本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
物理学家托德·约翰逊已经在费米实验室工作了 30 年，但他也在艺术领域有所涉猎。在 20 世纪 90 年代，他专注于全息摄影。现在——受到一位业余时间制作特斯拉线圈的朋友的启发——他全身心投入于借助线性加速器在塑料立方体中捕捉类似闪电的分形图案。他不在费米实验室做这件事，而是在大约 400 英里外的俄亥俄州一家商业聚合物交联工厂。根据 Symmetry Breaking 报道
约翰逊带着用激光从钢材上切割或手工用铅板制成的模板；各种尺寸的透明丙烯酸块；以及大量的想法来到工厂。他将他的丙烯酸作品送入加速器的电子束中，电子束旨在破坏塑料中的化学键。由于丙烯酸是一种绝缘材料，电子束会散射穿过材料，并在穿过过程中损失动量。只有未被模板覆盖的丙烯酸区域暴露在电子束下，这使得约翰逊能够创造形状。最终，电子束聚集成一池电子，这些电子非常想逃逸但无法逃脱——一个看不见的潜在能量池。释放这种能量是一个简单但引人注目的过程。为了做到这一点，约翰逊使用了一种手工制作的工具，让人联想到粗糙的超大注射器。它的工作原理类似于按动笔——按压一端，另一端的笔尖就会以足够的力伸出，刺穿丙烯酸。工具刺穿表面的瞬间，会爆发出白光，因为激发的电子池从材料中逸出，在其位置留下汽化的丙烯酸痕迹。
在电子逸出丙烯酸的过程中，它们遵循着支配所有流动系统的自然规律——电力像蛇一样从雷雨云蜿蜒到地球，河流分支成越来越小的溪流和小河，或者遍布全身的蜘蛛网状血管。
约翰逊甚至创作了一件图案看起来像毛细血管系统的作品，作为礼物送给一位肺科医生的妻子。这很合适，因为这些蕨类图案经常出现在被闪电击中的人的皮肤上，这是由皮下毛细血管因放电产生的冲击波而破裂引起的。当闪电击中沙子时，会形成雷击石，因为沙子被强烈的热量熔化成玻璃。
关于支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过 订阅来支持我们屡获殊荣的新闻报道。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续报道关于塑造我们当今世界的发现和想法的重要故事。
这些分支图案的俗称是“闪电花”，但它们也被称为“利希滕贝格图形”，以纪念 18 世纪物理学家格奥尔格·克里斯托夫·利希滕贝格。
利希滕贝格于 1742 年出生于德国达姆施塔特一位牧师的家庭，从小就表现出对数学和科学的浓厚兴趣和天赋。最终，他成为那里的物理学教授，终身担任此职。脊柱畸形使他驼背，晚年呼吸困难。但他以讽刺作家和科学家的身份享有盛誉，并深受女性欢迎，在与玛格丽特·凯尔纳结婚并育有六个孩子之前，曾有过多次浪漫情史。
这个时代科学家们对电（“电流体”）着迷，对带电物体以及火花如何在它们之间跳跃进行实验，使用了莱顿瓶和放电管等设备。本杰明·富兰克林最著名的实验是利用升高的“避雷针”或电线从雷雨云中“引下电流”，同时站在类似于士兵岗亭的防护 enclosure 中。
利希滕贝格是最早将富兰克林的避雷针引入德国的人之一，他在哥廷根的家中安装了几个。他还建造了一个大型（直径六英尺）静电发生器或起电器，以研究电流体——包括弄清楚如何记录放电后留下的分支图案。
首先，他使用起电器用非常高的电压轰击绝缘材料，例如树脂、玻璃或硬橡胶。然后，他在表面撒上硫磺粉、红丹和四氧化三铅的混合物，观察漂亮的枝状图案的形成，然后将一张纸压在表面上，将这些图像转移到纸上。
你看，硫磺在处理过程中会带负电，而红丹会带正电。因此，硫磺会粘附在板上带正电的区域——异性相吸！——而铅会粘附在带负电的区域。（这也是现代静电复印的原理证明。）
利希滕贝格注意到了两种类型的图案：一种是正电荷的图案，它具有更长、更精细的分支；另一种是负电荷的图案，它更像一个贝壳。（偶尔会出现混合图形，带负电区域产生红色核心，周围环绕着带正电区域产生的黄色光线。）他的结论发表在他 1777 年的回忆录Super Nova Methodo Naturam ac Motum Fluidi Electrici Investigandi中。
这些实验为现代等离子体物理学研究奠定了基础。在 20 世纪 20 年代，阿瑟·冯·希佩尔等人将高压放电的光记录到照相胶片上。冯·希佩尔发现，只需增加施加的电压或降低周围的气压，就可以改变分支图案的长度。
在 20 世纪 40 年代，阿诺·布拉什和弗里茨·朗格在德国 AEG 公司研究最早的粒子加速器之一（他们称之为“电容器”），该加速器能够产生高压电子束，电子束会在其尾部留下蓝色火焰状的电离空气。
布拉什和朗格是第一个将自由电子注入塑料立方体的人，由此产生的电击穿完美地以三维形式捕捉到了利希滕贝格图形的分支图案。如今，肯特州立大学 Neo Beam 设施的 Dynamitron 也在做类似的工作，人们可以购买这种“冰冻闪电”雕塑作为艺术品。
约翰逊首先是一位物理学家，似乎对出售他的劳动成果并没有那么大的兴趣。他每年只花几天时间两次制作他的利希滕贝格图形，尽管他会花几个月的时间计划下一个项目并准备材料，例如他的激光切割模板。“这令人沮丧，但这也是令人兴奋的一部分，”他告诉 Symmetry Breaking。“每天结束时当你关闭机器的那一刻，你就会想到下次你想做的事情。”
2013年7月24日更新：对于任何有兴趣查看更多约翰逊的加速器艺术作品，并可能购买一些作品的人来说，这是个好消息。虽然这不是他制作这些作品的主要动机，但他确实在 Deviant Art 上以及 通过与他一起创作这些作品的一群朋友出售他的作品。
参考文献:
Cox, J.H. and Legg, J.W. "The Klydonograph and Its Application to Surge Investigation," Transactions of the American Institute of Electrical Engineers, January 1925.
Gross, Bernhard. (1958) "Irradiation effects in Plexiglas," Journal of Polymer Science 27(115): ,135-143.
Hashishes, Yuzo. (1979) “Two Hundred Years of Lichtenberg Figures,” Journal of Electrostatics, 6(1), 1-13.
Lichtenberg, Georg Christoph. De Nova Methodo Naturam Ac Motum Fluidi Electrici Investigandi (Concerning the New Method Of Investigating the Nature and Movement of Electric Fluid). Göttinger Novi Commentarii, Göttingen, 1777.
Merrill, F.H. and von Hippel, A. (1939) "The Atomphysical Interpretation of Lichtenberg Figures and Their Application to the Study of Gas Discharge Phenomena," Journal of Applied Physics 10(12): 873-887.
Reiss, Peter T. (1846) "Ueber elektrische Figuren und Bilde," Annalen der Physik und Chemie 145(9): 1-44.