Henry Cavendish

Tidigt livRedigera

Henry Cavendish föddes den 10 oktober 1731 i Nice, där hans familj bodde vid den tiden. Hans mor var lady Anne de Grey, fjärde dotter till Henry Grey, första hertigen av Kent, och hans far var lord Charles Cavendish, tredje sonen till William Cavendish, andra hertigen av Devonshire. Familjen spårade sin härstamning över åtta århundraden till normandisk tid och var nära knuten till många aristokratiska familjer i Storbritannien. Henrys mor dog 1733, tre månader efter att hennes andra son Frederick hade fötts och strax före Henrys andra födelsedag, och lord Charles Cavendish fick uppfostra sina två söner. Henry Cavendish kallades ”The Honourable Henry Cavendish”.

Från 11 års ålder gick Henry på Newcome’s School, en privatskola nära London. Vid 18 års ålder (den 24 november 1748) började han vid universitetet i Cambridge i St Peter’s College, numera känt som Peterhouse, men lämnade det tre år senare, den 23 februari 1751, utan att avlägga en examen (vid den tiden en vanlig praxis). Han bodde sedan hos sin far i London, där han snart hade ett eget laboratorium.

Lord Charles Cavendish tillbringade sitt liv först inom politiken och sedan alltmer inom vetenskapen, särskilt inom Royal Society of London. År 1758 tog han med Henry till Royal Societys möten och även till middagar i Royal Society Club. År 1760 valdes Henry Cavendish in i båda dessa grupper, och han var flitig i sin närvaro efter det. Han deltog praktiskt taget inte i politiken, men följde sin far inom vetenskapen genom sina undersökningar och sitt deltagande i vetenskapliga organisationer. Han var aktiv i rådet för Royal Society of London (dit han valdes 1765).

Hans intresse och sakkunskap om användningen av vetenskapliga instrument ledde till att han ledde en kommitté för att granska Royal Societys meteorologiska instrument och hjälpte till att utvärdera instrumenten vid Royal Greenwich Observatory. Hans första artikel, Factitious Airs, publicerades 1766. Andra kommittéer som han var medlem i var bland annat Committee of papers, som valde ut de artiklar som skulle publiceras i Philosophical Transactions of the Royal Society, och kommittéerna för Venus transit (1769), för bergens gravitationella dragningskraft (1774) och för de vetenskapliga instruktionerna för Constantine Phipps expedition (1773) på jakt efter Nordpolen och Nordvästpassagen. År 1773 anslöt sig Henry till sin far som vald förvaltare av British Museum, som han ägnade en hel del tid och arbete åt. Snart efter att Royal Institution of Great Britain hade bildats blev Cavendish föreståndare (1800) och tog ett aktivt intresse, särskilt i laboratoriet, där han observerade och hjälpte till vid Humphry Davys kemiska experiment.

KemiforskningRedigera

Cavendishs apparat för att tillverka och samla in vätgas

Omkring tiden för hans fars död, Cavendish började samarbeta nära med Charles Blagden, ett samarbete som hjälpte Blagden att komma in fullt ut i Londons vetenskapliga samhälle. I gengäld hjälpte Blagden till att hålla världen på avstånd från Cavendish. Cavendish publicerade inga böcker och få artiklar, men han åstadkom mycket. Flera forskningsområden, däribland mekanik, optik och magnetism, förekommer flitigt i hans manuskript, men de förekommer knappt i hans publicerade verk. Cavendish anses vara en av de så kallade pneumatiska kemisterna från 1700- och 1800-talen, tillsammans med till exempel Joseph Priestley, Joseph Black och Daniel Rutherford. Cavendish upptäckte att en bestämd, säregen och lättantändlig gas, som han kallade ”Inflammable Air”, producerades genom vissa syrors inverkan på vissa metaller. Denna gas var väte, som Cavendish korrekt gissade var proportionerat två till ett i vatten.

Och även om andra, som Robert Boyle, hade framställt vätegas tidigare, brukar Cavendish få äran för att ha erkänt dess elementära natur. År 1777 upptäckte Cavendish att luft som däggdjur andas ut omvandlas till ”fast luft” (koldioxid), inte till ”phlogistisk luft” som Joseph Priestley förutspådde. Genom att lösa upp alkalier i syror producerade Cavendish koldioxid som han, tillsammans med andra gaser, samlade upp i flaskor som han vände över vatten eller kvicksilver. Han mätte sedan deras löslighet i vatten och deras specifika vikt och noterade deras brännbarhet. I sin artikel ”General Considerations on Acids” från 1778 drog han slutsatsen att luft som kan andas utgör syra. Cavendish tilldelades Royal Societys Copley-medalj för denna uppsats. Gaskemin var av ökande betydelse under 1700-talets senare hälft och blev avgörande för fransmannen Antoine-Laurent Lavoisiers reform av kemin, allmänt känd som den kemiska revolutionen.

