1784年(nian)左右,卡文迪許研(yan)究了(le)空氣(qi)的組成,發現(xian)普通空氣(qi)中氮氣(qi)占(zhan)五分之(zhi)四,氧氣(qi)占(zhan)五分之(zhi)一(yi)。他(ta)(ta)確定(ding)了(le)水的成分,肯定(ding)了(le)它不是元素(su)而是化合物(wu)。他(ta)(ta)還(huan)發現(xian)了(le)硝酸(suan)。
卡(ka)(ka)文迪許(xu)生前在物(wu)理(li)(li)學方面發(fa)(fa)表的(de)(de)(de)(de)論文為數極少,一(yi)直到(dao)麥克斯韋審閱整理(li)(li)并(bing)出版了(le)他(ta)(ta)的(de)(de)(de)(de)手稿(gao)后,人們才知道他(ta)(ta)在電(dian)(dian)(dian)學方面作出了(le)很(hen)多重(zhong)要發(fa)(fa)現。他(ta)(ta)發(fa)(fa)現一(yi)對電(dian)(dian)(dian)荷間(jian)的(de)(de)(de)(de)作用(yong)力跟它們之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)(de)距(ju)離平(ping)方成反比(bi)(bi),這就是后來庫侖導(dao)出的(de)(de)(de)(de)庫侖定(ding)律內(nei)容(rong)(rong)的(de)(de)(de)(de)一(yi)部分;他(ta)(ta)提出每個帶電(dian)(dian)(dian)體的(de)(de)(de)(de)周圍(wei)有“電(dian)(dian)(dian)氣”,與電(dian)(dian)(dian)場理(li)(li)論很(hen)接(jie)近(jin);卡(ka)(ka)文迪許(xu)演示了(le)電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器(qi)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)與插(cha)入平(ping)板中的(de)(de)(de)(de)物(wu)質(zhi)有關;電(dian)(dian)(dian)勢的(de)(de)(de)(de)概念(nian)也是卡(ka)(ka)文迪許(xu)首先提出的(de)(de)(de)(de),這對靜電(dian)(dian)(dian)理(li)(li)論的(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)起(qi)了(le)重(zhong)要作用(yong);他(ta)(ta)還提出了(le)導(dao)體上(shang)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)勢與通(tong)過電(dian)(dian)(dian)流(liu)成正比(bi)(bi)的(de)(de)(de)(de)關系。
在牛頓發現萬有(you)引力(li)(li)定律之后,他是測出(chu)引力(li)(li)常量的科學家。
卡(ka)文迪許測量(liang)地球(qiu)的(de)(de)(de)密度(du)(du)是從求牛頓(dun)的(de)(de)(de)萬有引(yin)力定律(lv)中的(de)(de)(de)常(chang)數著手,再推算出(chu)地球(qiu)密度(du)(du)。他(ta)的(de)(de)(de)指導思想(xiang)極其簡單,用兩個(ge)(ge)(ge)大鉛球(qiu)使它們接近兩個(ge)(ge)(ge)小(xiao)球(qiu)。從懸掛小(xiao)球(qiu)的(de)(de)(de)金屬絲(si)的(de)(de)(de)扭轉角度(du)(du),測出(chu)這些球(qiu)之間的(de)(de)(de)相(xiang)互引(yin)力。根據萬有引(yin)力定律(lv),可求出(chu)常(chang)數G。根據卡(ka)文迪許的(de)(de)(de)多次實驗,測算出(chu)地球(qiu)的(de)(de)(de)平均密度(du)(du)是水(shui)密度(du)(du)的(de)(de)(de)5.481倍(21世紀數值為5.517,誤差為0.65253%左(zuo)右(you)),并確(que)定了(le)萬有引(yin)力常(chang)數(他(ta)測得的(de)(de)(de)引(yin)力常(chang)數G是(6.754±0.041)×10N·m²/kg²,這個(ge)(ge)(ge)值同現代值(6.6732±0.0031×10N·m²/kg²,相(xiang)差無幾,計算出(chu)了(le)地球(qiu)的(de)(de)(de)質量(liang)。被譽為第一個(ge)(ge)(ge)稱量(liang)地球(qiu)的(de)(de)(de)人(ren)。
