КАВЕНДИШ ГЕНРИ (1731 – 1810)

КАВЕНДИШ ГЕНРИ (1731 – 1810)

НАЧНЕМ С КОНЦА (ВМЕСТО ВВЕДЕНИЯ).

Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета в Англии называли «питомником гениев». В то же время история этого уникального научного центра является отражением истории дворянского рода Кавендишей.

В этом старинном английском роду были и мореплаватели, и крупные вельможи, приближенные к королям и королевам, а позднее, в ХХ веке – даже премьер-министр Великобритании. Были в этом роду и известные книгоиздатели, и крупные ученые, а среди них — великий химик и физик, член Лондонского Королевского общества, чудаковатый отшельник Генри Кавендиш, сын лорда Чарльза Кавендиша и одной из дочерей герцога Кентского.

Внучатный племянник Генри Кавендиша Уильям Кавендиш, седьмой герцог Девонширский, был одно время канцлером Кембриджского университета. К счастью, это время совпало со временем работы в этом университете великого физика Джеймса Клерка Максвелла. Герцог был мало похож на своих предшественников, зачастую формально исполнявших роль канцлера. Он сам много времени отдавал научным исследованиям, обладал математическими способностями и был даже удостоен премии Смита за научные достижения (как Уильям Томсон, получивший титул лорда Кельвина, и сам Джеймс Клерк Максвелл).

Герцог понимал, что для научных открытий в конце XIX века уже недостаточно хорошо знать математику, чтобы открывать новые законы природы путем умозаключений. Университету была необходима современная лаборатория экспериментальной физики с приборами и оборудованием. В октябре 1870 г. герцог представил в сенат университета меморандум о своем желании построить и оборудовать при Кембриджском университете физическую лабораторию. Сенат соблаговолил принять этот дар и учредить при лаборатории должность профессора (руководителя лаборатории). Вначале лаборатория называлась Девонширской, а затем Кавендишской (в честь как Генри Кавендиша, так и ее основателя — канцлера университета). И первым кавендишским профессором экспериментальной физики был назначен Джеймс Клерк Максвелл.

Максвеллу домой было доставлено еще одно пожертвование герцога, занявшее в дальнейшем пять лет напряженной работы мысли ученого. Это были двадцать пакетов рукописей Генри Кавендиша.

До сих пор историки науки не могут объяснить, почему Максвелл в расцвете сил потратил пять лет на редактирование и подготовку к изданию казалось бы устаревших не менее чем на полвека рукописей Генри Кавендиша. Может быть, Максвелл чувствовал свой долг перед герцогом, пожертвовавшим значительные средства на создание прекрасной лаборатории? А может, его заинтересовал человек, преданный науке настолько, что довел эту преданность почти до абсурда? Наверное, определенную роль сыграли человеческие и научные интересы Максвелла: легендарный Кавендиш раскрывался перед ним в своих работах как личность и как ученый.

ДЕТСТВО И ЮНОСТЬ.

Генри Кавендиш родился 10 октября 1731 г. в Ницце (Франция), где его мать безуспешно пыталась поправить слабое здоровье. Она умерла, когда мальчику было всего два года. Генри не стал герцогом, так как его отец был третьим сыном в семье герцога Девонширского.

Еще в детстве Генри часто наблюдал за опытами отца и первые научные исследования провел под его руководством. Отец был большим поклонником естествознания, членом Лондонского Королевского общества и на протяжении почти всей жизни занимался научными наблюдениями и конструированием приборов. За создание одного из них, максимального термометра, сэр Чарльз был удостоен высшей награды Лондонского Королевского общества – медали Копли. О заслугах Кавендиша-старшего высоко отзывался Б. Франклин: «Хотелось бы, чтобы такой уважаемый ученый больше сообщал миру о множестве проводимых им с большой тщательностью экспериментов». С ранних лет Генри увлеченно занимался наукой и отдавал исследованиям много времени. Будучи вторым сыном в семье, он не унаследовал богатств отца и должен был довольствоваться довольно скромным состоянием. Кавендиш поступил в один из Кембриджских колледжей, но проучился там всего четыре года и в 1753 г. ушел из университета, даже не пытаясь сдать выпускные экзамены. Может быть, потому, что выпускные экзамены ему были не нужны: он оценивал себя сам, причем куда более критично, чем любые экзаменаторы. Например, Кавендиш очень любил и хорошо знал математику, но не хотел испытывать лишних переживаний, формальностей и гонений заключительного годового экзамена по математике.

