为科学献身的物理学家——利赫曼*

孙婧涵 尹晓冬

(首都师范大学物理系 北京 100048)

乔治·威廉·利赫曼(Georg Wilhelm Richmann，1711-07-22-1753-08-06)，俄罗斯帝国时期拥有德国人血统的物理学家.1752年，富兰克林在费城进行了电风筝实验，证明了闪电和静电的统一性，这一事件被后人广为流传.但是一年后，利赫曼却在研究雷电时不幸身亡，导致人们往往忽略了他的学术贡献.实际上，利赫曼对物理学有着深入的研究并取得了一定的成就.截止到1745年，利赫曼是第一个在俄罗斯进行电学研究的人，是世界上第一个制成验电器的人[1].美国物理学家海尔布伦(J. L. Heibron)说,“利赫曼比利赫曼之死更应该被更多的人知道.”[1]

1 人物生平

利赫曼是威廉·利赫曼(Wilhelm Richman)的遗腹子.威廉·利赫曼是生活在瑞典政府统治下的德国人，他曾担任过瑞典国王的财务主管一职.18世纪初，彼得大帝率兵攻打瑞典，威廉·利赫曼逃到了波尔瑙(Pernau).1710年，他死于瘟疫.1711年利赫曼出生后不久，这里就成为了俄国人的地盘.利赫曼在塔林(Tallinn)接受了早期教育，随后进入德国的哈雷大学(University of Halle)和耶拿大学(University of Jena)攻读学位.在耶拿大学，他跟随洪堡(Georg Erhard Hamberger，1679-1755)*洪堡(Georg Erhard Hamberger，1679-1755)：德国医学、外科和植物学教授.洪堡出生在耶拿，并于1721年在耶拿大学获得了医学博士学位.他研究过呼吸生理学，撰写过生理学教科书.他的著作包括对引力和气体上升的研究.学习数学和物理.洪堡虽然是个医学教授，但是他乐于用笛卡尔的思想研究物理学，并积极寻找他所谓的“自然规律”以及可测量的物理量之间的关系.

1735年，利赫曼前往圣彼得堡担任当时俄国权高位重的外交部长奥斯特曼(A.I. Osterman)的儿子的导师，同时在圣彼得堡大学继续他的研究.在那里，他又跟随数学家克拉夫(Georg Wolfgang Krafft，1701-1754)*克拉夫(Georg Wolfgang Krafft，1701-1754)：数学家和物理学家，瑞士数学家莱昂哈德·欧拉的弟子之一.1733年，欧拉成为圣彼得堡大学的数学教授，克拉夫接手了欧拉之前物理学教授的位置.学习.1739年，利赫曼凭借优异的成绩和良好的声誉，获得了以普通学生的身份参加圣彼得堡科学院的会议的殊荣.也正是这件事使他成为了该学院的一员.1741年，他被称为“非凡的物理学教授”(Ordinary Professor)[2]，并于4年后接手了克拉夫的位置.

利赫曼的主要研究领域是热学和电学，并且在这两个领域均有所成就，特别是电学.1745年，他自制了世界上第一个验电器，随后便利用自己的验电器进行了很多电学实验.1753年7月26日，利赫曼在观察雷电对实验仪器产生的影响时被雷电击中身亡，结束了他短暂的一生.

利赫曼有一位不得不提的挚友，那就是俄国科学家罗蒙诺索夫(Mikhail Lomonosov，1711-1765).他创办第一个化学实验室时，得到了利赫曼的支持，两人一见如故，从此建立了长久的友谊.他们都对科学充满热情，志趣相投.罗蒙诺索夫被人诬陷遭到监禁时，利赫曼常常前去探望，告知外面的消息.在利赫曼的帮助下，罗蒙诺索夫不仅被释放，而且开设了实验化学课.利赫曼既是他的学生，在实验研究时也是他的同事.此外，受利赫曼的影响，罗蒙诺索夫也在家中安装了观察雷电的装置[3].

利赫曼的一生共有6个孩子，可惜其中3个死在了他的前面，另外的两儿一女健康地活了下来[4].

2 科学成就

2.1 热学

利赫曼的第一个重要工作与热学有关.他测定了T1温度下质量为m1的水与T2温度下质量为m2的水混合后的温度T.在此之前，克拉夫已经通过实验得到了一个公式

这一结果与利赫曼得到的测量结果不一致.利赫曼坚定地认为，华氏温度计是近似线性的，且水的比热几乎不随温度改变.于是他得到的公式是

随着越来越多的人通过实验得到了和利赫曼一样的公式，证实利赫曼得到的结论是正确的.随后，他研究了物体在加热、冷却和蒸发时的速率与它自身性质的关系.此外，在研究物体的温度与周围空气之间的差异时，他成功地证实了牛顿冷却定律，并且采用与其他物理学家不同的方法证明了热增益或热损失与密度、弹性和硬度无明显关系.这些事并没有使利赫曼变得出名，但是他严谨的工作态度以及良好的物理直觉为他今后在电学上的研究打下了很好的基础.他说：“整个(热学)工作清楚地表明，物理学应尽一切努力避免数学抽象，并尽可能注意个例中的每一个情况……如果我们能准确地确定物体的性质，我们才可以合理地确定其他真理.”[2]

2.2 电学

虽然利赫曼对其他科目也有兴趣，但是唯一能让他持续关注的是电学.他将关注点放在了制作验电器和观察雷电上.也正是在这两个方面，他做了开创性的贡献.

