每天都有數(shù)百萬次的閃電劃過天空，過去數(shù)萬年，人類已經(jīng)無數(shù)次的目睹過這種現(xiàn)象了。地球的生命也很有可能源于閃電。在1952年，化學(xué)家哈羅德·烏里(Harold Urey)和他的研究生斯坦利·米勒(Stanley Miller)在實(shí)驗(yàn)室里證實(shí)了這個(gè)想法。當(dāng)時(shí)，他們模擬了早期的生命環(huán)境并把它暴露在人造閃電下。令他們高興的是，他們最終得到了由生命的基石也就是氨基酸組成的“原始湯”。根據(jù)社會生物學(xué)家愛德華·歐·威爾遜(Edward O Wilson)的說法，閃電甚至也在人類思維的進(jìn)化中發(fā)揮了作用。威爾遜認(rèn)為，當(dāng)閃電在非洲大草原上燃燒大型動物時(shí)，將整具尸體都燒熟了，可以隨時(shí)食用，人類的祖先從中獲得了高蛋白、促進(jìn)大腦發(fā)育的食物。同樣的，閃電為我們祖先提供了可捕捉的火焰，以便家里的火能夠一直燃燒。人類的哲學(xué)和文化正是在篝火周圍(閃電使之成為可能)產(chǎn)生的。

早期的人類只看到了閃電的巨大力量，對它的電學(xué)性能及其對生命和進(jìn)化的影響一無所知，他們認(rèn)為閃電直接來源于諸神——其中最著名的是希臘主神宙斯，他從奧林匹斯山上扔下致命的雷電。北歐神話中有奧丁之子索爾，他那隆隆作響的戰(zhàn)車車輪和魔法錘產(chǎn)生了雷鳴和閃電。其他文化，從日本到斯拉夫，也有類似的神靈。

這些早期的聯(lián)想也許可以解釋為什么閃電象征著大自然令人敬畏的力量以及創(chuàng)生。我們?nèi)匀槐唤?jīng)典電影《弗蘭肯斯坦》(1931)中的場景所吸引，在雷的轟鳴中疾馳的閃電使得由尸體組成的怪物(鮑里斯·卡洛夫[Boris Karloff]飾演)更強(qiáng)大。閃電也代表以眩目的速度傳導(dǎo)的壓倒性力量。軍事徽章通常以閃電為特征，自第二次世界大戰(zhàn)以來，全副武裝的軍用飛機(jī)被命名為閃電和霹靂。在那場戰(zhàn)爭中，納粹稱他們在歐洲發(fā)動的快速襲擊為“閃電戰(zhàn)”。他們把黨衛(wèi)軍單位的首字母寫成兩個(gè)閃電的形狀，進(jìn)一步加強(qiáng)了象征意義。

“高壓”標(biāo)志仍然是可怕的閃電，但閃電也已成為電力的普遍象征，為我們服務(wù)。像我的智能手機(jī)這樣的數(shù)字設(shè)備只使用很小的無害的電壓，但手機(jī)在充電時(shí)會顯示出一個(gè)小小的閃電。幾十年來，電力行業(yè)一直用Reddy Kilowatt為自己做廣告。Reddy Kilowat是一個(gè)簡筆畫的卡通形象，用閃電做成四肢，用燈泡做成鼻子。

閃電這種普遍存在的電現(xiàn)象在地球上存在了很長時(shí)間，但它的起源至今仍是個(gè)謎。“我們對宇宙中的奇異天體的了解與日俱增，但是具有諷刺意味的是，我們居然不了解距離我們頭頂幾英里的閃電的起源是什么”物理學(xué)家Joseph Dwyer和馬丁在2014年的一篇該領(lǐng)域的綜述中如是寫道。更具諷刺意味的是，我們?nèi)缃裥枰惹械牧私忾W電是因?yàn)槿祟惢顒雍蜌夂蜃兓诤艽蟪潭壬霞觿×碎W電對全球的破壞。

人類從科學(xué)的角度觀察閃電的故事可以追溯到公元前6世紀(jì)，希臘哲學(xué)家阿納克西曼德將閃電和雷聲歸因于自然原因:火、風(fēng)和云之間的碰撞。大約在公元前340年，亞里士多德同樣斷言“干呼氣”——一種從地球上升起的可燃?xì)怏w——引起雷聲，然后燃燒產(chǎn)生閃電;他寫道，我們會先看到閃電，因?yàn)椤耙曈X比聽覺快”。

