1784年(nian)左右,卡文迪(di)許(xu)研究了空(kong)氣的(de)組成,發現(xian)普通空(kong)氣中(zhong)氮氣占五(wu)(wu)分(fen)之四,氧氣占五(wu)(wu)分(fen)之一(yi)。他確定了水的(de)成分(fen),肯定了它(ta)不是(shi)元素而是(shi)化合(he)物。他還發現(xian)了硝酸。
卡(ka)文迪許生前在(zai)物(wu)理(li)學方(fang)面發(fa)(fa)(fa)表的(de)(de)論(lun)文為數極少,一直到麥克斯韋審閱整理(li)并出版了(le)他(ta)的(de)(de)手(shou)稿后,人們才(cai)知道(dao)他(ta)在(zai)電(dian)(dian)學方(fang)面作(zuo)出了(le)很(hen)多重(zhong)要發(fa)(fa)(fa)現。他(ta)發(fa)(fa)(fa)現一對電(dian)(dian)荷間的(de)(de)作(zuo)用力跟它們之(zhi)間的(de)(de)距離平方(fang)成反比(bi),這就(jiu)是后來庫(ku)侖導出的(de)(de)庫(ku)侖定律內(nei)容的(de)(de)一部分;他(ta)提(ti)出每個帶電(dian)(dian)體(ti)的(de)(de)周(zhou)圍有“電(dian)(dian)氣”,與(yu)電(dian)(dian)場理(li)論(lun)很(hen)接(jie)近;卡(ka)文迪許演示(shi)了(le)電(dian)(dian)容器的(de)(de)電(dian)(dian)容與(yu)插入平板中(zhong)的(de)(de)物(wu)質有關;電(dian)(dian)勢(shi)的(de)(de)概念(nian)也(ye)是卡(ka)文迪許首先提(ti)出的(de)(de),這對靜電(dian)(dian)理(li)論(lun)的(de)(de)發(fa)(fa)(fa)展(zhan)起(qi)了(le)重(zhong)要作(zuo)用;他(ta)還提(ti)出了(le)導體(ti)上的(de)(de)電(dian)(dian)勢(shi)與(yu)通過電(dian)(dian)流成正比(bi)的(de)(de)關系。
在牛頓發(fa)現萬(wan)有(you)引(yin)(yin)力定律之(zhi)后,他(ta)是測出引(yin)(yin)力常量的科學家。
卡文迪許測量地球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)密(mi)度(du)(du)是(shi)(shi)從求牛(niu)頓的(de)(de)萬(wan)有引(yin)力(li)定(ding)律中(zhong)的(de)(de)常(chang)數(shu)著手(shou),再推算出地球(qiu)(qiu)(qiu)密(mi)度(du)(du)。他(ta)的(de)(de)指導(dao)思想極其簡(jian)單,用兩個大(da)鉛(qian)球(qiu)(qiu)(qiu)使(shi)它(ta)們接近兩個小球(qiu)(qiu)(qiu)。從懸(xuan)掛小球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)金屬絲的(de)(de)扭轉角度(du)(du),測出這些球(qiu)(qiu)(qiu)之間(jian)的(de)(de)相(xiang)互引(yin)力(li)。根據萬(wan)有引(yin)力(li)定(ding)律,可求出常(chang)數(shu)G。根據卡文迪許的(de)(de)多(duo)次(ci)實驗,測算出地球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)平均(jun)密(mi)度(du)(du)是(shi)(shi)水密(mi)度(du)(du)的(de)(de)5.481倍(21世紀(ji)數(shu)值(zhi)為(wei)5.517,誤差(cha)為(wei)0.65253%左右),并(bing)確定(ding)了萬(wan)有引(yin)力(li)常(chang)數(shu)(他(ta)測得的(de)(de)引(yin)力(li)常(chang)數(shu)G是(shi)(shi)(6.754±0.041)×10N·m²/kg²,這個值(zhi)同現(xian)代(dai)值(zhi)(6.6732±0.0031×10N·m²/kg²,相(xiang)差(cha)無幾,計算出了地球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)質量。被譽為(wei)第一(yi)個稱量地球(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)人。
卡文(wen)迪許公開發(fa)表的(de)論(lun)文(wen)并不多,他沒有寫過一本書,在長長的(de)50年(nian)(nian)中,發(fa)表的(de)論(lun)文(wen)也(ye)只(zhi)有18篇。除了一篇在1771年(nian)(nian)發(fa)表的(de)論(lun)文(wen)是(shi)(shi)理(li)論(lun)性(xing)(xing)的(de)以外,其(qi)余的(de)論(lun)文(wen)內(nei)容(rong)都(dou)是(shi)(shi)實(shi)驗(yan)性(xing)(xing)和觀察性(xing)(xing)的(de),大部分是(shi)(shi)關于水槽化學(xue)方面的(de),先后發(fa)表在1766年(nian)(nian)到1788年(nian)(nian)的(de)英國皇家學(xue)會的(de)期刊(kan)上(shang)。
