科技日?qǐng)?bào)記者 劉霞

作為自然界最震撼的現(xiàn)象之一，閃電一直激發(fā)著人類無(wú)窮的好奇心。其短暫和不可預(yù)測(cè)性，給科學(xué)研究帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。閃電的具體形成機(jī)制及其觸發(fā)條件一直藏著很多謎團(tuán)。

但如今，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)科學(xué)家正用一種令人意想不到的方式驅(qū)散這團(tuán)迷霧。他們致力于把閃耀在萬(wàn)里長(zhǎng)空的物理模型，塞進(jìn)一塊小小的塑料里。

如何才能做到這一點(diǎn)？科學(xué)家通過(guò)周密的數(shù)學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，如果能向玻璃、丙烯酸、石英這些比空氣致密上千倍的材料中注入高能電子，就能在極短距離和時(shí)間內(nèi)，在略大于一塊撲克牌的空間內(nèi)，再現(xiàn)出令人炫目的“閃電”。

閃電的形成與一種叫“相對(duì)論失控電子雪崩”的現(xiàn)象有關(guān)：在強(qiáng)電場(chǎng)中，電子被瘋狂加速，撞擊空氣分子，將空氣分子內(nèi)的電子“撞擊出來(lái)”，電子數(shù)量因此會(huì)像滾雪球一樣越滾越多。而且這些高能電子在碰撞中還會(huì)產(chǎn)生X射線和伽馬射線。

過(guò)去，這個(gè)過(guò)程只能在綿延數(shù)公里的大氣中觀測(cè)。但科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在密度比空氣大上千倍的固體材料中，同樣可以模擬這一過(guò)程。由于材料致密，電子碰撞的“賽道”大大縮短。大自然需要幾公里才能完成的電子加速賽，在這里，只需幾毫米就能上演。于是，一場(chǎng)“迷你閃電”在方寸之間誕生。

這項(xiàng)研究提供了一個(gè)在受控環(huán)境中研究閃電物理機(jī)理的“實(shí)驗(yàn)臺(tái)”。目前，科學(xué)家研究閃電的成本極高，必須通過(guò)大規(guī)模實(shí)驗(yàn)來(lái)觀測(cè)體積達(dá)數(shù)百立方公里的雷云，而且他們還必須發(fā)射氣球、飛機(jī)或火箭來(lái)研究它們。現(xiàn)在，他們有望在實(shí)驗(yàn)室里精確地重現(xiàn)閃電的起始和傳播過(guò)程。如果實(shí)驗(yàn)證實(shí)這一點(diǎn)，將大幅縮小自然界最極端電現(xiàn)象發(fā)生的尺度，開啟在受控條件下研究閃電物理的新途徑。而對(duì)閃電形成機(jī)制的更深入理解，有助于促進(jìn)氣象學(xué)等多個(gè)相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步。

它還有望帶來(lái)實(shí)用技術(shù)。比如，用于X射線探測(cè)器的致密晶體材料（如鍺酸鉍），未來(lái)或許能基于此原理，開發(fā)出更小巧、更安全、更高效的X射線源，為醫(yī)療診斷、安檢掃描等領(lǐng)域帶來(lái)福音。

這項(xiàng)發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》的研究，打破了人們對(duì)閃電的固有印象。它證明，最強(qiáng)大的自然之力，也能在微小空間里完美復(fù)現(xiàn)，真正實(shí)現(xiàn)“咫尺之內(nèi)，而瞻萬(wàn)里之遙”。