直到18世紀(jì)科學(xué)家們開始用電火花進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，閃電產(chǎn)生的機(jī)制這一神秘的面紗才被揭開。這項(xiàng)工作讓他們意識到閃電也是同樣的現(xiàn)象——在云層和地面之間產(chǎn)生巨大的電火花。博學(xué)多才的本杰明·富蘭克林(Benjamin Franklin)是第一個(gè)提出可以通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證這一點(diǎn)的人。1752年，他在費(fèi)城進(jìn)行了一次著名的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)時(shí)他把一只風(fēng)箏扔進(jìn)了雷雨中，并把線的一端握在一把金屬鑰匙上。當(dāng)他的指關(guān)節(jié)靠近鑰匙時(shí)，他看到并感覺到電火花。這一結(jié)果開啟了閃電研究的新時(shí)代。

盡管富蘭克林的研究在取得突破后仍在繼續(xù)，但兩個(gè)世紀(jì)之后，人們才對閃電有了新的重大發(fā)現(xiàn)。1960年，德裔美國物理學(xué)家海因茨-沃爾夫拉姆·卡塞米爾(Heinz-Wolfram Kasemir)提出，閃電始于云層中正電荷和負(fù)電荷區(qū)域之間形成的“引線”——空氣中電流可以流動的通道。與從帶電云到地面的火花這一簡單而似乎已經(jīng)確立的觀點(diǎn)不同，卡塞米爾的觀點(diǎn)意味著，我們所看到的閃電是通過一系列復(fù)雜的步驟產(chǎn)生的，因此他的觀點(diǎn)一致得不到重視，直到上世紀(jì)80年代，飛機(jī)上的測量結(jié)果證實(shí)雷雨云內(nèi)部和附近確實(shí)存在帶正電荷和負(fù)電荷的區(qū)域。

當(dāng)研究人員找到了確定閃電電壓和電流的方法時(shí)，我們對閃電的了解有了進(jìn)一步的加深，閃電中電流和電壓的關(guān)系和我們?nèi)粘５募矣秒娖飨到y(tǒng)是類似的。但是，在數(shù)百萬伏特和數(shù)千安培的情況下，這些閃電的能量比我們家用的電燈、冰箱和電視機(jī)所使用的110伏特和100到200安培的能量都要大好幾個(gè)數(shù)量級。

物理學(xué)家學(xué)會了用高速攝像機(jī)來分析閃電的發(fā)展過程。研究人員通過向雷暴中發(fā)射拖著銅絲的火箭，人為地觸發(fā)了閃電。來自美國雷暴發(fā)生率最高的佛羅里達(dá)州的國際閃電研究與測試中心的德懷爾、烏曼和其他科學(xué)家多年來已經(jīng)檢測了約400個(gè)觸發(fā)閃電。

通過這些努力，研究人員了解到，當(dāng)雷雨云中的冰晶在上升的氣流中向上運(yùn)動，遇到霰粒子(一種軟冰雹)，以及零度以下仍保持液態(tài)的過冷水時(shí)，就會產(chǎn)生閃電。相互作用在云的頂部和底部分別產(chǎn)生正電荷和負(fù)電荷，而在云的下方一般是正電荷區(qū)域。相反的電荷增長并相互吸引，直到它們之間的電場開始撕裂中間的空氣，并且產(chǎn)生電流。這是卡塞米爾提出的“引線”，它可以發(fā)生在云中，云與云之間，或云到地面之間。

高速攝像機(jī)顯示，最常見的雷擊是由一系列“引線” (通常光線太暗，肉眼無法看到)以之字形將電子向下輸送時(shí)發(fā)生的。接近地面時(shí)，電子與下面的正電荷相互作用，使空氣完全能夠攜帶電流。結(jié)果，來自云層的電子沿著“引線”們引導(dǎo)的同一條鋸齒狀的管道快速地跑向地面。這就是我們所感知到的閃電。電流將空氣加熱到3萬攝氏度，這是太陽表面溫度的5倍，發(fā)出耀眼的閃光，迅速膨脹的空氣產(chǎn)生了雷聲。其他的效應(yīng)也會隨之而來，但總是伴隨著能殺死或傷害生物幾千安培的電流，而且它們攜帶著足夠的能量來燃燒或摧毀它所撞擊的物體。

