閃電從哪里來？連科學(xué)家都不知道

杜生

閃電看起來很簡單

天空布滿烏云，轟隆一聲驚雷，抬眼看向遠(yuǎn)方，會(huì)發(fā)現(xiàn)一束或者幾束閃電在天空閃爍或者從天空直擊地面。閃電在天空舞蹈，映亮了整個(gè)烏云籠罩的灰暗世界，然后天空嘩嘩地下起瓢潑大雨——這是日常生活中經(jīng)常發(fā)生的打雷下雨的場景。

當(dāng)閃電發(fā)生的時(shí)候，電流是很大的，能將空氣溫度加熱到27700℃，比太陽表面溫度還要高出4倍。高溫導(dǎo)致臨近閃電的空氣突然膨脹，擠推并使周圍的空氣產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，振動(dòng)的空氣往外傳播，發(fā)出很大的響聲，這就是我們聽到的雷聲。我們經(jīng)常可以從新聞上看見打雷過后建筑物或者樹木被雷劈開的現(xiàn)象，可見閃電的威力十分驚人。

那么，閃電是什么呢？1752年，美國科學(xué)家富蘭克林用著名的風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)——在雷雨天用風(fēng)箏將天上的閃電引到地面，并且對(duì)閃電的電流進(jìn)行了研究，證明了閃電就是一種放電現(xiàn)象。閃電，其實(shí)就是電流。

很多同學(xué)做過這樣的小實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)備一節(jié)電池，一個(gè)小燈泡，幾根電線，將電池和燈泡用電線連接并且組成一個(gè)回路，電流就會(huì)從電池正極流向電池負(fù)極，途徑燈泡，燈泡就會(huì)變亮。由這個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)我們可以看出，產(chǎn)生電流需要三個(gè)部分，電源正極，電源負(fù)極，電流的通路。實(shí)際閃電產(chǎn)生的過程雖然十分復(fù)雜，但也必須滿足產(chǎn)生電流的這三個(gè)條件。

科學(xué)家指出，雷暴云較低的部分帶有負(fù)電荷，當(dāng)雷暴云移動(dòng)的時(shí)候，它能誘導(dǎo)正電荷粒子在地面聚集。地面上的建筑物和樹木能聚集大量的正電荷，所以建筑物和樹木往往能成為閃電襲擊的目標(biāo)。我們知道，閃電是直接通過空氣傳播的，空氣便是閃電電流的通路。但是空氣是絕緣體，閃電要想通過空氣，必須擊穿空氣使其電離變成導(dǎo)體，而這一過程需要極大的電壓。而我們看到的閃電發(fā)光，便是空氣被電離的過程中發(fā)出光子所致。

未能證實(shí)的假說

閃電一般能產(chǎn)生超過1億伏特的高壓，然而，科學(xué)家們使用航天飛機(jī)和熱氣球進(jìn)行了大量的測量后發(fā)現(xiàn)，雷暴云的電場強(qiáng)度非常的小，約相當(dāng)于產(chǎn)生閃電所需電場強(qiáng)度的十分之一。這個(gè)結(jié)果令科學(xué)家們十分疑惑，產(chǎn)生閃電所需的高壓是從何而來？

科學(xué)家們得出一個(gè)共識(shí)，肯定有一個(gè)過程，使得電荷大量集中于雷暴云中，導(dǎo)致雷暴云的電壓急劇增大，最終大到足以產(chǎn)生閃電。基于這個(gè)想法，科學(xué)家們提出了各種假設(shè)。然而閃電的產(chǎn)生是隨機(jī)性的，產(chǎn)生的時(shí)間、位置、強(qiáng)度都是難以預(yù)測的，無法跟蹤測量;再加上儀器制造水平的限制，有的雷電產(chǎn)生的能量極大，有的把大樹劈開，把水泥路都會(huì)憑空炸出一個(gè)大坑來，儀器怎么能承受呢？所以科學(xué)家們很難進(jìn)行有效的現(xiàn)場觀測，并且在一個(gè)真實(shí)的雷暴中，各種環(huán)境條件（例如風(fēng)和電場）都是隨著時(shí)間和空間迅速變化的，難以控制且過程中的很多現(xiàn)象（例如雷暴云中空氣的對(duì)流等）難以解釋，甚至與一些基礎(chǔ)物理學(xué)的理解相沖突。實(shí)驗(yàn)室中模擬真實(shí)閃電的產(chǎn)生場景是很困難的，建立任何模型與實(shí)際的過程都會(huì)有很大差別，所以很難去推斷和驗(yàn)證這些假設(shè)是否正確。所以目前所有相關(guān)的假設(shè)，都尚未得到驗(yàn)證。

被大多數(shù)科學(xué)家接受的是冰粒子碰撞假說。傳統(tǒng)的冰粒子碰撞假說認(rèn)為，在雷暴中，冰粒子之間的碰撞能夠產(chǎn)生足夠多的帶電荷的冰粒子聚集，雷暴云中帶負(fù)電的冰粒子下沉，帶正電的冰粒子上升，逐漸形成巨大的電壓，從而觸發(fā)閃電的產(chǎn)生。但是這個(gè)理論有很多細(xì)節(jié)解釋不清楚，例如電荷的分離過程是怎樣的，而且冰粒子碰撞最終能否產(chǎn)生如此大的高壓也受到質(zhì)疑。

來自宇宙的高能粒子產(chǎn)生閃電

俄羅斯物理學(xué)家、莫斯科物理科學(xué)與技術(shù)研究所的物理學(xué)與天體物理學(xué)問題系主任亞歷克斯-古列維奇長期致力于閃電觸發(fā)機(jī)理的研究，早在1992年，他就提出了宇宙射線碰撞和逃逸分解假說。該假說認(rèn)為產(chǎn)生于太空中的宇宙射線，轟擊了地球上層大氣，電離大氣層并產(chǎn)生了大量的接近光速的高能離子，形成高能離子流。這些高能離子流進(jìn)入雷暴云時(shí)，高速碰撞雷暴云里的空氣，致使空氣電離，許多空氣粒子的電子逃逸分解出來，產(chǎn)生了一個(gè)擁有大量自由電子的區(qū)域，這些自由電子繼續(xù)和空氣碰撞，產(chǎn)生更多的電子和離子，隨著不斷的碰撞電離，產(chǎn)生了數(shù)量非常龐大的負(fù)電離子，最終形成一個(gè)大電場從而觸發(fā)閃電。

古列維奇的理論一開始被科學(xué)界廣為駁斥，原因在于宇宙射線能否產(chǎn)生如此大的作用我們不得而知。但是現(xiàn)在它越來越受歡迎。一方面是因?yàn)闆]有合適的科學(xué)理論，另一方面是因?yàn)樾碌挠^察結(jié)果與該理論相吻合。例如雷電過程中觀察到的伽馬射線、無線電脈沖和強(qiáng)烈的X光，這些光線的產(chǎn)生表明宇宙射線極有可能參與了閃電的產(chǎn)生過程。

然而，閃電觸發(fā)機(jī)理的研究，目前還僅僅停留在假設(shè)階段，難以進(jìn)行有效的直接驗(yàn)證，距離最后的真相，仍然任重道遠(yuǎn)。這不禁讓我們感嘆，科技如此發(fā)達(dá)的今天，一個(gè)常見的雷電現(xiàn)象，還沒有得到解釋。人類的探索之路，也許才剛剛開始，這條路，將會(huì)十分艱辛和漫長。