又(you)有(you)一(yi)部分(fen)是關于(yu)液(ye)態物質凝固點的(de)研究,發(fa)表于(yu)1783年(nian)到1788年(nian)。還有(you)一(yi)部分(fen)是有(you)關地球平(ping)均密度的(de)研究,發(fa)表于(yu)1798年(nian)。在(zai)(zai)他(ta)逝世(shi)(shi)以后,人們(men)發(fa)現他(ta)有(you)大量文(wen)稿,一(yi)直藏著未經公開發(fa)表。這部分(fen)未發(fa)表的(de)論文(wen)相當多,電學(xue)(xue)部分(fen)由(you)19世(shi)(shi)紀(ji)的(de)大物理(li)學(xue)(xue)家馬克(ke)斯(si)維(wei)爾門教授整(zheng)理(li)后在(zai)(zai)1879年(nian)出版,化學(xue)(xue)和力學(xue)(xue)部分(fen)是由(you)愛德華(hua).普索于(yu)1921年(nian)主編(bian)出版的(de)。
1784年(nian)左右他研(yan)究(jiu)了空氣的組(zu)成,他還(huan)發現了硝酸。
卡文迪(di)許(xu)(xu)在熱學(xue)理論、計(ji)(ji)溫(wen)學(xue)、氣象學(xue)、大地磁學(xue)等方(fang)面都(dou)有(you)研究。1798年(nian)他完成(cheng)最后(hou)的(de)實驗(yan)(yan)時(shi),已年(nian)近七十。在物理學(xue)上他最主要的(de)成(cheng)就是通過扭秤實驗(yan)(yan)驗(yan)(yan)證(zheng)(zheng)了牛頓的(de)萬有(you)引(yin)力(li)定(ding)(ding)律,確(que)定(ding)(ding)了引(yin)力(li)常數和地球平均密(mi)度。卡文迪(di)許(xu)(xu)驗(yan)(yan)證(zheng)(zheng)萬有(you)引(yin)力(li)定(ding)(ding)律的(de)實驗(yan)(yan)采用自己設計(ji)(ji)的(de)“扭秤”為(wei)工具,后(hou)人稱為(wei)著(zhu)名的(de)“卡文迪(di)許(xu)(xu)實驗(yan)(yan)”。
曾(ceng)經有(you)人(ren)說(shuo):“沒有(you)一(yi)(yi)個活到(dao)80歲的(de)人(ren),一(yi)(yi)生講的(de)話(hua)像(xiang)卡(ka)文(wen)(wen)迪許(xu)那樣(yang)少的(de)了。”在(zai)一(yi)(yi)本《化(hua)學(xue)史》書上,曾(ceng)舉出(chu)卡(ka)文(wen)(wen)迪許(xu)最(zui)怕交際(ji)的(de)一(yi)(yi)件事例。有(you)一(yi)(yi)天一(yi)(yi)位英國(guo)科(ke)學(xue)家(jia)攜同(tong)一(yi)(yi)位奧地利科(ke)學(xue)家(jia)到(dao)班(ban)克(ke)斯(si)爵士的(de)家(jia)里(li)做客(ke),正巧(qiao)卡(ka)文(wen)(wen)迪許(xu)也在(zai)座(zuo)。班(ban)克(ke)斯(si)便(bian)介紹他們(men)相識。在(zai)互相介紹時,班(ban)克(ke)斯(si)曾(ceng)對這位遠(yuan)客(ke)盛(sheng)贊(zan)卡(ka)文(wen)(wen)迪許(xu),而這位初見面的(de)客(ke)人(ren)更是對卡(ka)文(wen)(wen)迪許(xu)說(shuo)出(chu)非常敬(jing)仰他的(de)話(hua),并說(shuo)這次來倫敦的(de)最(zui)大(da)收獲,就是專程拜訪這位名震一(yi)(yi)時的(de)大(da)科(ke)學(xue)家(jia)。
卡文(wen)(wen)迪許聽(ting)到(dao)這話,起初大為(wei)忸怩,最后(hou)完全手足無措,便從人(ren)叢(cong)中沖(chong)出了室外,坐上他的(de)馬車(che)趕回家(jia)去了。從這段記載(zai)可以看出卡文(wen)(wen)迪許為(wei)人(ren)性格孤僻。卡文(wen)(wen)迪許離開劍橋大學后(hou),就(jiu)跟(gen)父(fu)親旁聽(ting)英國(guo)皇(huang)家(jia)學會的(de)會議(yi),每個星期四中午(wu),參加(jia)學會的(de)聚餐。到(dao)了1760年他被(bei)選為(wei)皇(huang)家(jia)學會會員(yuan)。一直到(dao)21世紀(ji),在英國(guo),凡是有FRS(Fellow of Royal Society即皇(huang)家(jia)學會會員(yuan))頭銜的(de)人(ren),還是受到(dao)人(ren)們(men)的(de)尊敬。