雖然我們可以大致地追溯閃電的發(fā)展過程，但是我們?nèi)匀粚σ恍┘?xì)節(jié)沒有足夠的認(rèn)識。我們尚不清楚冰、過冷水和霰如何相互作用以分離正電荷和負(fù)電荷。另一個(gè)謎團(tuán)是:從我們所知道的關(guān)于電的所有知識來看，在先導(dǎo)物形成之前，穿過正電荷和負(fù)電荷之間的空氣間隙的數(shù)百萬伏特的強(qiáng)電場是必要的。云層內(nèi)部的測量表明，內(nèi)部磁場從未達(dá)到這個(gè)水平——然而閃電還是發(fā)生了。這就是為什么德懷爾和烏曼認(rèn)為閃電的誕生是大氣科學(xué)中最大的謎團(tuán)之一。

解決這些難題將具有實(shí)際意義，因?yàn)殚W電正變得更具破壞性。富蘭克林發(fā)明的避雷針可以將閃電的電流從建筑物上轉(zhuǎn)移開，減輕了一些危險(xiǎn)。但是在過去的幾十年里，雷電造成的人員死亡、建筑物破壞、擾亂航空和電力系統(tǒng)、引發(fā)野火和森林火災(zāi)的可能性不斷增加。這在很大程度上是由于人類活動導(dǎo)致的全球變暖和大氣污染。這些會促進(jìn)對流，即暖空氣和水汽的上升，從而形成雷暴，從而產(chǎn)生更多的閃電。以色列的跨學(xué)科中心的大氣科學(xué)家Yoav Yair指出另一個(gè)因素:人們在城市地區(qū)日益增長的密度——現(xiàn)在為55%，預(yù)計(jì)到2050年將達(dá)到68%，高樓大廈、空氣污染使雷擊的可能性更大。

這些變化的影響很大。例如，Yair指出，在東亞、南亞和東南亞，閃電對飛機(jī)航班造成的干擾是一個(gè)日益嚴(yán)重的問題。這一亞太地區(qū)包括一些易遭雷擊的主要地區(qū)，其航空交通量正以每年近5%的速度增長。在另一個(gè)例子中，澳大利亞和美國的研究人員分析了澳大利亞、南非和南美洲或干旱或潮濕的生態(tài)系統(tǒng)中由閃電引發(fā)的火災(zāi)。本世紀(jì)，此類火災(zāi)的數(shù)量有所增加，科學(xué)家們將這一趨勢與氣候變化聯(lián)系起來，認(rèn)為這是因?yàn)槔讚舸螖?shù)的增加并使得火焰更容易被點(diǎn)燃。

對于這些危險(xiǎn)，我們的一種反應(yīng)是跟蹤閃電，這也有助于研究。閃電是一種強(qiáng)大的電磁輻射源，大部分頻率低于500千赫(AM無線電頻段從540千赫開始，這就是為什么閃電在AM刻度盤的底端產(chǎn)生靜電)。在這個(gè)范圍內(nèi)工作的傳感器可以快速地對遠(yuǎn)距離雷擊的位置進(jìn)行三角測量。例如，全球閃電定位網(wǎng)絡(luò)(World Wide Lightning Location Network, WWLLN)使用了70多個(gè)放置在全世界各地的設(shè)備來跟蹤閃電。

2017年，華盛頓大學(xué)(University of Washington)的喬爾·桑頓(Joel Thornton)及其同事利用WWLLN的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，印度洋和南海兩條繁忙的航道上空發(fā)生閃電的頻率是鄰近海域的兩倍。研究人員推測，這種差異來自船只燃燒化石燃料時(shí)釋放的氣溶膠顆粒。這是大氣污染增強(qiáng)閃電的有力證據(jù)。閃電定位系統(tǒng)還可以監(jiān)測極端天氣，保護(hù)機(jī)場的航班運(yùn)行。2013年，一個(gè)定位系統(tǒng)為缺乏氣象數(shù)據(jù)的菲律賓棉蘭老島確定了數(shù)百公里遠(yuǎn)的一場強(qiáng)臺風(fēng)的運(yùn)行軌跡， 

