? ? 1752年，當費城上空的云團越來越多時，Benjamin Franklin站在戶外，做了一個簡單的風箏實驗，證明了閃電的帶電性。250多年后的今天，科學家們終于發(fā)現(xiàn)了關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，印度的一個研究小組首次準確測量了巨型雷云的電性能，發(fā)現(xiàn)這種云團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中一個存在了25年的謎團。
自2001年以來，印度烏達加曼達蘭的物理學家一直在使用GRAPES-3望遠鏡監(jiān)測被稱為μ介子的亞原子粒子。當來自遙遠宇宙的宇宙射線撞擊地球的上層大氣時，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望遠鏡經(jīng)常檢測到μ介子流的強度稍微減弱，而這兩段時間內(nèi)恰逢亞熱帶地區(qū)的降雨量達到峰值。
“對我們來說，這更像是一個有趣的插曲，不是什么嚴肅的事情，”研究合作者、印度孟買塔塔基礎研究所的高能物理學家Sunil Gupta說，其研究團隊上個月在《物理評論快報》上介紹了這項研究工作?！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介子攜帶負電荷，這意味著其運動路徑會受到電場影響。Gupta想知道這個特性是否可用于計算雷云所包含的能量。
早在1929年，獲得過諾貝爾獎的物理學家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，其總電勢應該在1千兆伏特左右，相當于近10億節(jié)5號電池。
不過，測量一個物體的電壓通常需要將兩根導線放于物體的兩端，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?？茖W家曾利用飛機和氣球在雷暴云中飛行，在不同的地點測量電壓，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設計了一個模型，該模型確定了改變GRAPES-3望遠鏡中檢測到的μ介子數(shù)所需要的電場強度。反過來，研究團隊可以利用μ介子觀測數(shù)目來估測實驗上方云層內(nèi)的電場強度。
在GRAPES-3的數(shù)據(jù)中，研究人員在三年時間里觀察了184次雷暴的電效應。μ介子表明，2014年12月1日出現(xiàn)的一次雷暴，其瞬時電勢接近1.8千兆伏特。Gupta說，這足夠為整個紐約市提供半個小時的電量。
“在地面上實現(xiàn)如此高的電壓幾乎不可能，”他補充說。“不過，大自然似乎知道如何毫不費力地做到這一點?！?/p>
危險的放電
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家的一個難題提供了答案。
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，但在之前的實驗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伽馬射線探測器，以幫助進一步驗證上述解釋。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，因為這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用方法，” Michael Cherry說，他在路易斯安那州立大學研究高能宇宙射線和伽馬射線，沒有參與新研究。
超強宇宙射線可能會受到相對普通的閃電的影響，高能物理學領域的大多數(shù)研究人員以前都會對此表示懷疑，他補充道。不過，研究結(jié)果表明，閃電是地球上的物理學家能夠獲得的最強大的自然粒子加速器之一。
“我們不需要通過遙遠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行研究?！?/p>
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