贝格 利希滕贝格图形的发现

■肖汝波、杨心楠/翻译

■翻译自APS新闻，2012年11月2012

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被闪电击中的人通常会在皮肤上产生红色和分枝的图案，这种图案通常会持续几天。这很可能是由于电流冲击导致皮肤下脆弱的微血管破裂所致，是不规则分形的自然例子；俗话说，它叫“闪电花”，又叫“李奇登贝格图”，是为了纪念18世纪的物理学家乔治·克里斯托夫·李奇登贝格。

Lichtenberg

1742年，利希滕贝格出生于德国达姆施塔特。他的父亲是一名牧师。他家里有17个孩子。他老了吗？李奇登伯格从小就对自然表现出好奇心，热爱数学和科学。起初，他的家庭负担不起他的教育费用，但一位贵族赞助人的慷慨资助使他得以进入哥廷根大学。他最终成为了一名物理教授，这是他一生中唯一的职业。

李奇登伯格的身体很有意思。他脊椎畸形，所以驼背，这让他在接下来的几年里呼吸困难。然而，作为一名讽刺作家和科学家，他享有盛誉，受到女性的广泛欢迎。在嫁给玛格丽特之前，他有过几次恋情，玛格丽特为他生了六个孩子。

目前，利奇滕贝格的文学声誉主要与他的箴言有关，他在自己的私人日记中收集了这些箴言，自称是多年的“无用之书”。在这些废书里，他记下了他对人性的观察和他的日常杂文，以及他的生活，甚至他当时的床头读物，以及他对许多实验的科学笔记。

当时西方世界的科学家对电学有着浓厚的兴趣，或者用当时他们的术语“电流体”。许多科学家致力于做实验，使用包括莱顿瓶和电池在内的各种仪器，研究带电物体以及电子花如何在物体之间跳动。本杰明·富兰克林就是其中之一。他提出了一个著名的实验，实验者站在一堵类似于士兵亭的墙的保护下，用一根高高的避雷针或电线把暴风云中的电火“吸下来”。至少有一位科学家，格奥尔格·威廉·赖希曼，在试图复制富兰克林的实验时不幸被球状闪电击中而死亡。

李奇登伯格对电气火灾的兴趣并没有因为悲惨的事故而降低。他是第一个把富兰克林的避雷针带到德国的人之一。他在哥廷根的家附近安装了几根避雷针，他也是早期在自己的实验室使用这种设备的科学家。李奇登伯格建造了一个大型静电发生器，被称为通电板，直径为6英尺。他用它来研究电炉的行为，包括计算如何记录放电后留下的分支模式。

起初，他对绝缘材料施加高压，如树脂、玻璃或硬橡胶。然后，他将硫磺、红丹、四氧化二铅粉末混合，洒在材料表面，观察图形，然后在材料表面压一张纸，使图形印在纸上。Lichtenberg注意到有两种特殊的模式:一种是带正电荷的模式，更长，分支模式更复杂；另一个是带负电的数字，更像一个壳。他的结论发表在1777年的论文《探索电流体性质和行为的新方法》中。

李奇登伯格实验的基本原理为现在的等离子体物理奠定了基础。在20世纪20年代，阿瑟冯·希佩尔和其他科学家在照相底片上记录了高压放电发出的光。范·白希推断，独特的李奇登伯格模式是由电离气体和绝缘体表面之间的相互作用形成的；他还发现，只要增加外加电压或降低周围的空气压，分支图案的长度就可以改变。

闪电是自然界形成的三维李奇登伯格模式

这导致了闪电记录器的发明，这是一种记录高压放电极性和突然增加功率的仪器，如闪电击中电线。通过使用这些数据，工程师可以在设计电路系统时找到针对雷击和类似意外电涌的有效保护对策。

李奇登伯格的实验也为复印机的发明提供了基础，这归功于20世纪30年代切斯特·卡尔森在他位于美国纽约州皇后区的公寓厨房里进行的实验，卡尔森称之为“电子摄影”。卡尔森的理论是，如果原始照片或文件的图像被投影到光导表面，电流只会通过光照射的地方，而不会通过印刷的黑暗部分。他想出了让干燥的颗粒按照与板上闪亮的图像相匹配的图案粘在导电板上的主意；之后，他将粉末的图像转移到蜡纸上，加热纸张，熔化蜡，并制作出永久副本。

20世纪40年代，Arno Brasch和Fritz Lange在德国电气公司(AEG)做了最早的粒子加速器的研究，可以产生高压电子束，然后电离空气体会形成带有蓝色火焰光的轨迹。布加斯和兰格是第一批将自由电子注入塑料方块的科学家。绝缘崩溃导致的漏电完美把握了三维Lichtenberg模式的分支模式。现在，美国俄亥俄州肯特州立大学近地天体粒子加速器设施的Dynamitron正在从事类似的工作。人们可以购买“冰冻闪电”雕刻作为艺术品。

在他的一生中，李奇登伯格在他的科学同行中享有一定程度的威望和尊重。亚历山德罗·沃尔塔于1784年访问了哥廷根，并去会见利希滕贝格观察他的实验。卡尔·弗里德里希·高斯听过他几次演讲。他的名字现在已经不那么有名了，但是如果他知道这些和他一样出名的不规则的破碎图案，在近三个世纪后仍然激励着科学家和艺术家，他无疑会非常高兴。