當(dāng)閃電與大氣中的氧氣和氮?dú)庀嗷プ饔脮r(shí)，會產(chǎn)生其他紅外波段的特征輻射。這種肉眼看不見的輻射可以從美國國家航空航天局(NASA)專門裝備的太空衛(wèi)星上探測到，這些衛(wèi)星可以掃描地球的大部分區(qū)域。2016年，巴西圣保羅大學(xué)的Rachel Albrecht和她的同事對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行了全面的分析。他們確定非洲和亞洲地區(qū)是閃電高度活躍的地點(diǎn)，委內(nèi)瑞拉的馬拉開波湖是地球上閃電最活躍的地區(qū)。由于它獨(dú)特的氣候和地形，平均每年產(chǎn)生297天的雷暴。該地區(qū)每年平均每平方公里產(chǎn)生233次閃電，而全球平均每平方公里產(chǎn)生6次閃電。我們最終的目標(biāo)是將這些數(shù)據(jù)與閃電活動的模型結(jié)合起來，從而長期預(yù)測閃電將襲擊的地點(diǎn)。

為了防雷，我們還需要知道一個(gè)典型的閃電的能量或功率。閃電和伴隨而來的雷聲是地球上常見的最亮的光和最大的聲音，表明能量水平很高。另一個(gè)線索是閃電產(chǎn)生x射線和伽馬射線。就像日內(nèi)瓦附近歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)一樣，人們認(rèn)為這些現(xiàn)象的產(chǎn)生是因?yàn)榘殡S閃電而來的電場將基本粒子(這里指的是電子)加速至很高的能量，這些高能粒子產(chǎn)生x射線，并且引發(fā)核反應(yīng)的伽馬射線。

雖然很難測量閃電擊中物體所傳遞的能量有多少，但一種研究“閃電化石”（lightning fossils）或fulgurites（閃電的拉丁語）的新方法給出了答案。當(dāng)閃電將沙子、土壤或巖石加熱到足以融化這種材料并將其變成玻璃時(shí)，就會產(chǎn)生這種現(xiàn)象。2016年，地球科學(xué)家馬修·帕塞克(Matthew Pasek)和馬克·赫斯特(Marc Hurst)分析了從佛羅里達(dá)州一個(gè)沙礦中回收的266個(gè)空心圓柱形fulgurites，這些fulgurites的長度從幾厘米到一米多不等(已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了其他長達(dá)5米的fulgurites)。利用已知的將二氧化硅(沙子的主要成分)玻璃化所需要的熱量，研究人員發(fā)現(xiàn)，閃電只花費(fèi)了很小一部分能量就能將沙子變成玻璃。

然而，傳輸?shù)墓β嗜Q于目標(biāo)材料。2017年，賓夕法尼亞大學(xué)(University of Pennsylvania)的陳江志(音譯)和同事研究了花崗巖中的富爾古石，雷擊會在它內(nèi)部產(chǎn)生高壓沖擊波。在這里，研究人員發(fā)現(xiàn)，雷電會在幾十微秒內(nèi)以10萬攝氏度的溫度將巖石加熱到2000攝氏度以上，融化后形成一層玻璃。這可與隕石撞擊造成的毀滅性影響相提并論。進(jìn)一步的研究將衡量其他材料的這些影響，并為設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施提供依據(jù)。

科學(xué)家們想知道，閃電蘊(yùn)含的高能量具有巨大的破壞性，但是也有可能為人類提供免費(fèi)的可再生能源。在馬拉開波湖，在每年每平方公里233次閃電中，每一次可獲得10億瓦特的電能，就可以為20戶居民提供電力。這將需要建立一個(gè)收集站網(wǎng)絡(luò)來捕捉閃電，儲存不定期到達(dá)的電涌，并根據(jù)需要向用戶分發(fā)電力，這是一項(xiàng)復(fù)雜的工程項(xiàng)目，在經(jīng)濟(jì)上無法與其他能源競爭。但是，一旦我們了解了閃電的古老秘密——是什么觸發(fā)了閃電——也許我們就能學(xué)會如何在閃電造成傷害之前就阻止它，以及如何把它集中在可以收集和使用它的能量的地方。

