经济文化

最博学的富豪

“书到用时方恨少。”仔细品味这一富有哲理的话不难发现一个道理:知识是无限的,要想“用时少恨”就必须多学习知识,用以充实自己的头脑。知识是无限的,而一个人的知识是有限的,我们要把有限的生命投入到无限的学习中去。一个人如果在他的一生中坚持不懈地学习、学习、再学习,那么他的知识水平就会不断提高,不断完善,最终成为对社会有用的人才。

最富有的学者 最博学的富豪

18世纪后半期,英国首都伦敦的街头经常出现一个“怪人”。他穿着一件古怪而过时的衣服,身后总是跟着一群起哄的小孩。这个怪人就是后来鼎鼎大名的科学家亨利•卡文迪什(Henry Cavendish(1731 法国尼斯-1810 英国伦敦)。

其实,卡文迪什并不怪,只是由于热爱科学,专心致志研究科学,对别的事情一点也不注意罢了。据说卡文迪什很有素养,但没有当时英国的那种绅士派头。他不修边幅,几乎没有一件衣服是不掉扣子的。卡文迪不好交际,沉默寡言,对慕名来访的客人常常一言不发陪坐在旁,脑中想着科学问题,使一些帮闲文人尴尬扫兴。有一次卡文迪什出席宴会,一位奥地利来的科学家当面奉承卡文迪许几句,他听了起初大为忸怩,继而手足无措,终于坐不住站了起来,冲出室外径自坐上马车回家了。

据记载,卡文迪什长年穿着一件褪色的天鹅绒大衣,戴当时已经少见的三角帽,性格独特,说话显得犹豫和困难,而面对女士和陌生人会很羞涩而避免和他们说话。他终生未婚,过着奇特的隐居生活。但他非常喜欢独自沉思,甚至很少和自己的仆人见面,一般只会在桌子上留下字条说明自己晚餐要吃什么,常常是“一只羊腿”。 他对没有研究透彻的东西从不发表,所以尽管他一生只提交过不足20篇论文,却获得了皇家学会成员的一致尊重。

卡文迪什为了搞科学研究,把客厅改作实验室,在卧室的床边放着许多观察仪器,以便随时观察天象。卡文迪许酷爱图书,把自己收藏的大量图书分门别类地编上号,管理得井井有序。他在自己家里建立了实验室和图书馆,随便什么人都可以向他借书,只要办一个手续,按时归还。有趣的是,他自己借书也要按规定写借条。

他从祖上接受了大笔遗产,成为百万富翁。由于其家庭地位和父母留给他的大量财产,使得他曾是伦敦银行的最大储户,但他心思专注在科学研究中,对于财产,他几十年都只让投资顾问买一种股票,不论涨跌。他的一名投资顾问建议他向另一股票投资,卡文迪什以平生罕见的大怒告知对方:“不要拿这些事情来烦我,否则我就解雇你”。不过他一点也不吝啬。有一次他的一个仆人因病生活发生困难,向他借钱,他毫不犹豫地开了一张一万英镑的支票,还问够不够用。

卡文迪什可算是一位活到老、干到老的学者,直到79岁高龄、逝世前夜还在做实验。卡文迪什一生获得过不少外号,有“科学怪人”,“科学巨擘”。法国科学家biot曾说:“卡文迪什是有学问的人中最富有的,也很有可能是富有的人中最有学问的。”故被人称为“最富有的学者,最博学的富豪”。1810年卡文迪许逝世后,他的侄子齐治把卡文迪许遗留下的20捆实验笔记完好地放进了书橱里,谁也没有去动它。谁知手稿在书橱里一放竟是60年,进到了1871年,另一位电学大师麦克斯韦应聘担任剑桥大学教授并负责筹建卡文迪什实验室时,这些充满智慧和心血的笔记获得了重返人间的机会。

麦克斯韦仔细阅读了前辈在100年前的手搞,不由大惊失色,连声叹服说:“卡文迪什也许是有史以来最伟大的实验物理学家,他几乎预料到电学上的所有伟大事实。这些事实后来通过库仑和法国哲学家的著作闻名于世。”此后麦克韦决定搁下自己的一些研究课题,呕心沥血地整理这些手稿,使卡文迪什的光辉思想流传了下来。这真可谓一本名著,两代风流,不啻是科学史上的一段佳话。

秤地球重量

从年轻时候起,卡文迪什就为自己选定了个著名的难题:“称”出地球的质量!这个问题曾经难坏了多少科学家。的确,人生活在地球上,要想像称东西那样称出地球的质量来,真是不可思议的难题。怎么办呢?有的科学家提出计算的办法。当时人们已经知道地球的体积是1,08 x 1021立方米,再求出构成地球物质的密度,利用质量=密度x体积,不就可以解决了吗?

这个想法看上去是合理的,但科学家们很快发现,这是不可能实现的。因为构成地球各部分物质的密度不同,在整个地球中所占的比例也不同,根本无法知道整个地球的平均密度是多少。所以早在17世纪,就有一些权威断言说:人类永远不会知道地球的质量!