1783 publicerade Cavendish en uppsats om eudiometri (mätning av hur bra gaser är att andas). Han beskrev en ny eudiometer som han hade uppfunnit och med vilken han uppnådde de bästa resultaten hittills, genom att använda vad som i andra händer hade varit den inexakta metoden att mäta gaser genom att väga dem. Efter en upprepning av ett experiment som Priestley utförde 1781 publicerade Cavendish sedan en artikel om framställning av rent vatten genom förbränning av väte i ”dephlogistikerad luft” (luft i förbränningsprocessen, som man numera vet är syre) Cavendish drog slutsatsen att förbränningen av väte snarare än att det syntetiserades ledde till att vatten kondenserades från luften. Vissa fysiker tolkade väte som ren phlogiston. Cavendish rapporterade sina resultat till Priestley senast i mars 1783, men publicerade dem inte förrän året därpå. Den skotske uppfinnaren James Watt publicerade en artikel om vattnets sammansättning 1783; kontroverser om vem som gjorde upptäckten först följde.

1785 undersökte Cavendish sammansättningen av vanlig (dvs. atmosfärisk) luft och fick imponerande exakta resultat. Han utförde experiment där väte och vanlig luft kombinerades i kända proportioner och sedan exploderade med en elektrisk gnista. Vidare beskrev han också ett experiment där han kunde avlägsna, med modern terminologi, både syre- och kvävgaserna från ett prov av atmosfärisk luft tills endast en liten bubbla av oreagerad gas fanns kvar i det ursprungliga provet. Med hjälp av sina observationer konstaterade Cavendish att när han hade bestämt mängderna phlogistikerad luft (kväve) och dephlogistikerad luft (syre) återstod en gasvolym som motsvarade 1/120 av den ursprungliga volymen kväve. genom noggranna mätningar kunde han dra slutsatsen att ”vanlig luft består av en del dephlogistikerad luft , blandad med fyra delar phlogistikerad ”.

På 1890-talet (cirka 100 år senare) insåg två brittiska fysiker, William Ramsay och Lord Rayleigh, att deras nyupptäckta inerta gas, argon, var orsaken till Cavendishs problematiska rester; han hade inte gjort något misstag. Vad han hade gjort var att utföra rigorösa kvantitativa experiment med hjälp av standardiserade instrument och metoder som syftade till reproducerbara resultat, att ta medelvärdet av resultatet från flera experiment samt att identifiera och ta hänsyn till felkällor. Den våg som han använde, tillverkad av en hantverkare vid namn Harrison, var den första av 1700-talets precisionsvågar och lika exakt som Lavoisiers (som har uppskattats mäta en del på 400 000). Cavendish arbetade med sina instrumentmakare och förbättrade i allmänhet befintliga instrument snarare än att uppfinna helt nya.

Cavendish använde sig som sagt av språket från den gamla phlogistonteorin inom kemin. År 1787 blev han en av de tidigaste utanför Frankrike att konvertera till Lavoisiers nya antiphlogistiska teori, även om han förblev skeptisk till den nya teorins nomenklatur. Han motsatte sig också Lavoisiers identifiering av värme som något som hade en materiell eller elementär grund. Cavendish, som arbetade inom ramen för Newtons mekanism, hade tagit sig an problemet med värmens natur på 1760-talet och förklarade värme som ett resultat av materiens rörelse.

1783 publicerade han en uppsats om den temperatur vid vilken kvicksilver fryser och i den uppsatsen använde han sig av idén om latent värme, även om han inte använde begreppet eftersom han trodde att det innebar att han accepterade en materiell teori om värme. Han uttryckte uttryckligen sina invändningar i sin uppsats om luft från 1784. Han fortsatte att utveckla en allmän värmeteori, och manuskriptet till den teorin har på ett övertygande sätt daterats till slutet av 1780-talet. Hans teori var på en gång matematisk och mekanisk: den innehöll principen om värmens bevarande (senare förstås som ett exempel på energins bevarande) och innehöll till och med begreppet (men inte beteckningen) om värmens mekaniska motsvarighet.

Jordens täthetRedigera

Efter sin fars död köpte Henry ytterligare ett hus i staden och även ett hus i Clapham Common (byggt av Thomas Cubitt), vid den tiden söder om London. Huset i London innehöll huvuddelen av hans bibliotek, medan han förvarade de flesta av sina instrument i Clapham Common, där han utförde de flesta av sina experiment. Det mest kända av dessa experiment, som publicerades 1798, syftade till att bestämma jordens densitet och blev känt som Cavendish-experimentet. Den apparat som Cavendish använde för att väga jorden var en modifiering av den torsionsvåg som byggts av engelsmannen och geologen John Michell, som dog innan han kunde påbörja experimentet. Apparaten skickades i lådor till Cavendish, som slutförde experimentet 1797-1798 och publicerade resultaten.