从1745年起，利赫曼就开始了电学研究.他首先试图和另外一些研究员重复前人做过的实验，在这个过程中他很快认识到对测量仪器的需要.于是同年，他自制了验电器.尽管这个验电器还有很多不足之处，但是它足够进行一些重要的实验，远超过许多同时代的研究发明.1751年，利赫曼有幸得到了一份《电学的试验和观察》③*③ 英文名称：《Experiments and Observations on Electricity》，该书成于18世纪中叶，由本杰明·富兰克林的信件组成.富兰克林写信给伦敦皇家学会的科学家，告诉他们自己在电学上的实验和发现.感兴趣的科学家将信件送到了印刷厂.第一批信件在1751年出版成90页的小册子.随后，又对内容进行了新增和补充，于1769年出版了多达496页的完整版.该书一出版就在全世界广受欢迎，被认为是18世纪美国最重要的科学著作.由于利赫曼于1753年就去世了，所以他看到的应该是1751年的版本..这是富兰克林写给伦敦皇家学会的信件集，里面记录了他在电学上的发现以及做过的电学实验.这本书对利赫曼坚持研究电学有一定的帮助.他不仅重复了富兰克林的实验，还指出了一些错误，由此他也打算制作一台更为精密的仪器.

此外，富兰克林关于雷电的研究也引起了利赫曼极大的兴趣.尽管他十分清楚雷电的危险，但是他还是在家中自制了探测雷电的装置.他曾写过这样一段话：“恐惧闪电是很自然的，只有当人们了解如何避免雷击时，他们才会克服恐惧.当然，这还需要许多观察和实验.”[2]

1753年，利赫曼利用自制的验电器发现了一个有趣的现象.图1中展示了这套装置，它是由中间的莱顿瓶和左右两边基本相同的指示计组成.指示计构造以图中左侧为例，KL是一段金属棒，L端与固定在莱顿瓶内的铁棒Z端相连.OQ是一个装有金属屑的玻璃瓶，其内部插着与KL相连的金属丝.OP是长约一英尺半的含铅亚麻线，其一端系在金属丝上，另一端自然下垂.RX部分是一个扇形面有刻度的象限仪.右侧指示计与左侧指示计唯一的区别就在于M端连接的是莱顿瓶外壳金属.当充满电的莱顿瓶接在指示计上时，亚麻线OP和ST就会因带电而抬起一定的高度，从而通过象限仪粗略估计带电荷量大小.利赫曼发现：如果在这样的情况下用手触碰金属棒MN，则亚麻线ST与竖直方向张角变小，而亚麻线OP与竖直方向的张角反而变大.如果用手触碰的是金属棒KL，则结果正好反过来[1].

图中展示了触摸MN后的情况

虽然利赫曼只是观察到实验现象，没有给出合理解释，但是现在我们已经能很好地说明原因了.莱顿瓶内的金属棒与瓶外的金属壳带有等量异种电荷.刚开始接触左右指示计时，由于左右两边带电，亚麻线均与竖直方向成一定角度.如果触摸右边的金属棒MN，则该边的电荷就与大地中和了.而左边的异种电荷仍然存在.这些电荷一方面不再受金属壳吸引，分布变得相对均匀，使得亚麻线OP处的电荷增加，张角变大；另一方面，它会对金属壳有感应作用，从而产生感应电荷，这些少量的感应电荷使亚麻线ST与竖直方向保持了一个小角度，而不是完全竖直.尽管利赫曼尽可能地减小了外界对实验的影响，但是莱顿瓶本身的储电能力就非常有限，含铅亚麻线自重又比较大，一些无法克服的因素导致了仪器的不完美，未能在当时引起很大反响.不过也有人认为这个不完美的仪器是伏打起电盘的前身，它们唯一的区别就是产生电的方式[1].利赫曼的仪器依靠的是感应起电，而伏打起电盘利用的是摩擦起电.

3 利赫曼之死

利赫曼因遭受雷击而死亡一事是师生都知道的事情，但是他究竟如何研究雷电的,他是如何死于雷电的,当时的人们对他的死有何反应等等这些过程都鲜为人知.为了更好地叙述这一过程，下面首先介绍利赫曼研究雷电的装置.

利赫曼将验电器改造后用于研究雷电.图2展示的是改造后的仪器[5]，图3展示的是利赫曼的家，关键位置已用小写英文字母表示出来[5].