無論對普通閃電還有什么疑問，人們對球狀閃電這種罕見而奇特的形式的了解就更少了。球狀閃電是一種發(fā)光的球體，出現(xiàn)在雷擊或雷暴附近，會在空中漂浮幾秒鐘。1638年的一位早期目擊者描述了一個(gè)直徑超過2米的火球進(jìn)入英格蘭德文郡的一座教堂，造成4人死亡，并毀壞了教堂。據(jù)報(bào)道，在現(xiàn)代還有成千上萬的其他目擊事件，人們看到球狀閃電穿透玻璃，出現(xiàn)在封閉的金屬飛機(jī)內(nèi)。人們提出了許多假說來解釋這一非凡的現(xiàn)象，但由于缺乏一定量數(shù)據(jù)，目前還沒有明確的解釋。

然而，在2012年，觀察普通閃電的中國科學(xué)家幸運(yùn)地看到，閃電對附近的地面撞擊形成了一個(gè)發(fā)光的球。他們記錄了照片和視頻，以及球狀閃電的第一個(gè)光譜，這個(gè)光譜中包含硅——土壤的主要成分。這一結(jié)果支持了2000年提出的一個(gè)理論，即雷擊將地面上的硅轉(zhuǎn)化為納米顆粒形式的硅化合物時(shí)，就會產(chǎn)生球狀閃電。引申到空氣中，這些物質(zhì)以相對較慢的速度氧化，產(chǎn)生一種獨(dú)特而持久的發(fā)光源。這一假設(shè)尚未得到證實(shí)。

盡管這個(gè)謎團(tuán)一直存在，但我們現(xiàn)有的知識已經(jīng)幫助我們研究了其他有大氣層的天體，比如木星。這顆行星顯示出大量的閃電活動，旅行者1號宇宙飛船在1979年首次觀測到這一現(xiàn)象，而且從2016年開始環(huán)繞木星運(yùn)行的朱諾號宇宙飛船如今也觀測到了這一現(xiàn)象。朱諾號已經(jīng)探測到來自數(shù)百次閃電的無線電波，這些閃電據(jù)信是由水和冰的電荷分離產(chǎn)生的，就像在地球上一樣。但是地球上的閃電在赤道附近最為密集，而木星上的閃電則集中在兩極附近。這是了解木星上的水分布和行星大氣動力的重要線索。

藝術(shù)家描繪的木星閃電

在土星上也觀測到了大量閃電，它有自己活躍的大氣層。令人驚訝的是，火星——其稀薄的二氧化碳大氣中——也出現(xiàn)了閃電；但在那種干旱的環(huán)境中，這種“干閃電”并不依賴于大氣中的水和冰。取而代之的，就像在地球上發(fā)生的一樣，這些放電來自火星上常見的強(qiáng)沙塵暴攜帶的微小顆粒之間的摩擦。

火星閃電之所以吸引人，是因?yàn)檫@顆行星如果不是現(xiàn)在的外星生命存在的地方，也可能是過去的外星生命存在的地方。從2008年開始，NASA著陸器在火星土壤中發(fā)現(xiàn)了高氯酸鹽——一種含有負(fù)離子ClO₄^-的化合物。這些引起了人們的注意，因?yàn)樗鼈兛梢詾榭赡苌钤诠呕鹦巧系哪承┪⑸锾峁B(yǎng)料。高氯酸鹽的含量比火星地質(zhì)條件表現(xiàn)出的要多，這暗示著它們是由閃電形成的?，F(xiàn)在，一個(gè)國際研究小組剛剛發(fā)現(xiàn)，在模擬火星環(huán)境下的放電會產(chǎn)生大量高氯酸鹽，這對研究外星生命的進(jìn)化具有重要意義。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)是在一顆以一位古代神命名的行星進(jìn)行的，它讓我們想起了一個(gè)在神統(tǒng)治下的時(shí)代和1952年米勒-尤里(Miller-Urey)的實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)首次尋求對生命起源的科學(xué)解釋。閃電體現(xiàn)了人類從信仰神控制的宇宙到信仰我們可以掌握的自然世界的進(jìn)化，其中的奧秘還有待解決。