卡文(wen)迪許(xu)公開發表的(de)(de)(de)論(lun)文(wen)并不多,他沒(mei)有寫過一本(ben)書,在(zai)長長的(de)(de)(de)50年中,發表的(de)(de)(de)論(lun)文(wen)也(ye)只(zhi)有18篇。除了一篇在(zai)1771年發表的(de)(de)(de)論(lun)文(wen)是(shi)理論(lun)性的(de)(de)(de)以外(wai),其余(yu)的(de)(de)(de)論(lun)文(wen)內容都是(shi)實驗性和觀察性的(de)(de)(de),大部分(fen)是(shi)關于水槽化學(xue)方面的(de)(de)(de),先(xian)后發表在(zai)1766年到1788年的(de)(de)(de)英國皇家學(xue)會(hui)的(de)(de)(de)期(qi)刊上(shang)。
又有一部分(fen)(fen)是(shi)關于(yu)(yu)液態物質凝固點的(de)(de)研究(jiu),發(fa)表于(yu)(yu)1783年到1788年。還有一部分(fen)(fen)是(shi)有關地球平均密度的(de)(de)研究(jiu),發(fa)表于(yu)(yu)1798年。在他(ta)逝世(shi)以(yi)后(hou),人們發(fa)現(xian)他(ta)有大(da)量(liang)文稿,一直藏著未(wei)經公開發(fa)表。這部分(fen)(fen)未(wei)發(fa)表的(de)(de)論文相當多,電學(xue)(xue)部分(fen)(fen)由(you)19世(shi)紀的(de)(de)大(da)物理學(xue)(xue)家馬克斯(si)維爾(er)門教(jiao)授(shou)整理后(hou)在1879年出版,化學(xue)(xue)和力學(xue)(xue)部分(fen)(fen)是(shi)由(you)愛德(de)華.普索于(yu)(yu)1921年主編出版的(de)(de)。
1784年左右他研究了空氣的組成,他還發現了硝酸(suan)。
卡文(wen)迪許在(zai)熱學(xue)理論、計溫學(xue)、氣(qi)象(xiang)學(xue)、大地磁(ci)學(xue)等方面都有研究。1798年(nian)他完成最后的(de)(de)實驗(yan)時,已年(nian)近七十。在(zai)物(wu)理學(xue)上他最主要的(de)(de)成就(jiu)是通過(guo)扭秤實驗(yan)驗(yan)證(zheng)了(le)牛頓的(de)(de)萬有引(yin)力定律,確定了(le)引(yin)力常數和地球平均密度。卡文(wen)迪許驗(yan)證(zheng)萬有引(yin)力定律的(de)(de)實驗(yan)采用(yong)自(zi)己設計的(de)(de)“扭秤”為工具,后人稱為著名的(de)(de)“卡文(wen)迪許實驗(yan)”。
曾(ceng)經有人說(shuo):“沒(mei)有一(yi)(yi)個活到80歲的(de)(de)(de)人,一(yi)(yi)生講的(de)(de)(de)話像卡文(wen)迪(di)(di)許(xu)(xu)那(nei)樣少的(de)(de)(de)了。”在(zai)一(yi)(yi)本(ben)《化學史(shi)》書(shu)上,曾(ceng)舉出(chu)(chu)卡文(wen)迪(di)(di)許(xu)(xu)最怕交際的(de)(de)(de)一(yi)(yi)件事例。有一(yi)(yi)天一(yi)(yi)位(wei)英國科學家(jia)(jia)攜(xie)同(tong)一(yi)(yi)位(wei)奧(ao)地利科學家(jia)(jia)到班克斯(si)爵士的(de)(de)(de)家(jia)(jia)里做客,正巧卡文(wen)迪(di)(di)許(xu)(xu)也在(zai)座。班克斯(si)便介紹他們相識。在(zai)互(hu)相介紹時,班克斯(si)曾(ceng)對這(zhe)位(wei)遠客盛贊卡文(wen)迪(di)(di)許(xu)(xu),而這(zhe)位(wei)初見面的(de)(de)(de)客人更是對卡文(wen)迪(di)(di)許(xu)(xu)說(shuo)出(chu)(chu)非(fei)常敬仰他的(de)(de)(de)話,并說(shuo)這(zhe)次來(lai)倫敦的(de)(de)(de)最大(da)收獲,就(jiu)是專(zhuan)程拜訪這(zhe)位(wei)名震一(yi)(yi)時的(de)(de)(de)大(da)科學家(jia)(jia)。