图2 利赫曼改装后用于研究雷电的验电器

图3 利赫曼的家的俯视图

利赫曼拆下了i处房顶的一片瓦，再将一个玻璃瓶放在开口处并借助邻近的瓦片支撑.他在玻璃瓶底部钻了一个小孔，然后将一根铁杆穿过瓶子，并用瓶口的软木塞固定.铁杆露出房顶的长度约有四五英尺，而通过瓶底伸进屋子里的一端则与一根长长的铁链相连接，这样就保证了铁杆本身没有接触房子的任何部分，铁杆接收到的雷电会全部转移到铁链上.铁链经过h处到达放有实验装置的b处，接在图2中右侧金属丝BC的B端.验电器唯一改造的地方正是这里，原本右侧是金属棒，现在为了将雷电引到仪器上，所以将金属棒改为了铁链.利用这个复杂的装置，利赫曼发现：当铁杆受到雷击时，亚麻线远远偏离垂直方向，角度能达到55°；而人为起电时最大角度也超不过30°[5].也就是说，雷电所带电荷量远大于当时人为起电所能产生的电荷量.

1753年5月31日，利赫曼甚至还观察到了由于雷电引起的爆炸，爆炸的声音在离仪器3个房间远处都可以听到[5].这次危险的经历并没有让利赫曼感到害怕，他对电学实验的热爱近乎疯狂.

1753年7月26日下午，利赫曼正在参加圣彼得学院的日常会议.这时天空开始打雷.利赫曼当然不会放弃这个机会，于是他带着好友——圣彼得堡皇家科学院的雕刻师索科洛夫一起回家观察雷电对实验装置的影响.索科洛夫一直对利赫曼的实验非常感兴趣.图4展示的是事发现场[5].

图4 利赫曼的家的局部图

当时利赫曼正站在h处弯腰附身观察g处的装置，索科洛夫则站在m处观察.据索科洛夫回忆，就在事发前，利赫曼还向他说明了雷电的危险，并告诉他仪器可以将雷电的电荷量放大45倍之多.没多久后不幸的事情就发生了.利赫曼正将头靠近仪器观察电荷量大小时，一个蓝色的火球突然出现在利赫曼和仪器之间.与此同时，索科洛夫也全身麻木，昏倒过去，当时的情景如图5所示[6].当索科洛夫恢复意识后，他赶紧跑到大街上告诉每一个人：雷电跑到利赫曼家里去了.利赫曼的妻子听到巨大的雷声后也赶紧跑到利赫曼的屋里.她看到丈夫坐在靠墙的箱子上，已经失去了意识.与此同时，她闻到屋里有一股像火药爆炸后的硫磺味.整个房子都遭到了破坏.图3中f处挂着一个钟表，它在强烈的震动下损坏了；g处壁炉里的灰溅得满屋都是；c处的门也受到了严重破坏，甚至有些碎片被震到了h处通往房顶的楼梯上[4].不幸的消息很快传遍大街小巷，警察也立刻赶到利赫曼的家拉起警戒.同样在家中观察雷电现象的罗蒙诺索夫也赶到利赫曼家中，他看到利赫曼的家人嚎啕大哭，而利赫曼脸色苍白，已经没有了呼吸[3].人们两次抢救利赫曼，但是都没有成功.他们首先通过用力擦热皮肤来恢复他的意识，然后将其身体倒过来.尽管有少量的血从他的口中流出来，但是他没能醒来.利赫曼的脑门有一个红斑，全身布满了蓝色的斑点，尤其是后背，就好像“被烧过而收缩了的皮革”，左脚的鞋被撑爆了，除此之外没有明显的外伤.由此人们推断，雷电或许是从头部进入，又从左脚流出进入大地的.24小时后，利赫曼的尸体被解剖了.他的头骨并没有裂缝，但是大脑有些淤血.他的背部有大量淤血，导致此时看起来已经呈棕黑色.除了肺部也有少量淤血外，其他内脏都很健康.48小时后，利赫曼的尸体已经严重腐烂，很难再辨认.他被安葬时，去了很多送葬者[4].

图5 利赫曼在观察仪器时被雷电击中，索科洛夫也被击晕

4 结束语

利赫曼的一生虽然短暂，但是他始终专注于科学事业，并做出了开创性的贡献.

利赫曼青年时期就是个品学兼优的好学生，并跟随当时有名的科学家学习.自1735年进入圣彼得堡大学开始进一步学术研究以来，他刻苦努力，用短短7年时间成为物理学教授，并在热学领域有独创性工作.在随后的电学研究中，他成为了当时该领域的佼佼者，更是自制验电器的第一人.利赫曼利用他的验电器进行了许多实验，并发现了与电荷有关的

有趣现象.虽然利赫曼不是最先研究雷电的人，但是他是最痴迷于研究雷电的人.他这套研究雷电的装置不仅吸引了罗蒙诺索夫的注意，使罗蒙诺索夫也在家中制作了相同的装置，而且还得到了雕刻师索科洛夫的关注.

利赫曼在学术上勤奋刻苦、严谨认真，生活中的他还有为人正直、待人诚恳、处事冷静的好品质.据罗蒙诺索夫回忆，利赫曼的死是利赫曼家中的一个女佣哭着跑到他家告诉他的，可见利赫曼对周围的人都非常友善.利赫曼被安葬时有大批送葬者也证明了这一点.

利赫曼为了研究雷电，不幸死亡，为科学献身.他在物理学领域做出的贡献，值得我们纪念.

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.罗蒙诺索夫.上海：少年儿童出版社.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