閃電看起來很簡單
天空佈滿烏雲，轟隆一聲驚雷，抬眼看向遠方，會發現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，映亮了整個烏雲籠罩的灰暗世界，然後天空嘩嘩地下起瓢潑大雨——這是日常生活中經常發生的打雷下雨的場景。
當閃電發生的時候，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。高溫導致臨近閃電的空氣突然膨脹，擠推並使周圍的空氣產生劇烈的振動，振動的空氣往外傳播，發出很大的響聲，這就是我們聽到的雷聲。我們經常可以從新聞上看見打雷過後建築物或者樹木被雷劈開的現象，可見閃電的威力十分驚人。
那麼，閃電是什麼呢？1752年，美國科學家富蘭克林用著名的風箏實驗——在雷雨天用風箏將天上的閃電引到地面，並且對閃電的電流進行了研究，證明了閃電就是一種放電現象。閃電，其實就是電流。
很多同學做過這樣的小實驗，準備一節電池，一個小燈泡，幾根電線，將電池和燈泡用電線連接並且組成一個迴路，電流就會從電池正極流向電池負極，途徑燈泡，燈泡就會變亮。由這個簡單的實驗我們可以看出，產生電流需要三個部分，電源正極，電源負極，電流的通路。實際閃電產生的過程雖然十分複雜，但也必須滿足產生電流的這三個條件。
科學家指出，雷暴雲較低的部分帶有負電荷，當雷暴雲移動的時候，它能誘導正電荷粒子在地面聚集。地面上的建築物和樹木能聚集大量的正電荷，所以建築物和樹木往往能成為閃電襲擊的目標。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體，而這一過程需要極大的電壓。而我們看到的閃電發光，便是空氣被電離的過程中發出光子所致。
未能證實的假說
閃電一般能產生超過1億伏特的高壓，然而，科學家們使用航天飛機和熱氣球進行了大量的測量後發現，雷暴雲的電場強度非常的小，約相當於產生閃電所需電場強度的十分之一。這個結果令科學家們十分疑惑，產生閃電所需的高壓是從何而來？
科學家們得出一個共識，肯定有一個過程，使得電荷大量集中於雷暴雲中，導致雷暴雲的電壓急劇增大，最終大到足以產生閃電。基於這個想法，科學家們提出了各種假設。然而閃電的產生是隨機性的，產生的時間、位置、強度都是難以預測的，無法跟蹤測量；再加上儀器製造水平的限制，有的雷電產生的能量極大，有的把大樹劈開，把水泥路都會憑空炸出一個大坑來，儀器怎麼能承受呢？所以科學家們很難進行有效的現場觀測,並且在一個真實的雷暴中，各種環境條件（例如風和電場）都是隨著時間和空間迅速變化的，難以控制且過程中的很多現象（例如雷暴雲中空氣的對流等）難以解釋，甚至與一些基礎物理學的理解相沖突。實驗室中模擬真實閃電的產生場景是很困難的，建立任何模型與實際的過程都會有很大差別，所以很難去推斷和驗證這些假設是否正確。所以目前所有相關的假設，都尚未得到驗證。
被大多數科學家接受的是冰粒子碰撞假說。傳統的冰粒子碰撞假說認為，在雷暴中，冰粒子之間的碰撞能夠產生足夠多的帶電荷的冰粒子聚集，雷暴雲中帶負電的冰粒子下沉，帶正電的冰粒子上升，逐漸形成巨大的電壓，從而觸發閃電的產生。但是這個理論有很多細節解釋不清楚，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生如此大的高壓也受到質疑。
來自宇宙的高能粒子產生閃電
俄羅斯物理學家、莫斯科物理科學與技術研究所的物理學與天體物理學問題系主任亞歷克斯-古列維奇長期致力於閃電觸發機理的研究，早在1992年，他就提出了宇宙射線碰撞和逃逸分解假說。該假說認為產生於太空中的宇宙射線，轟擊了地球上層大氣，電離大氣層併產生了大量的接近光速的高能離子，形成高能離子流。這些高能離子流進入雷暴雲時，高速碰撞雷暴雲裡的空氣，致使空氣電離，許多空氣粒子的電子逃逸分解出來，產生了一個擁有大量自由電子的區域，這些自由電子繼續和空氣碰撞，產生更多的電子和離子，隨著不斷的碰撞電離，產生了數量非常龐大的負電離子，最終形成一個大電場從而觸發閃電。
古列維奇的理論一開始被科學界廣為駁斥，原因在於宇宙射線能否產生如此大的作用我們不得而知。但是現在它越來越受歡迎。一方面是因為沒有合適的科學理論，另一方面是因為新的觀察結果與該理論相吻合。例如雷電過程中觀察到的伽馬射線、無線電脈衝和強烈的X光，這些光線的產生表明宇宙射線極有可能參與了閃電的產生過程。
然而，閃電觸發機理的研究，目前還僅僅停留在假設階段，難以進行有效的直接驗證，距離最後的真相，仍然任重道遠。這不禁讓我們感嘆，科技如此發達的今天，一個常見的雷電現象，還沒有得到解釋。人類的探索之路，也許才剛剛開始，這條路，將會十分艱辛和漫長。
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關鍵字: 2019未來科學大獎 天空 閃電
