孫婧涵 尹曉冬

(首都師范大學物理系 北京 100048)

喬治·威廉·利赫曼(Georg Wilhelm Richmann，1711-07-22-1753-08-06)，俄羅斯帝國時期擁有德國人血統(tǒng)的物理學家.1752年，富蘭克林在費城進行了電風箏實驗，證明了閃電和靜電的統(tǒng)一性，這一事件被后人廣為流傳.但是一年后，利赫曼卻在研究雷電時不幸身亡，導致人們往往忽略了他的學術貢獻.實際上，利赫曼對物理學有著深入的研究并取得了一定的成就.截止到1745年，利赫曼是第一個在俄羅斯進行電學研究的人，是世界上第一個制成驗電器的人[1].美國物理學家海爾布倫(J. L. Heibron)說,“利赫曼比利赫曼之死更應該被更多的人知道.”[1]

1 人物生平

利赫曼是威廉·利赫曼(Wilhelm Richman)的遺腹子.威廉·利赫曼是生活在瑞典政府統(tǒng)治下的德國人，他曾擔任過瑞典國王的財務主管一職.18世紀初，彼得大帝率兵攻打瑞典，威廉·利赫曼逃到了波爾瑙(Pernau).1710年，他死于瘟疫.1711年利赫曼出生后不久，這里就成為了俄國人的地盤.利赫曼在塔林(Tallinn)接受了早期教育，隨后進入德國的哈雷大學(University of Halle)和耶拿大學(University of Jena)攻讀學位.在耶拿大學，他跟隨洪堡(Georg Erhard Hamberger，1679-1755)*洪堡(Georg Erhard Hamberger，1679-1755)：德國醫(yī)學、外科和植物學教授.洪堡出生在耶拿，并于1721年在耶拿大學獲得了醫(yī)學博士學位.他研究過呼吸生理學，撰寫過生理學教科書.他的著作包括對引力和氣體上升的研究.學習數學和物理.洪堡雖然是個醫(yī)學教授，但是他樂于用笛卡爾的思想研究物理學，并積極尋找他所謂的“自然規(guī)律”以及可測量的物理量之間的關系.

1735年，利赫曼前往圣彼得堡擔任當時俄國權高位重的外交部長奧斯特曼(A.I. Osterman)的兒子的導師，同時在圣彼得堡大學繼續(xù)他的研究.在那里，他又跟隨數學家克拉夫(Georg Wolfgang Krafft，1701-1754)*克拉夫(Georg Wolfgang Krafft，1701-1754)：數學家和物理學家，瑞士數學家萊昂哈德·歐拉的弟子之一.1733年，歐拉成為圣彼得堡大學的數學教授，克拉夫接手了歐拉之前物理學教授的位置.學習.1739年，利赫曼憑借優(yōu)異的成績和良好的聲譽，獲得了以普通學生的身份參加圣彼得堡科學院的會議的殊榮.也正是這件事使他成為了該學院的一員.1741年，他被稱為“非凡的物理學教授”(Ordinary Professor)[2]，并于4年后接手了克拉夫的位置.

利赫曼的主要研究領域是熱學和電學，并且在這兩個領域均有所成就，特別是電學.1745年，他自制了世界上第一個驗電器，隨后便利用自己的驗電器進行了很多電學實驗.1753年7月26日，利赫曼在觀察雷電對實驗儀器產生的影響時被雷電擊中身亡，結束了他短暫的一生.

利赫曼有一位不得不提的摯友，那就是俄國科學家羅蒙諾索夫(Mikhail Lomonosov，1711-1765).他創(chuàng)辦第一個化學實驗室時，得到了利赫曼的支持，兩人一見如故，從此建立了長久的友誼.他們都對科學充滿熱情，志趣相投.羅蒙諾索夫被人誣陷遭到監(jiān)禁時，利赫曼常常前去探望，告知外面的消息.在利赫曼的幫助下，羅蒙諾索夫不僅被釋放，而且開設了實驗化學課.利赫曼既是他的學生，在實驗研究時也是他的同事.此外，受利赫曼的影響，羅蒙諾索夫也在家中安裝了觀察雷電的裝置[3].

利赫曼的一生共有6個孩子，可惜其中3個死在了他的前面，另外的兩兒一女健康地活了下來[4].

