? ? 1752年，當(dāng)費(fèi)城上空的云團(tuán)越來越多時(shí)，Benjamin Franklin站在戶外，做了一個(gè)簡單的風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)，證明了閃電的帶電性。250多年后的今天，科學(xué)家們終于發(fā)現(xiàn)了關(guān)于雷暴巨大威力的驚人秘密。
在來自太空的帶電粒子的幫助下，印度的一個(gè)研究小組首次準(zhǔn)確測量了巨型雷云的電性能，發(fā)現(xiàn)這種云團(tuán)所含的能量是此前任何測量過的雷云所含能量的10倍。隨著研究者發(fā)現(xiàn)宇宙和地球事件之間的新聯(lián)系，新發(fā)現(xiàn)可能有助于解開高能物理學(xué)中一個(gè)存在了25年的謎團(tuán)。
自2001年以來，印度烏達(dá)加曼達(dá)蘭的物理學(xué)家一直在使用GRAPES-3望遠(yuǎn)鏡監(jiān)測被稱為μ介子的亞原子粒子。當(dāng)來自遙遠(yuǎn)宇宙的宇宙射線撞擊地球的上層大氣時(shí)，這些自然產(chǎn)生的粒子流就會降落到地球上。
有趣的是，在4-6月以及9-11月期間，高靈敏度的GRAPES-3望遠(yuǎn)鏡經(jīng)常檢測到μ介子流的強(qiáng)度稍微減弱，而這兩段時(shí)間內(nèi)恰逢亞熱帶地區(qū)的降雨量達(dá)到峰值。
“對我們來說，這更像是一個(gè)有趣的插曲，不是什么嚴(yán)肅的事情，”研究合作者、印度孟買塔塔基礎(chǔ)研究所的高能物理學(xué)家Sunil Gupta說，其研究團(tuán)隊(duì)上個(gè)月在《物理評論快報(bào)》上介紹了這項(xiàng)研究工作?！拔覀冄芯康氖歉吣苡钪嫔渚€和星際空間，而不只是雷暴?！?/p>
巨大的電量
μ介子攜帶負(fù)電荷，這意味著其運(yùn)動路徑會受到電場影響。Gupta想知道這個(gè)特性是否可用于計(jì)算雷云所包含的能量。
早在1929年，獲得過諾貝爾獎的物理學(xué)家Charles Thomson Rees Wilson就測量了雷云內(nèi)部的電場，發(fā)現(xiàn)其電場大得驚人，達(dá)到每公分5000伏特。這意味著，可綿延數(shù)公里的雷暴云，其總電勢應(yīng)該在1千兆伏特左右，相當(dāng)于近10億節(jié)5號電池。
不過，測量一個(gè)物體的電壓通常需要將兩根導(dǎo)線放于物體的兩端，但沒人知道如何對像云這樣的大型無定形物體做到這一點(diǎn)?？茖W(xué)家曾利用飛機(jī)和氣球在雷暴云中飛行，在不同的地點(diǎn)測量電壓，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電勢為數(shù)千萬伏特，此前測量的最大電勢為1.3億伏特。
新研究的合作者Balakrishnan Hariharan設(shè)計(jì)了一個(gè)模型，該模型確定了改變GRAPES-3望遠(yuǎn)鏡中檢測到的μ介子數(shù)所需要的電場強(qiáng)度。反過來，研究團(tuán)隊(duì)可以利用μ介子觀測數(shù)目來估測實(shí)驗(yàn)上方云層內(nèi)的電場強(qiáng)度。
在GRAPES-3的數(shù)據(jù)中，研究人員在三年時(shí)間里觀察了184次雷暴的電效應(yīng)。μ介子表明，2014年12月1日出現(xiàn)的一次雷暴，其瞬時(shí)電勢接近1.8千兆伏特。Gupta說，這足夠?yàn)檎麄€(gè)紐約市提供半個(gè)小時(shí)的電量。
“在地面上實(shí)現(xiàn)如此高的電壓幾乎不可能，”他補(bǔ)充說?！安贿^，大自然似乎知道如何毫不費(fèi)力地做到這一點(diǎn)。”
危險(xiǎn)的放電
基于μ介子的測量涉及大面積的雷暴云，因此要比用飛機(jī)或氣球測量的結(jié)果更精確。這意味著之前的數(shù)據(jù)可能被低估了，許多雷暴的內(nèi)部應(yīng)含有數(shù)十億伏特的能量。反過來，這也可能為長期困擾大氣物理學(xué)家的一個(gè)難題提供了答案。
1994年，NASA康普頓伽瑪射線天文臺注意到地球大氣中出現(xiàn)了幾次高能噴發(fā)現(xiàn)象，該天文臺的目的就是監(jiān)測發(fā)生在遙遠(yuǎn)星系中的伽馬射線暴現(xiàn)象。一直到今天，依然沒有人能解釋地球上為何會出現(xiàn)與宇宙中一些強(qiáng)能量現(xiàn)象類似的事件。
雖然人們曾懷疑閃電可能起了一定作用，但在之前的實(shí)驗(yàn)中觀測到的雷云能量不足以解釋地球上的伽馬射線暴。
現(xiàn)在，GRAPES-3望遠(yuǎn)鏡的測量數(shù)據(jù)第一次證明，雷暴云含有足夠的能量來產(chǎn)生這種神秘的現(xiàn)象。Gupta說，未來研究小組將會在研究儀器中增加一個(gè)伽馬射線探測器，以幫助進(jìn)一步驗(yàn)證上述解釋。他們還想研究雷暴中的電壓通過雷擊釋放的速度有多快。
“我們想知道釋放的電量有多大，因?yàn)檫@是雷擊造成大部分損害的原因，”他說道。
目前，已有的測量結(jié)果已經(jīng)給其他研究人員留下了深刻的印象。
“這是一種以前沒有人想到過的應(yīng)用方法，” Michael Cherry說，他在路易斯安那州立大學(xué)研究高能宇宙射線和伽馬射線，沒有參與新研究。
超強(qiáng)宇宙射線可能會受到相對普通的閃電的影響，高能物理學(xué)領(lǐng)域的大多數(shù)研究人員以前都會對此表示懷疑，他補(bǔ)充道。不過，研究結(jié)果表明，閃電是地球上的物理學(xué)家能夠獲得的最強(qiáng)大的自然粒子加速器之一。
“我們不需要通過遙遠(yuǎn)的黑洞或超新星等外部來源來研究這些高能過程，” Cherry 說，“我們可通過近距離觀察附近的閃電來進(jìn)行研究?！?/p>
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