После выхода из университета и путешествия вместе с братом по Европе Кавендиш поселяется в доме отца и посвящает себя научным исследованиям. Любовь к науке прошла через всю его жизнь. Он стал одним из первых профессиональных английских ученых.

Его приняли в члены Лондонского Королевского общества, когда ему было всего 29 лет.

ПЕРВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Наиболее ранние из сохранившихся рукописей Кавендиша свидетельствуют о том, что он начал с занятий механикой — точнее, его интересовали проблемы динамики. Изучение этих проблем подвело его вплотную к открытию закона сохранения энергии.

Считая, что тепло объясняется быстрым движением мельчайших частиц вещества, Кавендиш пытается распространить выводы своих динамических опытов на тепловые явления. Он исследовал нагревание тел, установление теплового равновесия, а также процессы плавления и испарения. Независимо от шотландского физика Джозефа Блэка Кавендиш приходит к выводу о том, что для каждого вещества характерна определенная удельная теплоемкость и что в процессе плавления поглощается «скрытая» теплота (которая называется сегодня удельной теплотой плавления).

Интерес к тепловым явлениям привел Кавендиша к экспериментам с газами, или к «пневматической химии» (химии газов).

Хотя тематика исследований Кавендиша была разнообразной, все его работы были направлены на решение задачи, поставленной еще Ньютоном: объяснить все явления природы на основе представлений о взаимодействии частиц с помощью сил, подчиняющихся простым законам наподобие закона всемирного тяготения. Отсюда и последовательность работ Кавендиша: столкновение частиц (динамика), взаимодействие частиц при тепловых явлениях, изучение химических процессов для определения сил, действующих между частицами…

РАБОТЫ В ОБЛАСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА.

Кавендиш надеялся установить закон электрических сил и с его помощью объяснить многие свойства вещества.

Уже первое большое теоретическое исследование Кавендиша по электростатике показало, что он является знатоком в этой области. В статье в журнале Лондонского Королевского общества Кавендиш рассмотрел некоторые вопросы электростатики в духе теории Франклина – Эпинуса. Главным в работе был анализ возможной зависимости силы электростатического взаимодействия от расстояния. Однако по этой работы трудно судить, проводил ли Кавендиш необходимые эксперименты. После статьи 1771 г. была лишь одна статья о моделировании свойств электрического ската.

На самом же деле, как выяснил впоследствии Максвелл, Кавендиш в очень тщательно поставленном опыте открыл закон, носящий сегодня название «закон Кулона». Сделал он это открытие задолго до Кулона, но эту свою работу Кавендиш почему-то не захотел публиковать…

Тем не менее, судя по оформлению работы, она была подготовлена для публикации. Характер оформления рукописи дает основание предположить, что описанные в ней эксперименты Кавендиш провел около 1773 г. (за 12 лет до открытия Кулоном «закона Кулона»).

НАУЧНЫЕ ОТКРЫТИЯ, О КОТОРЫХ УЗНАЛИ СОВРЕМЕННИКИ.

Кавендиш опубликовал 18 научных статей (малую часть сделанного им), был членом Лондонского Королевского общества и принимал активное участие в его работе. Современники считали его одним из крупнейших английских естествоиспытателей второй половины XVIII века. Кавендиш был избран иностранным членом Института Франции (Академии наук). У себя на родине он многократно входил в состав различных комиссий, создаваемых Лондонским Королевским обществом для решения научно-технических проблем, в том числе по электричеству. Например, в комиссию по определению оптимальной формы концов громоотводов входили Б. Франклин и Г. Кавендиш.

Кавендиш поддерживал также контакты с людьми, интересующимися наукой вне Лондонского Королевского общества: большой известностью пользовалась его библиотека, куда был открыт доступ всем желающим. Известны также случаи, когда Кавендиш приглашал коллег по Лондонскому Королевскому обществу к себе домой для демонстрации особенно эффектных экспериментов.

Но о большей части исследований Кавендиша его современники и коллеги по Лондонскому Королевскому обществу не знали ничего. Кавендиш не публиковал работ, если не был уверен в их законченности и достоверности (вспомним аналогичную ситуацию с публикацией работ Исааком Ньютоном!). Не исключено также, что Кавендиш иногда довольствовался тем, что сам узнавал о новом законе природы и просто не считал нужным сообщать о нем другим (вспомним его нежелание сдавать выпускные экзамены по окончании университета).

О многих исследованиях Кавендиша стало известно лишь спустя более чем пятьдесят лет после смерти ученого, и то только благодаря усилиям Максвелла.

Генри Кавендиша еще при жизни называли «Ньютоном современной химии».

ОСОБЕННОСТИ КАВЕНДИША КАК ЛИЧНОСТИ.