2 科學成就

2.1 熱學

利赫曼的第一個重要工作與熱學有關.他測定了T1溫度下質量為m1的水與T2溫度下質量為m2的水混合后的溫度T.在此之前，克拉夫已經通過實驗得到了一個公式

這一結果與利赫曼得到的測量結果不一致.利赫曼堅定地認為，華氏溫度計是近似線性的，且水的比熱幾乎不隨溫度改變.于是他得到的公式是

隨著越來越多的人通過實驗得到了和利赫曼一樣的公式，證實利赫曼得到的結論是正確的.隨后，他研究了物體在加熱、冷卻和蒸發(fā)時的速率與它自身性質的關系.此外，在研究物體的溫度與周圍空氣之間的差異時，他成功地證實了牛頓冷卻定律，并且采用與其他物理學家不同的方法證明了熱增益或熱損失與密度、彈性和硬度無明顯關系.這些事并沒有使利赫曼變得出名，但是他嚴謹的工作態(tài)度以及良好的物理直覺為他今后在電學上的研究打下了很好的基礎.他說：“整個(熱學)工作清楚地表明，物理學應盡一切努力避免數學抽象，并盡可能注意個例中的每一個情況……如果我們能準確地確定物體的性質，我們才可以合理地確定其他真理.”[2]

2.2 電學

雖然利赫曼對其他科目也有興趣，但是唯一能讓他持續(xù)關注的是電學.他將關注點放在了制作驗電器和觀察雷電上.也正是在這兩個方面，他做了開創(chuàng)性的貢獻.

從1745年起，利赫曼就開始了電學研究.他首先試圖和另外一些研究員重復前人做過的實驗，在這個過程中他很快認識到對測量儀器的需要.于是同年，他自制了驗電器.盡管這個驗電器還有很多不足之處，但是它足夠進行一些重要的實驗，遠超過許多同時代的研究發(fā)明.1751年，利赫曼有幸得到了一份《電學的試驗和觀察》③*③ 英文名稱：《Experiments and Observations on Electricity》，該書成于18世紀中葉，由本杰明·富蘭克林的信件組成.富蘭克林寫信給倫敦皇家學會的科學家，告訴他們自己在電學上的實驗和發(fā)現.感興趣的科學家將信件送到了印刷廠.第一批信件在1751年出版成90頁的小冊子.隨后，又對內容進行了新增和補充，于1769年出版了多達496頁的完整版.該書一出版就在全世界廣受歡迎，被認為是18世紀美國最重要的科學著作.由于利赫曼于1753年就去世了，所以他看到的應該是1751年的版本..這是富蘭克林寫給倫敦皇家學會的信件集，里面記錄了他在電學上的發(fā)現以及做過的電學實驗.這本書對利赫曼堅持研究電學有一定的幫助.他不僅重復了富蘭克林的實驗，還指出了一些錯誤，由此他也打算制作一臺更為精密的儀器.

此外，富蘭克林關于雷電的研究也引起了利赫曼極大的興趣.盡管他十分清楚雷電的危險，但是他還是在家中自制了探測雷電的裝置.他曾寫過這樣一段話：“恐懼閃電是很自然的，只有當人們了解如何避免雷擊時，他們才會克服恐懼.當然，這還需要許多觀察和實驗.”[2]

1753年，利赫曼利用自制的驗電器發(fā)現了一個有趣的現象.圖1中展示了這套裝置，它是由中間的萊頓瓶和左右兩邊基本相同的指示計組成.指示計構造以圖中左側為例，KL是一段金屬棒，L端與固定在萊頓瓶內的鐵棒Z端相連.OQ是一個裝有金屬屑的玻璃瓶，其內部插著與KL相連的金屬絲.OP是長約一英尺半的含鉛亞麻線，其一端系在金屬絲上，另一端自然下垂.RX部分是一個扇形面有刻度的象限儀.右側指示計與左側指示計唯一的區(qū)別就在于M端連接的是萊頓瓶外殼金屬.當充滿電的萊頓瓶接在指示計上時，亞麻線OP和ST就會因帶電而抬起一定的高度，從而通過象限儀粗略估計帶電荷量大小.利赫曼發(fā)現：如果在這樣的情況下用手觸碰金屬棒MN，則亞麻線ST與豎直方向張角變小，而亞麻線OP與豎直方向的張角反而變大.如果用手觸碰的是金屬棒KL，則結果正好反過來[1].