接(jie)下來他在1783年研究了(le)空氣的(de)組成(cheng)(cheng)成(cheng)(cheng)分,做了(le)很多(duo)試驗(yan),發表的(de)論文的(de)題目是“空氣試驗(yan)”。也(ye)就是這個時候,他發現水是由(you)氫和氧兩種元素(su)組成(cheng)(cheng)的(de)。
卡文迪許最(zui)后的(de)一(yi)項(xiang)研究,是(shi)(shi)(shi)關于地(di)球平均(jun)密(mi)度的(de)問(wen)題。他(ta)提出(chu)的(de)數字(zi)是(shi)(shi)(shi)5.448克(ke)/立方厘(li)米,公認的(de)是(shi)(shi)(shi)5.48克(ke)/立方厘(li)米。這說明當(dang)時試驗已(yi)經相當(dang)準確(que)。他(ta)還有一(yi)項(xiang)工作(zuo),是(shi)(shi)(shi)過了(le)100年以后,才得(de)到承認的(de),那就是(shi)(shi)(shi)關于稀有元素的(de)存(cun)在問(wen)題。
卡文迪許(xu),1731年出(chu)生在(zai)英國。他一(yi)生都(dou)在(zai)實驗室和圖書館中度過,在(zai)化學(xue)(xue)、熱學(xue)(xue) 、電學(xue)(xue)方面進行過許(xu)多(duo)實驗探索。但由于他對(dui)榮(rong)譽看得很輕,所(suo)以對(dui)于發表實驗結(jie)果以及得到發現優先權卻很少關心,致使其(qi)許(xu)多(duo)成果一(yi)直未(wei)被公開發表。直到19世紀中葉,人們才從他的(de)手稿(gao)中發現了一(yi)些(xie)極其(qi)珍貴的(de)資料,證實他對(dui)科學(xue)(xue)發展做出(chu)了巨大貢獻(xian)。
卡文迪許(xu)最為(wei)人稱道的(de)(de)(de)(de)(de)(de)科學貢獻,首先是他(ta)最早(zao)研究了電(dian)(dian)(dian)(dian)荷在導體(ti)(ti)上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)布(bu),并(bing)于1771年用(yong)類(lei)似(si)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)實驗對電(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)相互作用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)規律進(jin)行了說(shuo)明。他(ta)通過(guo)對靜電(dian)(dian)(dian)(dian)荷的(de)(de)(de)(de)(de)(de)測定(ding)研究,在1777年向皇家學會提(ti)出的(de)(de)(de)(de)(de)(de)報(bao)告中(zhong)說(shuo):“電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)吸(xi)引力(li)和排斥(chi)力(li)很可能反比于電(dian)(dian)(dian)(dian)荷間距離的(de)(de)(de)(de)(de)(de)平方。如果(guo)是這樣的(de)(de)(de)(de)(de)(de)話,那(nei)么物(wu)體(ti)(ti)中(zhong)多(duo)余(yu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)幾乎全(quan)部堆積在緊(jin)靠物(wu)體(ti)(ti)表面的(de)(de)(de)(de)(de)(de)地方。而(er)且這些電(dian)(dian)(dian)(dian)緊(jin)緊(jin)地壓在一起(qi),物(wu)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)其余(yu)部分(fen)處于中(zhong)性狀態。”與此同時,他(ta)還(huan)研究了電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)容(rong)(rong)量(liang);制造了一整套已知容(rong)(rong)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器(qi),并(bing)以(yi)此測定(ding)了各種儀(yi)器(qi)樣品(pin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)量(liang)。而(er)且預(yu)料到了不同物(wu)質的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)率,并(bing)測量(liang)了幾種物(wu)質的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)率,初步提(ti)出了“電(dian)(dian)(dian)(dian)勢(shi)”概(gai)念(nian)。
