[物理史] 利希滕貝格圖形的發現

利希滕貝格圖形的發現
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
（譯自APS News，2012年11月）

利希滕貝格（Georg Christoph Lichtenberg）

被閃電擊中的人在他們的皮膚上經常會產生紅色、分枝狀的圖案，並常會持續好幾天，這很可能是皮膚下易脆的微血管因電流衝擊而破裂所致，是不規則碎形的自然例子；俗語稱之為「閃電花」，也被叫做「利希滕貝格圖形」，以紀念 18 世紀的物理學家利希滕貝格（Georg Christoph Lichtenberg）。

1742 年，利希滕貝格出生於德國達母斯塔特（Darmstadt, Germany），父親是牧師，家中有 17 個小孩，他是老么。利希滕貝格從小即顯示出對自然的好奇心，喜愛數學和科學。起初，他家裡無法負擔他的教育費用，但一筆來自貴族資助者慷慨的助學金讓他得以進入哥廷根大學（Göttingen University）就讀。他最後在那裏當物理教授，是他終生唯一的職業。

利希滕貝格的體型很有趣，他的脊椎畸形，因而駝背，以致往後的歲月中呼吸嚴重困難。然而他做為諷刺作家和科學家，享有極佳的聲譽，也廣受女性的歡迎，在和瑪格麗特結婚前有好幾次的羅曼史，瑪格麗特為他生育了 6 名子女。

目前，利希滕貝格的文學聲望主要和他的箴言有關，這是他多年來在他聲稱「廢書」的私人日誌中所收集的。在這些廢書中，他草草記下他對人類本性的觀察與日常隨筆，以及他的生活，甚或他當時的床邊閱讀資料，和他許多實驗的科學筆記。

當時是一個西方世界的科學家都對電，或者用他們當時的用語「電流體」深感興趣的年代，有許多科學家致力於做實驗，使用各種儀器，包括萊登瓶（Leyden jars）和電瓶，來研究帶電的物體，以及電花如何在物體之間的跳動。富蘭克林（Benjamin Franklin）就是其中的一個，他提出了有名的實驗，由實驗者站在類似士兵崗亭的圍牆庇護下，使用一個高的避雷針或電線從暴風雨雲層中將「電火引下來」。至少有一個科學家萊希曼（Georg Wilhelm Reichmann）因試圖要複製富蘭克林的實驗，不幸地碰觸到球狀閃電而身亡。

閃電是自然界形成的三維利希滕貝格圖形

利希滕貝格對電火的興趣不因此悲劇性的意外而減少，他是最先將富蘭克林的避雷針帶至德國的其中一個。他在位於哥廷根的家附近裝設了幾個避雷針，也是早期就在他自己的實驗室使用此設備的科學家。利希滕貝格建造了一個大型的靜電產生器，是大家所知道的起電盤，直徑 6 呎，他用來研究電火的行為，包括計算如何記錄放電後所留下的分枝狀圖形。

最初，他使用起電盤加高壓電於絕緣物質上，例如樹脂、玻璃或硬橡膠，然後，將琉璜、紅鉛和四氧化鉛三種粉末混合，灑在物質表面上，觀察圖形，再壓一張紙於物質表面，讓圖形印在紙上。利希滕貝格注意到有兩種特殊的圖形：一是正電的圖形，較長，分枝圖形較複雜；另一是負電的圖形，較類似貝殼。他的結論發表於 1777 年的論文〈探討電流體本質與行為的新方法〉中。

利希滕貝格實驗的基本原則為現今的電漿物理學立下了基礎。1920 年代，范希柏（Arthur von Hippel）和其他的科學家記錄下從高壓放電於感光底片上時所放出的光。范希柏推論說，獨特的利希滕貝格圖形是由離子化的氣體和絕緣體的表面相互作用形成的；他並發現，只要增加所施加的伏特，或減低四周的空氣壓力，即可改變分枝狀圖案的長度。

那導致了閃電記錄器的發明，這是記錄高壓放電和電力突增，例如閃電擊中電線時的極性之儀器。使用這些資料可使工程師在設計電路系統時，可以找到對抗雷擊和類似意外電湧浪時，有效保護性的對策。

利希滕貝格的實驗還提供了影印機發明的基礎，這歸功於卡爾森（Chester Carlson）於 1930 年代在他美國紐約皇后區的公寓廚房所做的實驗，卡爾森稱它為「電子攝影術」。卡爾森的理論是，假如一個原先的照片或文件的影像被投射到具光導電性的表面時，電流只會通過光線照射到的地方，而無法通過印刷過黑暗的部分。他想出了讓乾粒子依照板子上閃亮的影像相吻合的圖形黏到導電板上；之後，他將那些粉末的成像移到蠟紙上，將紙加熱，讓臘溶化，製成持久的拷貝。

1940 年代，布哈士（Arno Brasch）和藍格（Fritz Lange）在德國電器公司（AEG）以最早期的粒子加速器（Capacitron）做研究，可以產生高壓的電子束，之後離子化的空氣會形成帶點藍色焰光的軌跡。布哈士和藍格是最先將游離電子注射到塑膠方塊內的科學家，絕緣崩壞所引起的漏電，完美地抓住三維的利希滕貝格圖形的分枝狀圖案。現在，美國俄亥俄州肯特州立大學的 NEO 粒子加速器設施的 Dynamitron 就從事著類似的工作，人們可以買「凍結的閃電」雕刻品當做藝術品。

利希滕貝格在他有生之年，在科學同行間享有一定程度的聲望和尊敬，伏特（Alessandro Volta）於 1784 年拜訪哥廷根，特地去和利希滕貝格見面，觀察他所做的實驗；高斯（Karl Friedrich Gauss）聽過好幾次他的演講。他的名字現在比較沒那麼有名，但假如他知道這些和他齊名的不規則碎形圖案，在將近 3 世紀後仍賦予科學家與藝術家們靈感，他無疑地會很開心。

原文刊載於物理雙月刊2013年12月號35卷第6期，感謝楊信男教授同意授權刊載。

系列文章100篇已集結成冊，由五南出版，書名為《物理奇才奇事》。