圖中展示了觸摸MN后的情況

雖然利赫曼只是觀察到實驗現象，沒有給出合理解釋，但是現在我們已經能很好地說明原因了.萊頓瓶內的金屬棒與瓶外的金屬殼帶有等量異種電荷.剛開始接觸左右指示計時，由于左右兩邊帶電，亞麻線均與豎直方向成一定角度.如果觸摸右邊的金屬棒MN，則該邊的電荷就與大地中和了.而左邊的異種電荷仍然存在.這些電荷一方面不再受金屬殼吸引，分布變得相對均勻，使得亞麻線OP處的電荷增加，張角變大；另一方面，它會對金屬殼有感應作用，從而產生感應電荷，這些少量的感應電荷使亞麻線ST與豎直方向保持了一個小角度，而不是完全豎直.盡管利赫曼盡可能地減小了外界對實驗的影響，但是萊頓瓶本身的儲電能力就非常有限，含鉛亞麻線自重又比較大，一些無法克服的因素導致了儀器的不完美，未能在當時引起很大反響.不過也有人認為這個不完美的儀器是伏打起電盤的前身，它們唯一的區(qū)別就是產生電的方式[1].利赫曼的儀器依靠的是感應起電，而伏打起電盤利用的是摩擦起電.

3 利赫曼之死

利赫曼因遭受雷擊而死亡一事是師生都知道的事情，但是他究竟如何研究雷電的,他是如何死于雷電的,當時的人們對他的死有何反應等等這些過程都鮮為人知.為了更好地敘述這一過程，下面首先介紹利赫曼研究雷電的裝置.

利赫曼將驗電器改造后用于研究雷電.圖2展示的是改造后的儀器[5]，圖3展示的是利赫曼的家，關鍵位置已用小寫英文字母表示出來[5].

圖2 利赫曼改裝后用于研究雷電的驗電器

圖3 利赫曼的家的俯視圖

利赫曼拆下了i處房頂的一片瓦，再將一個玻璃瓶放在開口處并借助鄰近的瓦片支撐.他在玻璃瓶底部鉆了一個小孔，然后將一根鐵桿穿過瓶子，并用瓶口的軟木塞固定.鐵桿露出房頂的長度約有四五英尺，而通過瓶底伸進屋子里的一端則與一根長長的鐵鏈相連接，這樣就保證了鐵桿本身沒有接觸房子的任何部分，鐵桿接收到的雷電會全部轉移到鐵鏈上.鐵鏈經過h處到達放有實驗裝置的b處，接在圖2中右側金屬絲BC的B端.驗電器唯一改造的地方正是這里，原本右側是金屬棒，現在為了將雷電引到儀器上，所以將金屬棒改為了鐵鏈.利用這個復雜的裝置，利赫曼發(fā)現：當鐵桿受到雷擊時，亞麻線遠遠偏離垂直方向，角度能達到55°；而人為起電時最大角度也超不過30°[5].也就是說，雷電所帶電荷量遠大于當時人為起電所能產生的電荷量.

1753年5月31日，利赫曼甚至還觀察到了由于雷電引起的爆炸，爆炸的聲音在離儀器3個房間遠處都可以聽到[5].這次危險的經歷并沒有讓利赫曼感到害怕，他對電學實驗的熱愛近乎瘋狂.

1753年7月26日下午，利赫曼正在參加圣彼得學院的日常會議.這時天空開始打雷.利赫曼當然不會放棄這個機會，于是他帶著好友——圣彼得堡皇家科學院的雕刻師索科洛夫一起回家觀察雷電對實驗裝置的影響.索科洛夫一直對利赫曼的實驗非常感興趣.圖4展示的是事發(fā)現場[5].