17世纪末年,英国科学家牛顿发现了万有引力定律。牛顿和很多科学家都发现,利用万有引力的公式可以求出地球的质量来。这需要几个数值:一个是地球对一个已知质量的物体的吸引力,实际上就是物体受到的重力,这很容易测得;一个是地球和物体的距离,这可以用地球的半径代替;另一个关键数值叫“万有引力常数”,这个数值虽然当时还不知道,但可以从在地面上直接测量两个已知质量物体之间的引力而求出来。

牛顿称量地球的方法,原理是完全正确的,他使用的是“间接测量法”,这种方法和中国古代“曹冲称象”的故事里说的曹冲称出大象的质量的方法很相似,只不过曹冲称象利用的是物体浮力定律,而牛顿利用万有引力定律。牛顿测出地球和一个已知物体之间的引力,从而计算出地球的质量来。可惜,“万有引力常数”数值极其微小,测量起来十分困难,牛顿精心设计了好几个实验,想直接测出两个物体之间的引力来。可是他失败了。他还发现,一般的物体之间的引力非常非常微小,以至根本测量不出来。牛顿失望了,他曾当众宣布:想利用测量引力来计算地球质量的努力,将是徒劳的!

牛顿去世以后,还有一些科学家继续研究这个问题。1750年法国科学家布格尔来到南美洲的厄瓜多尔,爬上了陡峭的琴玻拉错山顶,沿着悬崖吊下一根垂线,线的下面拴着一个铅球。他想先测量出垂线因受到山的引力而偏离的距离,再根据山的密度和体积算出山的质量,进一步求出“万有引力常数”来。可是,由于引力实在太小,铅垂线偏离的距离几乎量不出来,即使量出来也很不精确,实验仍然没有成功。

一次又一次实验的失败,使称量地球成了无法攻克的著名难题,一个物理学上的禁区。引力被“放大”了,在攀登科学高峰的崎岖小路上,有的人摔倒了,有的人退缩了。但也有人在勇敢地继续向上攀登,卡文迪什就是其中的一个。

从十几岁开始,卡文迪什就开始研究这个问题,他仔细分析了前人失败的原因,认为主要是由于实验方法既不方便,又很不精确。他决心设计出一种新的实验。

1750年的一天,卡文迪什听到一个消息:剑桥大学有位名叫约翰•米歇尔的科学家,他在研究磁力的时候,使用了一种巧妙的方法可以观察到很小的力的变化,卡文迪什立刻赶去向他请教。米歇尔向卡文迪什介绍了实验的方法:他用一根石英丝把一块条形磁铁横吊起来,然后用另一块磁铁去吸引它,这时石英丝就发生扭转,磁引力的大小就清楚地看出来了。

卡文迪什受到了很大启发。他想,能不能用这个方法测出两个物体之间的微弱引力呢?他一回到实验室,立刻仿制了一套装置:在一根细长杆的两端各安上一个小铅球,做成一个像哑铃似的东西;再用一根石英丝把这个“哑铃”横吊起来。他想,如果用两个大一些的铅球分别移近两个小铅球,由于铅球之间存在引力,“哑铃”一定会发生摆动,石英丝也会随着扭动。这时候,只要测出石英丝扭转的程度,就可以进一步求出引力了。从理论上分析,这个设想是成立的。可是卡文迪什实验了许多次,都没有成功。原因在哪里呢?还是由于引力实在太微弱了。

现在我们知道,两个1千克重的铅球在相距10厘米的时候,它们之间的相互引力只有百万分之一克。这么微小的力,得需要多么精密的仪器才能测量出来呀!卡文迪什受到当时条件的限制,几乎完全靠肉眼观察来确定石英丝的变化,的确太困难了。卡文迪什陷入了长期的苦思。他想,在实验的时候,石英丝肯定发生了扭转,只是程度极其微小,不易觉察出来就是了。能不能把这肉眼发现不了的扭转加以放大,使它变得显著一些呢?科学上的重大发明往往离不开设计出一种巧妙的研究方法。卡文迪什正是这样花了很长时间专心思考,可一直没有想出满意的方法。

这一天,他到皇家学会去开会。走在半路上看到几个小孩子正在作一种有趣的游戏:他们每人手里拿着一面小镜子,用来反射太阳光,互相照着玩。小镜只要稍一转动,远处光点的位置就发生很大变化。

“真有意思!”看着那些活泼的孩子,卡文迪什想。忽然有一个念头闪过他的脑海,他掉头跑回实验室,对自己的实验装置进行了一番革新。他把一面小镜子固定在石英丝上,用一束光线去照射它。光线被小镜子反射过来,射在一根刻度尺上。这样,只要石英丝有一点极小的扭动,反射光就会在刻度尺上明显地表示出来。扭动被放大了!实验的灵敏度大大提高了,这就是著名的“扭秤”实验法。

卡文迪什抑制住内心的兴奋,1798年他终于测出了“万有引力常数”的数值,并且进一步算出了地球的质量。

这是一个大得令人吃惊的数字:5,976 x 1024公斤,也就是约60万亿亿吨!不久太阳的质量也用相同的方法测量出来,是地球质量的33万倍,为2 x 1030公斤。测出地球质量以后,地球的平均密度就求出来了——5,52公斤/升。可是地球表面密度仅为2,5-3公斤/升,这样就可以推算出地球中心的密度高达7-8公斤/升。由于卡文迪评测定了万有引力常数,有力地推动了科学的发展,人们把他誉为“第一个称地球的人”。

除此之外,卡文迪在物理和化学上还有许多其他贡献。比如他发现水是由氧和氢组成,发现空气的组成成分,并进一步研究氧和氮的性质。

他的名字,他的贡献,他那勇于探索、大胆实验、不怕困难的精神,不断进行科学的实验的态度,都被载入了科学发展的史册。从卡文迪许一生我们可以领悟到很多东西,其中重要一点,就是:学习永远不会结束!