Кавендиш был робок и застенчив и поэтому часто казался посторонним замкнутым и нелюдимым. Окружающим он казался загадочным, и, может быть, такая маска его устраивала: ведь это позволяло полностью посвятить себя науке.

Кавендиш настолько погружался в свои исследования, что замыкался в своем мире и часто поражал окружающих чудаковатостью частной жизни.

Он избегал людей за пределами научного общения. Даже с домашними он предпочитал не встречаться и, чтобы не терять напрасно время, объяснялся знаками. Женщин он не замечал, прислуге запрещал показываться ему на глаза, со служанками общался при помощи записок, и в полном одиночестве работал в своем кабинете и домашней лаборатории. Это не мешало ему, однако, в случае необходимости привлекать слуг к участию в экспериментах. Так, известно, что слуга Ричард выполнял в электрических опытах вместе с хозяином роль «живого гальванометра».

Известен также случай, когда Кавендиш бросился на помощь женщине, на которую напал бык, и отвлек быка. После этого ученый ушел, ни слова не говоря и даже не простившись.

Кавендиш был одержим пунктуальностью, каждый его новый костюм являлся точной копией предыдущего с учетом произошедших в фигуре изменений. (Поэтому существует легенда, что Кавендиш вообще не менял костюма, а всю жизнь проходил в одном и том же).

Все сорок лет в клубе, где он обедал раз в неделю, шляпа его всегда занимала всегда одно и то же место. Кавендиш, как мы уже говорили, был весьма критичен и щепетилен в общении, поэтому почти всегда молчал и открывал рот лишь тогда, когда мог сообщить что-либо из ряда вон выходящее (так же, видимо, он относился и к своим публикациям).

Единственное, известное изображение Кавендиша, (рисунок Александера) хранится в Британском музее.

В 42 года Кавендиш получил огромное наследство, но не изменил скромного образа жизни скромного образа жизни, а лишь расширил исследования, требовавшие значительных средств. Незнакомцы не могли и думать о приглашении в дом, зато друзья злоупотребляли его доверием, особенно в пользовании его богатейшей библиотекой. Кавендиш поддерживал также студентов и молодых ученых, не придавая значения при этом тому, возвращены деньги или нет. Он был холодно — безразличен ко всему, что не касалось науки – никогда не слышали, чтобы он о чем-то отозвался более или менее положительно.

Умер Кавендиш 24 февраля 1810 г. (по новому стилю) после единственной в его жизни болезни. Свое миллионное состояние и неопубликованные работы он оставил кузену. Этот кузен был дедом Уильяма Кавендиша — того самого седьмого герцога Девонширского, который был канцлером Кембриджского университета во времена Максвелла.

ДОСТИЖЕНИЯ В ОБЛАСТИ ХИМИИ.

В шестидесятые годы Кавендиш сделал ряд прекрасных работ, изучая свойства газов: определил природу водорода – открыл inflammable air как самостоятельное вещество (позднее французский ученый Антуан Лавуазье назвал этот газ водородом). Другой газ, двуокись углерода, Кавендиш назвал fixed air (сгущенный или плотный воздух). Сейчас мы знаем его как углекислый газ. Ученый подтвердил, что атмосферный воздух представляет собой смесь кислорода и азота, определил состав воды и показал, как ее можно получить искусственным путем. Кавендиш также обнаружил, что «воспламеняющийся воздух» (так он называл водород) намного менее плотен, чем «обычный» воздух.

Исследуя состав воздуха, Кавендиш обнаружил в небольшом количестве некоторое вещество, которое не удавалось соединить с азотом при помощи электрического разряда. Этот опыт был забыт, пока его не повторил Рамзай – неизвестное вещество оказалось инертным газом аргоном. Кавендиш опубликовал при жизни несколько статей (около 20), из них наиболее значительные: «On Fractious airs» (о частях воздуха), об электрическом скате «торпедо» (Кавендишу удалось создать «электрическую модель» ската, которая наносила такие же удары) и статья с изящным доказательством того, что позже было названо «законом Кулона».

За работы по исследованию газов ученого справедливо называли одним из «отцов пневматической химии».

В 1781 г. Кавендиш определил содержание кислорода в воздухе. Работы его были также посвящены молекулярной физике, теплоте, математической физике и др.

ИЗМЕРЕНИЕ ГРАВИТАЦИОННОЙ ПОСТОЯННОЙ.

Кавендиш использовал чувствительные крутильные весы (весы Кавендиша) для измерения гравитационной постоянной. Опыт Кавендиша по измерению гравитационной постоянной иногда образно называют «взвешиванием Земли», поскольку измерив гравитационную постоянную, можно определить также массу и плотность Земли (точность результатов Кавендиша не была превзойдена в течение почти 100 лет!).