圖4 利赫曼的家的局部圖

當時利赫曼正站在h處彎腰附身觀察g處的裝置，索科洛夫則站在m處觀察.據索科洛夫回憶，就在事發(fā)前，利赫曼還向他說明了雷電的危險，并告訴他儀器可以將雷電的電荷量放大45倍之多.沒多久后不幸的事情就發(fā)生了.利赫曼正將頭靠近儀器觀察電荷量大小時，一個藍色的火球突然出現在利赫曼和儀器之間.與此同時，索科洛夫也全身麻木，昏倒過去，當時的情景如圖5所示[6].當索科洛夫恢復意識后，他趕緊跑到大街上告訴每一個人：雷電跑到利赫曼家里去了.利赫曼的妻子聽到巨大的雷聲后也趕緊跑到利赫曼的屋里.她看到丈夫坐在靠墻的箱子上，已經失去了意識.與此同時，她聞到屋里有一股像火藥爆炸后的硫磺味.整個房子都遭到了破壞.圖3中f處掛著一個鐘表，它在強烈的震動下損壞了；g處壁爐里的灰濺得滿屋都是；c處的門也受到了嚴重破壞，甚至有些碎片被震到了h處通往房頂的樓梯上[4].不幸的消息很快傳遍大街小巷，警察也立刻趕到利赫曼的家拉起警戒.同樣在家中觀察雷電現象的羅蒙諾索夫也趕到利赫曼家中，他看到利赫曼的家人嚎啕大哭，而利赫曼臉色蒼白，已經沒有了呼吸[3].人們兩次搶救利赫曼，但是都沒有成功.他們首先通過用力擦熱皮膚來恢復他的意識，然后將其身體倒過來.盡管有少量的血從他的口中流出來，但是他沒能醒來.利赫曼的腦門有一個紅斑，全身布滿了藍色的斑點，尤其是后背，就好像“被燒過而收縮了的皮革”，左腳的鞋被撐爆了，除此之外沒有明顯的外傷.由此人們推斷，雷電或許是從頭部進入，又從左腳流出進入大地的.24小時后，利赫曼的尸體被解剖了.他的頭骨并沒有裂縫，但是大腦有些淤血.他的背部有大量淤血，導致此時看起來已經呈棕黑色.除了肺部也有少量淤血外，其他內臟都很健康.48小時后，利赫曼的尸體已經嚴重腐爛，很難再辨認.他被安葬時，去了很多送葬者[4].

圖5 利赫曼在觀察儀器時被雷電擊中，索科洛夫也被擊暈

4 結束語

利赫曼的一生雖然短暫，但是他始終專注于科學事業(yè)，并做出了開創(chuàng)性的貢獻.

利赫曼青年時期就是個品學兼優(yōu)的好學生，并跟隨當時有名的科學家學習.自1735年進入圣彼得堡大學開始進一步學術研究以來，他刻苦努力，用短短7年時間成為物理學教授，并在熱學領域有獨創(chuàng)性工作.在隨后的電學研究中，他成為了當時該領域的佼佼者，更是自制驗電器的第一人.利赫曼利用他的驗電器進行了許多實驗，并發(fā)現了與電荷有關的

有趣現象.雖然利赫曼不是最先研究雷電的人，但是他是最癡迷于研究雷電的人.他這套研究雷電的裝置不僅吸引了羅蒙諾索夫的注意，使羅蒙諾索夫也在家中制作了相同的裝置，而且還得到了雕刻師索科洛夫的關注.

利赫曼在學術上勤奮刻苦、嚴謹認真，生活中的他還有為人正直、待人誠懇、處事冷靜的好品質.據羅蒙諾索夫回憶，利赫曼的死是利赫曼家中的一個女傭哭著跑到他家告訴他的，可見利赫曼對周圍的人都非常友善.利赫曼被安葬時有大批送葬者也證明了這一點.

利赫曼為了研究雷電，不幸死亡，為科學獻身.他在物理學領域做出的貢獻，值得我們紀念.

1 Leonid N. Kryzhanovsky.Centaurus 1991,34(2): pp. 119～124

2 C. C. Gillispie ed. Dictionary of Scientific Biography. New York: Charles Scribner′s Sons, 1970-1980,11: 432～434

3 向洛，宋治.羅蒙諾索夫.上海：少年兒童出版社.1980.178～204

4 Philosophical Transactions of the Royal Society. An Account of the Death of Mr. George William Richmann, Professor of Experimental Philosophy, a Member of the Imperial Academy of Sciences at Petersburg. 1755,49: 61～69

5 Philosophical Transactions of the Royal Society. An Answer to Dr. Lining′s Query Relating to the Death of Professor Richman.1753,48:765～772

6 https://en.wikipedia.org/wiki/Georg_Wilhelm_Richm-ann