卡文迪(di)許(xu)聽(ting)(ting)到(dao)這話(hua),起初大為(wei)忸(niu)怩,最(zui)后完全手足(zu)無措,便(bian)從人叢中沖出了室外,坐(zuo)上他(ta)的(de)(de)馬(ma)車趕回家去了。從這段記載可以(yi)看出卡文迪(di)許(xu)為(wei)人性格孤僻。卡文迪(di)許(xu)離(li)開劍橋(qiao)大學后,就跟父親旁聽(ting)(ting)英(ying)國皇家學會(hui)的(de)(de)會(hui)議,每個星期四中午,參(can)加學會(hui)的(de)(de)聚餐。到(dao)了1760年他(ta)被選為(wei)皇家學會(hui)會(hui)員。一直到(dao)21世(shi)紀,在英(ying)國,凡是有FRS(Fellow of Royal Society即皇家學會(hui)會(hui)員)頭銜的(de)(de)人,還是受到(dao)人們的(de)(de)尊敬。
接(jie)下來他(ta)在1783年研究了空氣的(de)(de)組(zu)成成分,做了很(hen)多試(shi)驗,發表的(de)(de)論文的(de)(de)題(ti)目是“空氣試(shi)驗”。也就是這個時(shi)候,他(ta)發現水是由氫和氧(yang)兩種元(yuan)素組(zu)成的(de)(de)。
卡文迪許最后的一(yi)項(xiang)研究(jiu),是(shi)關于地球平均密度的問題(ti)。他(ta)提出的數字是(shi)5.448克/立(li)方(fang)(fang)厘米,公(gong)認的是(shi)5.48克/立(li)方(fang)(fang)厘米。這說(shuo)明(ming)當時試驗已經相(xiang)當準確。他(ta)還(huan)有(you)一(yi)項(xiang)工作,是(shi)過了100年以后,才(cai)得到(dao)承認的,那就是(shi)關于稀有(you)元素(su)的存在(zai)問題(ti)。
卡文迪許,1731年出生在英國。他一生都(dou)在實(shi)驗(yan)室和圖書館中(zhong)度過(guo),在化(hua)學、熱學 、電學方面進(jin)行過(guo)許多實(shi)驗(yan)探索(suo)。但由(you)于(yu)他對榮譽看得很(hen)輕(qing),所(suo)以對于(yu)發(fa)(fa)表實(shi)驗(yan)結果以及得到(dao)發(fa)(fa)現(xian)優先權卻很(hen)少(shao)關心,致使其(qi)許多成(cheng)果一直(zhi)(zhi)未被公開發(fa)(fa)表。直(zhi)(zhi)到(dao)19世紀中(zhong)葉(xie),人(ren)們才從他的手稿中(zhong)發(fa)(fa)現(xian)了一些極其(qi)珍貴的資料(liao),證實(shi)他對科學發(fa)(fa)展(zhan)做出了巨大(da)貢獻。
卡文迪許最為人(ren)稱道的(de)(de)科學貢(gong)獻,首先(xian)是他(ta)最早研(yan)究(jiu)(jiu)了(le)(le)電荷(he)在(zai)導體上的(de)(de)分布,并(bing)于1771年(nian)用(yong)(yong)類似的(de)(de)實驗對電力相互作(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)規律進行(xing)了(le)(le)說(shuo)明。他(ta)通(tong)過對靜電荷(he)的(de)(de)測定研(yan)究(jiu)(jiu),在(zai)1777年(nian)向(xiang)皇家學會提出的(de)(de)報(bao)告中說(shuo):“電的(de)(de)吸引力和(he)排斥力很可能反比于電荷(he)間距離的(de)(de)平方。如(ru)果(guo)是這樣(yang)的(de)(de)話,那么(me)物(wu)體中多余(yu)的(de)(de)電幾(ji)乎全(quan)部堆積在(zai)緊靠物(wu)體表面的(de)(de)地方。而(er)且(qie)這些電緊緊地壓在(zai)一起,物(wu)體的(de)(de)其余(yu)部分處(chu)于中性(xing)狀態。”與此同時(shi),他(ta)還研(yan)究(jiu)(jiu)了(le)(le)電容器的(de)(de)容量(liang)(liang);制造了(le)(le)一整(zheng)套已知容量(liang)(liang)的(de)(de)電容器,并(bing)以此測定了(le)(le)各(ge)種儀器樣(yang)品的(de)(de)電容量(liang)(liang)。而(er)且(qie)預(yu)料到了(le)(le)不同物(wu)質的(de)(de)電容率(lv),并(bing)測量(liang)(liang)了(le)(le)幾(ji)種物(wu)質的(de)(de)電容率(lv),初步(bu)提出了(le)(le)“電勢”概念。
