科技日報記者 劉霞
作為自然界最震撼的現象之一，閃電一直激發著人類無窮的好奇心。其短暫和不可預測性，給科學研究帶來巨大挑戰。閃電的具體形成機制及其觸發條件一直藏著很多謎團。
但如今，美國賓夕法尼亞州立大學科學家正用一種令人意想不到的方式驅散這團迷霧。他們致力于把閃耀在萬里長空的物理模型，塞進一塊小小的塑料里。
如何才能做到這一點？科學家通過周密的數學計算發現，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間內，在略大于一塊撲克牌的空間內，再現出令人炫目的“閃電”。
閃電的形成與一種叫“相對論失控電子雪崩”的現象有關：在強電場中，電子被瘋狂加速，撞擊空氣分子，將空氣分子內的電子“撞擊出來”，電子數量因此會像滾雪球一樣越滾越多。而且這些高能電子在碰撞中還會產生X射線和伽馬射線。
過去，這個過程只能在綿延數公里的大氣中觀測。但科學家發現，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“迷你閃電”在方寸之間誕生。
這項研究提供了一個在受控環境中研究閃電物理機理的“實驗臺”。目前，科學家研究閃電的成本極高，必須通過大規模實驗來觀測體積達數百立方公里的雷云，而且他們還必須發射氣球、飛機或火箭來研究它們。現在，他們有望在實驗室里精確地重現閃電的起始和傳播過程。如果實驗證實這一點，將大幅縮小自然界最極端電現象發生的尺度，開啟在受控條件下研究閃電物理的新途徑。而對閃電形成機制的更深入理解，有助于促進氣象學等多個相關科學領域的進步。
它還有望帶來實用技術。比如，用于X射線探測器的致密晶體材料（如鍺酸鉍），未來或許能基于此原理，開發出更小巧、更安全、更高效的X射線源，為醫療診斷、安檢掃描等領域帶來福音。
這項發表于《物理評論快報》的研究，打破了人們對閃電的固有印象。它證明，最強大的自然之力，也能在微小空間里完美復現，真正實現“咫尺之內，而瞻萬里之遙”。