МАКСВЕЛЛ И РУКОПИСИ ГЕНРИ КАВЕНДИША.

Едва начав разбирать рукописи Кавендиша, Максвелл поразился: как много крупных открытий было сделано Кавендишем, о которых тот не посчитал нужным рассказать ни ученым, ни обществу! Максвелл пишет:

«…В своих рукописях он (Кавендиш) обнаруживает знакомство с законами параллельного и последовательного соединения проводников, однако для того, чтобы пролить свет на смысл его слов нужно обратиться к его опубликованной статье (об электрическом скате торпедо)… Создается впечатление, что он достоин еще больших почестей, так как он превзошел Ома задолго до того, как были открыты постоянные токи. Его измерения электрической емкости заставят нас попотеть в Кавендишской лаборатории, прежде чем мы достигнем точки, где он остановился…».

К этому следует добавить, что все свои открытия в области электричества Кавендиш сделал до того, как Вольта изобрел первый источник постоянного электричества – вольтов столб (первую электрическую батарею). Все исследования Кавендиш проделывал только с малыми электрическими зарядами, образующимся при трении, – статическим электричеством.

Кстати, занятная деталь: Кавендиш обнаружил, что собачий мех при натирании электризует сильнее, чем кошачий. И когда Максвелл проверял точность этого результата Кавендиша, в лаборатории всегда присутствовал его любимый пес Тоби, который непосредственно участвовал в эксперименте. И Максвелл вместе с Тоби доказали, что и тут Кавендиш был прав!

Все тонкие измерения быстро протекающих процессов были проделаны Кавендишем без приборов – они просто еще не были изобретены. У исследователя был только «физиологический гальванометр», называемый «шокометр» – Кавендиш мог оценивать электрический потенциал лишь по силе получаемого человеком электрического удара (удар по-английски «шок»).

Максвелл решил исследовать эффективность «живых гальванометров» и в течение многих дней каждому новому посетителю лаборатории предлагали взяться руками за два оголенных конца провода, к которым подводилось напряжение, чтобы проверить, «хороший» или «плохой» гальванометр представляет собой очередной посетитель. Конечно, Максвелл заботился о том, чтобы подаваемое на провода напряжение не представляло опасности!

Максвелл также проверял в лаборатории со своими сотрудниками и измерения электроемкости, и влияние диэлектрика на емкость конденсатора, и уточнение закона Ома, и определение плотности Земли. Он справедливо считал, что никогда не следует пренебрегать мыслями классиков. Максвелл очень тщательно работал над рукописями Генри Кавендиша, изучал все детали опытов, стремился точно воспроизвести их детали – и для практики стажеров, и для проверки, а может, и для поиска новых идей.

Он копировал опыты Кавендиша по определению сопротивления электролитов и хотел сравнить показатели сопротивления набора электролитов с результатами Кавендиша. Максвелл обнаружил, что Кавендиш был первым, кто открыл закон Ома.

Еще одна интересная находка была обнаружена в работах Кавендиша по развитию идей петербургского академика Франца Эпинуса, который применил к исследованию электрических и магнитных явлений высшую математику и в 1759 году выступил с трактатом «Опыт теории электричества и магнетизма», где последовательно развивал теорию Франклина об электричестве, распространив ее на магнитные явления. Во времена Кавендиша Эпинус считался одним из больших авторитетов в теории электричества и был почитаемым ученым в Кембридже.

Максвелл не только упорядочил рукописные материалы, но снабдил их подробными комментариями, многие из которых являются небольшими самостоятельными научными исследованиями. Тексту работ Кавендиша он предпослал очерк жизни и деятельности ученого, в котором особенно подробно осветил исследования по электричеству. На основе рукописей Кавендиша и свидетельств его современников Максвелл составил детальное описание лаборатории, где ученый проводил электрические опыты.

Известный английский физик и химик Х. Дэви, знавший Кавендиша лично, писал, что при конструировании приборов последний не придавал никакого значения их внешнему виду, его интересовала только эффективность данного устройства. Опыты должны были проводиться в наиболее «чистом» виде, с уменьшением побочных факторов.

Кавендиш во многом опередил свое время: и в терминологии, и в стремлении предельно точно фиксировать условия эксперимента, обеспечивая его воспроизводимость.

Большинство открытий Кавендиша после него было повторено другими учеными – еще одно доказательство неизбежности открытий, когда приходит их время.



Рассказы об ученых по физике.