Den experimentella apparaten bestod av en torsionsvåg med ett par 2-tums 1,61-pundiga blykulor som hängde i torsionsvågens arm och två mycket större stationära blykulor (350 pund). Cavendish avsåg att mäta den gravitationella attraktionskraften mellan de två. Han märkte att Michells apparat skulle vara känslig för temperaturskillnader och inducerade luftströmmar, så han gjorde ändringar genom att isolera apparaten i ett separat rum med externa kontroller och teleskop för att göra observationer.

Med hjälp av denna utrustning beräknade Cavendish attraktionen mellan kulorna utifrån torsionsvågens svängningsperiod, och sedan använde han detta värde för att beräkna jordens densitet. Cavendish fann att jordens genomsnittliga densitet är 5,48 gånger större än vattnets. John Henry Poynting noterade senare att uppgifterna borde ha lett till ett värde på 5,448, och det är faktiskt det genomsnittliga värdet av de tjugonio bestämningar som Cavendish inkluderade i sin artikel. Det extraordinära med Cavendishs experiment var att det eliminerade varje felkälla och varje faktor som kunde störa experimentet, och att det med precision mätte en häpnadsväckande liten attraktion, endast 1/50 000 000 av blykulornas vikt. Det resultat som Cavendish fick för jordens densitet ligger inom 1 procent av den nu accepterade siffran.

Cavendishs arbete ledde andra till exakta värden för gravitationskonstanten (G) och jordens massa. Utifrån hans resultat kan man beräkna ett värde för G på 6,754 × 10-11N-m2/kg2, vilket kan jämföras väl med det moderna värdet 6,67428 × 10-11N-m2/kg2.

Böcker beskriver ofta Cavendishs arbete som en mätning av antingen G eller jordens massa. Eftersom dessa är relaterade till jordens densitet genom ett trivialt nät av algebraiska relationer är ingen av dessa källor fel, men de stämmer inte med Cavendishs exakta ordval, och detta misstag har påpekats av flera författare. Cavendishs uttalade mål var att mäta jordens densitet, även om hans resultat uppenbarligen beräknar G för att göra det.

Den första gången konstanten fick detta namn var 1873, nästan 100 år efter Cavendishs experiment, men konstanten var i bruk sedan Newtons tid. Cavendishs resultat ger också jordens massa.

Elektrisk forskningRedigera

Cavendishs elektriska och kemiska experiment, liksom de om värme, hade påbörjats medan han bodde med sin far i ett laboratorium i deras hus i London. Lord Charles Cavendish dog 1783 och lämnade nästan hela sin mycket omfattande egendom till Henry. I likhet med sin teori om värme var Cavendishs omfattande teori om elektricitet matematisk till sin form och byggde på exakta kvantitativa experiment. Han publicerade en tidig version av sin teori 1771, baserad på en expansiv elektrisk vätska som utövade tryck. Han visade att om den elektriska kraftens intensitet var omvänt proportionell mot avståndet, så skulle den elektriska vätska mer än vad som krävs för elektrisk neutralitet ligga på den yttre ytan av en elektrifierad sfär; därefter bekräftade han detta experimentellt. Cavendish fortsatte att arbeta med elektricitet efter denna första uppsats, men han publicerade inte mer i ämnet.

Cavendish skrev uppsatser om elektriska ämnen för Royal Society, men huvuddelen av hans elektriska experiment blev inte kända förrän de samlades in och publicerades av James Clerk Maxwell ett sekel senare, 1879, långt efter att andra forskare hade fått samma resultat. Cavendishs elektriska artiklar från Philosophical Transactions of the Royal Society of London har tillsammans med de flesta av hans elektriska manuskript återtryckts i The Scientific Papers of the Honourable Henry Cavendish, F.R.S. (1921). Enligt 1911 års upplaga av Encyclopædia Britannica var bland Cavendishs upptäckter begreppet elektrisk potential (som han kallade ”elektrifieringsgrad”), en tidig enhet för kapacitans (den för en sfär med en tum i diameter), formeln för kapacitansen hos en plattkondensator, begreppet dielektrisk konstant för ett material, förhållandet mellan elektrisk potential och ström (nu kallad Ohm’s lag) (1781), lagar för fördelning av strömmen i parallella kretsar (som nu tillskrivs Charles Wheatstone) och den omvända kvadratiska lagen om den elektriska kraftens variation med avståndet, som nu kallas Coulombs lag.

DeathEdit

Cavendish dog i Clapham den 24 februari 1810 (som en av de rikaste männen i Storbritannien) och begravdes, tillsammans med många av sina förfäder, i den kyrka som nu är Derby Cathedral. Den väg som han brukade bo på i Derby har fått sitt namn efter honom. Cavendishlaboratoriet vid universitetet i Cambridge donerades av en av Cavendishs senare släktingar, William Cavendish, 7:e hertig av Devonshire (universitetskansler 1861-1891).