle differenze di temperatura e alle correnti d’aria indotte, così apportò delle modifiche isolando l’apparato in una stanza separata con controlli esterni e telescopi per fare osservazioni.

Utilizzando questa attrezzatura, Cavendish calcolò l’attrazione tra le sfere dal periodo di oscillazione della bilancia di torsione, e poi usò questo valore per calcolare la densità della Terra. Cavendish trovò che la densità media della Terra è 5,48 volte superiore a quella dell’acqua. John Henry Poynting notò in seguito che i dati avrebbero dovuto portare a un valore di 5,448, e infatti questo è il valore medio delle ventinove determinazioni che Cavendish incluse nel suo articolo. Ciò che era straordinario nell’esperimento di Cavendish era la sua eliminazione di ogni fonte di errore e di ogni fattore che poteva disturbare l’esperimento, e la sua precisione nel misurare un’attrazione sorprendentemente piccola, solo 1/50.000.000 del peso delle palle di piombo. Il risultato che Cavendish ottenne per la densità della Terra è entro l’1% della cifra attualmente accettata.

Il lavoro di Cavendish portò altri a valori precisi per la costante gravitazionale (G) e la massa della Terra. Sulla base dei suoi risultati, si può calcolare un valore di G di 6,754 × 10-11N-m2/kg2, che si confronta favorevolmente con il valore moderno di 6,67428 × 10-11N-m2/kg2.

I libri spesso descrivono il lavoro di Cavendish come una misura di G o della massa della Terra. Poiché questi sono legati alla densità terrestre da una banale rete di relazioni algebriche, nessuna di queste fonti è sbagliata, ma non corrispondono all’esatta scelta di parole di Cavendish, e questo errore è stato sottolineato da diversi autori. L’obiettivo dichiarato di Cavendish era quello di misurare la densità della Terra, anche se il suo risultato ovviamente calcola G per farlo.

La prima volta che la costante ottenne questo nome fu nel 1873, quasi 100 anni dopo l’esperimento di Cavendish, ma la costante era in uso dai tempi di Newton. I risultati di Cavendish danno anche la massa della Terra.

Ricerca elettricaModifica

Gli esperimenti elettrici e chimici di Cavendish, come quelli sul calore, erano iniziati mentre viveva con suo padre in un laboratorio nella loro casa di Londra. Lord Charles Cavendish morì nel 1783, lasciando quasi tutto il suo ingente patrimonio a Henry. Come la sua teoria del calore, la teoria completa di Cavendish sull’elettricità era di forma matematica e si basava su precisi esperimenti quantitativi. Pubblicò una prima versione della sua teoria nel 1771, basata su un fluido elettrico espansivo che esercitava una pressione. Dimostrò che se l’intensità della forza elettrica fosse inversamente proporzionale alla distanza, allora il fluido elettrico più di quello necessario per la neutralità elettrica si troverebbe sulla superficie esterna di una sfera elettrificata; poi confermò questo sperimentalmente. Cavendish continuò a lavorare sull’elettricità dopo questo articolo iniziale, ma non pubblicò altro sull’argomento.

Cavendish scrisse articoli su argomenti elettrici per la Royal Society, ma la maggior parte dei suoi esperimenti elettrici non divenne nota fino a quando non furono raccolti e pubblicati da James Clerk Maxwell un secolo dopo, nel 1879, molto dopo che altri scienziati erano stati accreditati con gli stessi risultati. I documenti elettrici di Cavendish dalle Philosophical Transactions della Royal Society di Londra sono stati ristampati, insieme alla maggior parte dei suoi manoscritti elettrici, in The Scientific Papers of the Honourable Henry Cavendish, F.R.S. (1921). Secondo l’edizione del 1911 dell’Encyclopædia Britannica, tra le scoperte di Cavendish ci furono il concetto di potenziale elettrico (che chiamò “grado di elettrificazione”), una prima unità di capacità (quella di una sfera di un pollice di diametro), la formula per la capacità di un condensatore a piastre, il concetto di costante dielettrica di un materiale, la relazione tra potenziale elettrico e corrente (ora chiamata legge di Ohm) (1781), le leggi per la divisione della corrente nei circuiti paralleli (ora attribuite a Charles Wheatstone), e la legge dell’inverso del quadrato della variazione della forza elettrica con la distanza, ora chiamata legge di Coulomb.

MorteModifica

Cavendish morì a Clapham il 24 febbraio 1810 (come uno degli uomini più ricchi della Gran Bretagna) e fu sepolto, insieme a molti dei suoi antenati, nella chiesa che ora è la Cattedrale di Derby. La strada in cui viveva a Derby ha preso il suo nome. Il Laboratorio Cavendish dell’Università di Cambridge fu donato da uno dei successivi parenti di Cavendish, William Cavendish, 7° Duca di Devonshire (Cancelliere dell’Università dal 1861 al 1891).