卡(ka)(ka)文(wen)迪許畢生致(zhi)力于(yu)科學研(yan)究,從事(shi)(shi)實驗研(yan)究達50年(nian)之久,性格孤僻,很少與外界來(lai)往。卡(ka)(ka)文(wen)迪許的(de)(de)(de)(de)(de)(de)主要貢獻有(you):1781年(nian)首先(xian)制(zhi)得(de)氫氣,并研(yan)究了(le)(le)其性質,用實驗證明它燃燒(shao)后生成水。但他(ta)曾把發現(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氫氣誤認為(wei)燃素,不(bu)能不(bu)說是一大(da)憾事(shi)(shi)。1785年(nian)卡(ka)(ka)文(wen)迪許在(zai)(zai)空氣中引(yin)(yin)入(ru)電(dian)(dian)火花的(de)(de)(de)(de)(de)(de)實驗使(shi)他(ta)發現(xian)了(le)(le)一種不(bu)活潑的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氣體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)存(cun)在(zai)(zai)。他(ta)在(zai)(zai)化(hua)學、熱學、電(dian)(dian)學、萬有(you)引(yin)(yin)力等方面進行過(guo)許多(duo)成功的(de)(de)(de)(de)(de)(de)實驗研(yan)究,但很少發表,過(guo)了(le)(le)一個世紀后,麥克(ke)斯(si)韋(wei)整理了(le)(le)他(ta)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)實驗論文(wen),并于(yu)1879年(nian)出版(ban)了(le)(le)名為(wei)《尊敬的(de)(de)(de)(de)(de)(de)亨利·卡(ka)(ka)文(wen)迪許的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)學研(yan)究》一書,此(ci)后人們才知道卡(ka)(ka)文(wen)迪許做了(le)(le)許多(duo)電(dian)(dian)學實驗。麥克(ke)斯(si)韋(wei)說:“這些論文(wen)證明卡(ka)(ka)文(wen)迪許幾乎預(yu)料到電(dian)(dian)學上(shang)所有(you)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)偉大(da)事(shi)(shi)實,這些偉大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)事(shi)(shi)實后來(lai)通過(guo)庫侖(lun)和法國(guo)哲學家們的(de)(de)(de)(de)(de)(de)著(zhu)作而聞(wen)名于(yu)科學界。”
早在(zai)(zai)(zai)庫侖之前,卡文迪許已(yi)經研(yan)究了電(dian)(dian)荷在(zai)(zai)(zai)導(dao)(dao)體上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)分布問題。1777年(nian),他向皇家學會提出報告(gao)說:“電(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)吸引力和排(pai)斥力很可能反(fan)比(bi)于電(dian)(dian)荷間(jian)距離的(de)(de)(de)(de)(de)(de)平方(fang)(fang),如果是這樣的(de)(de)(de)(de)(de)(de)話,那么物(wu)(wu)體中多余(yu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)幾乎全部堆(dui)積在(zai)(zai)(zai)緊靠物(wu)(wu)體表面的(de)(de)(de)(de)(de)(de)地方(fang)(fang),而(er)且(qie)這些電(dian)(dian)緊緊地壓在(zai)(zai)(zai)一起,物(wu)(wu)體的(de)(de)(de)(de)(de)(de)其余(yu)部分處于中性狀態。”他還(huan)通(tong)(tong)過實(shi)驗證明電(dian)(dian)荷之間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)作用力。他還(huan)早于法拉第用實(shi)驗證明電(dian)(dian)容器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)容取決于兩極(ji)板之間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)物(wu)(wu)質。