卡(ka)文迪(di)許(xu)(xu)畢生致(zhi)力(li)(li)于(yu)科學(xue)(xue)(xue)研(yan)究(jiu),從(cong)事(shi)實(shi)驗研(yan)究(jiu)達50年(nian)之久(jiu),性格孤僻,很(hen)少與外界來往。卡(ka)文迪(di)許(xu)(xu)的(de)(de)(de)(de)主要貢獻有:1781年(nian)首先制(zhi)得氫氣(qi),并(bing)研(yan)究(jiu)了(le)(le)(le)其性質(zhi),用實(shi)驗證(zheng)明它(ta)燃(ran)燒后生成水。但(dan)他(ta)曾把(ba)發(fa)現的(de)(de)(de)(de)氫氣(qi)誤(wu)認(ren)為燃(ran)素(su),不能(neng)不說是一大(da)(da)憾事(shi)。1785年(nian)卡(ka)文迪(di)許(xu)(xu)在(zai)(zai)空氣(qi)中引入(ru)電火花(hua)的(de)(de)(de)(de)實(shi)驗使他(ta)發(fa)現了(le)(le)(le)一種不活潑的(de)(de)(de)(de)氣(qi)體的(de)(de)(de)(de)存在(zai)(zai)。他(ta)在(zai)(zai)化學(xue)(xue)(xue)、熱學(xue)(xue)(xue)、電學(xue)(xue)(xue)、萬有引力(li)(li)等方面(mian)進行(xing)過(guo)許(xu)(xu)多(duo)成功的(de)(de)(de)(de)實(shi)驗研(yan)究(jiu),但(dan)很(hen)少發(fa)表,過(guo)了(le)(le)(le)一個(ge)世紀后,麥克斯韋(wei)(wei)整理了(le)(le)(le)他(ta)的(de)(de)(de)(de)實(shi)驗論文,并(bing)于(yu)1879年(nian)出版了(le)(le)(le)名為《尊敬的(de)(de)(de)(de)亨利·卡(ka)文迪(di)許(xu)(xu)的(de)(de)(de)(de)電學(xue)(xue)(xue)研(yan)究(jiu)》一書,此后人們(men)才知道卡(ka)文迪(di)許(xu)(xu)做了(le)(le)(le)許(xu)(xu)多(duo)電學(xue)(xue)(xue)實(shi)驗。麥克斯韋(wei)(wei)說:“這(zhe)(zhe)些論文證(zheng)明卡(ka)文迪(di)許(xu)(xu)幾乎(hu)預料到電學(xue)(xue)(xue)上所有的(de)(de)(de)(de)偉(wei)大(da)(da)事(shi)實(shi),這(zhe)(zhe)些偉(wei)大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)事(shi)實(shi)后來通過(guo)庫侖和法國哲學(xue)(xue)(xue)家(jia)們(men)的(de)(de)(de)(de)著作而聞(wen)名于(yu)科學(xue)(xue)(xue)界。”
早(zao)在庫侖(lun)之(zhi)前,卡文迪許已經研究了電(dian)(dian)荷(he)(he)在導體上(shang)的(de)(de)(de)分布問題。1777年(nian),他向(xiang)皇家學(xue)會(hui)提出報(bao)告說:“電(dian)(dian)的(de)(de)(de)吸引力和排(pai)斥力很可(ke)能反(fan)比(bi)于(yu)電(dian)(dian)荷(he)(he)間距離(li)的(de)(de)(de)平方,如(ru)果是這(zhe)(zhe)樣的(de)(de)(de)話,那么物(wu)體中多(duo)余的(de)(de)(de)電(dian)(dian)幾乎全部堆積在緊(jin)靠(kao)物(wu)體表(biao)面(mian)的(de)(de)(de)地(di)方,而且這(zhe)(zhe)些電(dian)(dian)緊(jin)緊(jin)地(di)壓(ya)在一起(qi),物(wu)體的(de)(de)(de)其余部分處于(yu)中性狀態。”他還(huan)通(tong)過實驗證明電(dian)(dian)荷(he)(he)之(zhi)間的(de)(de)(de)作用力。他還(huan)早(zao)于(yu)法(fa)拉(la)第(di)用實驗證明電(dian)(dian)容器的(de)(de)(de)電(dian)(dian)容取決于(yu)兩(liang)極板(ban)之(zhi)間的(de)(de)(de)物(wu)質。他最早(zao)建立(li)電(dian)(dian)勢(shi)概(gai)念,指出導體兩(liang)端的(de)(de)(de)電(dian)(dian)勢(shi)與(yu)通(tong)過它的(de)(de)(de)電(dian)(dian)流(liu)成正比(bi)(歐姆定律在1827年(nian)才確立(li))。當時還(huan)無法(fa)測量電(dian)(dian)流(liu)強度,據說他勇敢地(di)用自己的(de)(de)(de)身體當作測量儀器,以從手指到手臂何處感到電(dian)(dian)振動來估(gu)計電(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)(de)強弱。
