话说卡文迪什实验室

苏州市第一中学 杜正国 选自《物理教师》2009年第7期

新课程标准高中《物理》必修2（人教版）第7章第3节“万有引力定律”中提到：“一百多年以后，英国物理学家卡文迪许（1731～1810）在实验室里通过几个铅球之间万有引力的测量，比较准确地得到了G的数值。”同一页中有照片一张，照片的说明是：“图7.3—1以卡文迪许命名的实验室是世界著名的实验室，坐落在英国剑桥大学。物理学上许多重要发现是在这里做出的。”为了便于师生理解课文的内容，现提供有关的背景材料。

1．亨利•卡文迪许及G值的测定

1731年10月10日，卡文迪许家族中又诞生了一个小男婴，他就是亨利•卡文迪许，他是英国世袭的德文郡公爵家族与另一个同样显赫的肯特公爵家族的共同后裔。因为他的母亲喜欢法国的气候，搬到那儿居住，所以亨利•卡文迪许生于法国的尼斯。当他2岁的时候，母亲就去世了，这使他形成一种过于孤独和内向的性格。1749～1753年，他在剑桥大学学习，1753年，他去巴黎留学。回英国后，主要从事物理学和化学的科学研究。1760年，被选为皇家学会会员。他还是法国科学院的外国院士。

1783年父亲逝世以后，他得到了一大笔遗产。不久他的一位姑母逝世，又留给他一大笔遗产。这样他就成了18世纪“最有学问的贵族和最有钱的科学家”。但是卡文迪许一生所过的生活却很朴素，一心扑在科学研究上。

卡文迪许不善言谈，很不喜欢那些慕名而来的客人打扰他的研究工作。奉陪客人时，常常眼睛盯着天花板，脑子里思索着自己实验中的问题，一言不发，为此往往使客人尴尬扫兴，不辞而别。

在卡文迪许之前一百多年，牛顿通过天文观测和数学推导，成功地论证了万有引力定律。但一般物体间的相互吸引力是非常小的，因此很难精确测定。卡文迪许设计了一个扭秤，巧妙地解决了这个难题。他在1798年通过扭秤实验验证了万有引力定律，并比较准确地得到了引力常量G的数值，进而算出了地球的质量和平均密度，成了“第1个称量地球的人”。

卡文迪许在化学方面也取得了很大的成就。他发现了氢气，并证明了水是氢和氧的化合物。

1810年2月24日，卡文迪许逝世在自己的实验室里，享年79岁。戴维评价他说：“他对于科学上一切问题都有高深的见地，并且在讨论时所发表的意见异常精辟……，在科学史上，他那伟大的工作光芒，一定可以和天地同存。”

2．卡文迪什实验室的建成

卡文迪许，也常被译作卡文迪什。“卡文迪什”是英国自17世纪就一直尊贵显赫的贵族家庭，即世袭的德文郡公爵家族。

1861年，第7代德文郡公爵威廉•卡文迪什（1808～1891）接任剑桥大学校长职位。并一直担任该职到去世。威廉•卡文迪许是卡文迪什家庭和波义耳家族联姻的结晶。他先在伊顿公学读书，毕业后进入剑桥三一学院。1829年，他以数学优等生第2名和史密斯奖金第1名的好成绩毕业。

1858年他继承了公爵爵位和卡文迪什家族的财产。威廉深谙经营之道，在房地产、农业和工业方面均取得巨大成功。他是19世纪英国最大的工业巨头之一，在钢铁工业领域声名显赫，被人称为“铁公爵”。主要由他出资，卡文迪什实验室落成于1874年6月16日，耗资约8450英镑。此时亨利•卡文迪许已去世64年。

卡文迪什实验室，位于大学城内的剑河东岸。它是哥特式3层塔楼式建筑，以后经过3次修缮和扩建，就成了人们今天看到的卡文迪什实验室旧址。

3．卡文迪什实验室的新址

在卡文迪什实验室13英尺高的栎木大门的上方，有着卡文迪什家族的箴言——“谨慎出平安”和族徽，可知它是以卡文迪什家族来命名的，并不是以某个个人来命名的。当然，亨利•卡文迪许、威廉•卡文迪什都是卡文迪什家庭中的杰出人物，这一点也是可以肯定的。现在的卡文迪什实验室早已迁居到剑河西岸的新址了。新址距旧址约1.5km，由3幢相伴的现代建筑群——莫特楼、布喇格楼和卢瑟福楼组成，总耗资超过464500英镑（1974年价格），占地16000平方米。较之旧实验楼，功能设施更为完善。高中教科书上的那张照片，就是卡文迪什实验室新址的照片。

4．实验室的前4任主任

卡文迪什实验室建立近130年以来的变化，更显著的还是表现在它的实验室主任更迭和研究领域转移方面。限于篇幅，仅简单介绍前4任主任。

第1任主任：麦克斯韦（1831～1879），是对20世纪物理学影响最大的19世纪物理学家，预言了电磁波，光的电磁说的奠基者。其在物理学史上的地位堪与牛顿、爱因斯坦齐名。这一时期，实验室的主要研究领域为分子运动论和电磁学。 1773年年底前，亨利•卡文迪许完成了一系列的静电实验。可是他没有把写成的论文发表。直到100年之后，麦克斯韦当上了卡文迪什实验室主任后，发现和整理了卡文迪许的实验论文，以《尊敬的亨利•卡文迪许的电学研究》的书名于1879年出版。麦克斯韦指出：“这些论文证明卡文迪许几乎预料到电学上所有的伟大事实，这些伟大事实后来通过库仑和法国哲学家们的著作而闻名于科学界。”

第2任主任：瑞利男爵（1842～1919），1904年诺贝尔物理学奖获得者。这一时期，实验室的主要研究领域为电学、磁学和气体密度的研究。主要成果是对电学标准单位的精确测定。

第3任主任：汤姆逊（1856～1940），电子的发现者，1906年诺贝尔物理学奖获得者。这一时期，实验室的主要研究领域为气体放电和辐射研究。

第4任主任：卢瑟福（1871～1937），原子核式模型提出者。1908年诺贝尔化学奖获得者。在科学史上可与牛顿、法拉第比肩。这一时期，实验室主要研究领域为核物理学。发现人工核嬗变、中子、正电子和核聚变。

5．结语

（1）亨利•卡文迪许测定万有引力常量G的实验，是在他的私人实验室里做的。

（2）卡文迪什实验室主要是由第7代德文郡公爵威廉•卡文迪什出资建造的，是以卡文迪什家族命名的，落成于1874年，此时亨利•卡文迪许已去世64年。

（3）现在的卡文迪什实验室已为新址，距旧址约1.5km。高中课本上的照片是实验室新址的照片。

参考文献：

1．赵万里。现代“炼金术”的兴起：卡文迪什学派。武汉：武汉出版社．2002．

2．束炳如等．物理学家传．长沙：湖南教育出版社，1985．

3．赫拉莫夫编著，梁宝洪编译．世界物理学家词典．长沙：湖南教育出版社，1988．

发布时间：2010/3/26 上午9:34:07  阅读次数：10949