他最早建立電(dian)(dian)勢概念,指出導(dao)(dao)體兩端的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)勢與通(tong)(tong)過它(ta)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)流(liu)(liu)成正比(bi)(歐(ou)姆定律在(zai)(zai)(zai)1827年(nian)才確(que)立)。當(dang)時還(huan)無法測量電(dian)(dian)流(liu)(liu)強度,據說他勇(yong)敢地用自(zi)己(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)身體當(dang)作測量儀器(qi),以從手(shou)指到手(shou)臂何處感到電(dian)(dian)振動來(lai)估計電(dian)(dian)流(liu)(liu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)強弱。
卡文(wen)迪許的(de)(de)(de)(de)重(zhong)大(da)貢獻之一(yi)是1789年完成了測(ce)量(liang)(liang)萬有(you)引(yin)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)扭秤實驗,后世稱為卡文(wen)迪許實驗。他改進了英(ying)(ying)(ying)國機(ji)械師米歇爾(er)(John Michell,1724~1793)設計(ji)的(de)(de)(de)(de)扭秤,在其(qi)懸線系統上附加小(xiao)平面鏡(jing),利用望遠鏡(jing)在室外遠距(ju)離操縱和(he)測(ce)量(liang)(liang),防止了空氣的(de)(de)(de)(de)擾(rao)動(dong)(當時還沒有(you)真空設備)。他用一(yi)根39英(ying)(ying)(ying)寸(cun)的(de)(de)(de)(de)鍍銀銅絲(si)吊一(yi)6英(ying)(ying)(ying)尺木(mu)桿,桿的(de)(de)(de)(de)兩端各固(gu)定(ding)一(yi)個(ge)直(zhi)徑2英(ying)(ying)(ying)寸(cun)的(de)(de)(de)(de)小(xiao)鉛球(qiu),另用兩顆直(zhi)徑12英(ying)(ying)(ying)寸(cun)的(de)(de)(de)(de)固(gu)定(ding)著的(de)(de)(de)(de)大(da)鉛球(qiu)吸引(yin)它們,測(ce)出(chu)鉛球(qiu)間引(yin)力(li)(li)(li)引(yin)起(qi)的(de)(de)(de)(de)擺動(dong)周期,由(you)此(ci)計(ji)算(suan)出(chu)兩個(ge)鉛球(qiu)的(de)(de)(de)(de)引(yin)力(li)(li)(li),由(you)計(ji)算(suan)得到(dao)的(de)(de)(de)(de)引(yin)力(li)(li)(li)再推(tui)算(suan)出(chu)地球(qiu)的(de)(de)(de)(de)質量(liang)(liang)和(he)密度。他算(suan)出(chu)的(de)(de)(de)(de)地球(qiu)密度為水(shui)密度的(de)(de)(de)(de)5.481倍(地球(qiu)密度的(de)(de)(de)(de)現代(dai)數(shu)值(zhi)為5.517g/cm3),由(you)此(ci)可推(tui)算(suan)出(chu)萬有(you)引(yin)力(li)(li)(li)常(chang)量(liang)(liang)G的(de)(de)(de)(de)數(shu)值(zhi)為 6.754×10N·m²/kg²;(現代(dai)值(zhi)前四(si)位數(shu)為6.672)。這一(yi)實驗的(de)(de)(de)(de)構思(si)、設計(ji)與操作十分精巧,英(ying)(ying)(ying)國物理學家J.H.坡(po)印廷(ting)曾對(dui)這個(ge)實驗下過這樣的(de)(de)(de)(de)評語(yu):“開(kai)創了弱力(li)(li)(li)測(ce)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)新時代(dai)”。
卡文迪許在1766年(nian)發(fa)表了(le)《論(lun)人(ren)工空氣(qi)》的(de)論(lun)文并(bing)獲皇家學會科普利(li)獎章(zhang)。他制出純(chun)氧,并(bing)確定了(le)空氣(qi)中氧、氮的(de)含量(liang),證(zheng)明(ming)水不(bu)是(shi)元素而(er)是(shi)化合物。他被稱為“化學中的(de)牛(niu)頓(dun)”。
卡(ka)文迪(di)(di)許(xu)一(yi)生(sheng)在自己(ji)的實驗室中工作,被稱為“最(zui)富有的學(xue)者,最(zui)有學(xue)問的富翁”。卡(ka)文迪(di)(di)許(xu)于(yu)公元1810年3月(yue)10日去世。