卡(ka)文(wen)迪(di)許的(de)(de)(de)(de)重(zhong)大貢獻之一(yi)(yi)是(shi)1789年完成了(le)(le)測量(liang)(liang)(liang)萬有引(yin)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)扭(niu)秤(cheng)實(shi)(shi)驗(yan)(yan),后世(shi)稱(cheng)為(wei)卡(ka)文(wen)迪(di)許實(shi)(shi)驗(yan)(yan)。他(ta)改進了(le)(le)英(ying)(ying)國機械(xie)師米歇爾(John Michell,1724~1793)設(she)計(ji)的(de)(de)(de)(de)扭(niu)秤(cheng),在其懸線(xian)系統上(shang)附加小平面鏡,利(li)用(yong)望(wang)遠鏡在室(shi)外遠距(ju)離操(cao)縱和測量(liang)(liang)(liang),防(fang)止了(le)(le)空(kong)氣(qi)的(de)(de)(de)(de)擾動(dong)(dong)(當(dang)時還沒有真(zhen)空(kong)設(she)備)。他(ta)用(yong)一(yi)(yi)根39英(ying)(ying)寸的(de)(de)(de)(de)鍍銀銅絲吊一(yi)(yi)6英(ying)(ying)尺木桿,桿的(de)(de)(de)(de)兩端(duan)各固定一(yi)(yi)個(ge)直徑(jing)2英(ying)(ying)寸的(de)(de)(de)(de)小鉛球,另用(yong)兩顆直徑(jing)12英(ying)(ying)寸的(de)(de)(de)(de)固定著的(de)(de)(de)(de)大鉛球吸引(yin)它們,測出(chu)鉛球間引(yin)力(li)(li)(li)引(yin)起的(de)(de)(de)(de)擺動(dong)(dong)周期,由此計(ji)算(suan)(suan)出(chu)兩個(ge)鉛球的(de)(de)(de)(de)引(yin)力(li)(li)(li),由計(ji)算(suan)(suan)得到(dao)的(de)(de)(de)(de)引(yin)力(li)(li)(li)再推算(suan)(suan)出(chu)地球的(de)(de)(de)(de)質量(liang)(liang)(liang)和密度。他(ta)算(suan)(suan)出(chu)的(de)(de)(de)(de)地球密度為(wei)水密度的(de)(de)(de)(de)5.481倍(bei)(地球密度的(de)(de)(de)(de)現代數值為(wei)5.517g/cm3),由此可推算(suan)(suan)出(chu)萬有引(yin)力(li)(li)(li)常量(liang)(liang)(liang)G的(de)(de)(de)(de)數值為(wei) 6.754×10N·m²/kg²;(現代值前四位數為(wei)6.672)。這一(yi)(yi)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)的(de)(de)(de)(de)構(gou)思、設(she)計(ji)與操(cao)作十(shi)分精巧,英(ying)(ying)國物理學家J.H.坡(po)印(yin)廷(ting)曾對這個(ge)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)下過這樣的(de)(de)(de)(de)評(ping)語:“開創了(le)(le)弱力(li)(li)(li)測量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)新時代”。
卡文迪許(xu)在1766年(nian)發表了(le)(le)《論人工(gong)空氣》的論文并獲皇家(jia)學會科(ke)普(pu)利獎章。他制(zhi)出純氧(yang),并確定了(le)(le)空氣中(zhong)氧(yang)、氮(dan)的含量,證明水(shui)不是元素而(er)是化合物。他被稱為“化學中(zhong)的牛頓”。
卡文(wen)迪許一生在自己的(de)實(shi)驗室中工作,被稱為“最(zui)富(fu)有的(de)學(xue)者,最(zui)有學(xue)問的(de)富(fu)翁”。卡文(wen)迪許于公元1810年(nian)3月10日去世。