闪电的形成机制及其触发条件长期难以在可控环境中直接验证。宾夕法尼亚州立大学科学家领导的一项新研究通过数学计算与数值模拟提出，类似闪电的放电现象不一定需要雷暴云，在实验室台面上的日常绝缘材料中也可能被触发。相关成果已发表在《物理评论快报》。

将闪电模型“缩小”到固体材料

论文第一作者、宾夕法尼亚州立大学电气工程教授Victor Pasko表示，研究团队采用与闪电研究相同的理论模型，但将研究尺度缩小到略大于一副扑克牌的体积。模拟结果显示，在提供高功率电子源的条件下，玻璃、丙烯酸、石英等常见绝缘材料内部可能出现类似闪电的放电。

研究团队的数值模拟进一步表明，在实验室可实现的条件下，小型固体块体内能够形成类似闪电的辐射爆发。研究人员称，若后续实验验证这一过程，相关工作可能为更紧凑、且潜在更安全的X射线源带来启示，应用场景包括医疗机构与安检点；同时，更直接的意义在于让研究人员有机会在桌面尺度、受控条件下研究闪电物理。

Pasko将该过程描述为“光电反馈放电”，认为这为在受控环境中研究闪电如何被触发及其传播方式提供了新路径。他还指出，模拟显示相同现象可在密度比空气高约1000倍的材料中出现，且触发过程比雷云环境快约1000倍，时间尺度可达十亿分之一秒。

密集固体如何在厘米尺度复现雷云电条件

Pasko解释称，雷暴云通常可在数公里尺度的云体中形成约1亿伏特的电势；而研究团队的计算显示，密集固体材料可能在仅几厘米的空间内实现类似的电气条件。

研究中提到的丙烯酸、石英以及铋锗酸盐（一种常用于实验室X射线探测及空间实验支持的硬晶体）密度约为空气的1000倍。研究人员认为，在高能束流带来的电荷积累作用下，这类材料理论上可在不到拇指大小的体积内达到与闪电相近的电势条件，并触发此前被认为主要出现在雷暴中的光电反馈循环。

失控电子与辐射爆发的链式过程

研究团队在论文中回顾，闪电通常与大气内部或大气与地面之间电荷不匹配有关。在风暴电场中运动的电子与氮气、氧气原子碰撞，可产生强烈的伽马射线爆发。当闪电触发这类爆发时，被称为地面伽马射线闪（terrestrial gamma-ray flashes），其能量可将辐射束射入数百英里高空。

团队此前研究认为，X射线、无线电波等辐射可由加速电子与雷云中空气分子碰撞产生，并以电子雪崩形式推动闪电启动。该过程被称为“相对论性失控电子雪崩”：在强电场下，电子可迅速加速并“失控”，获得高能量，在周围物质中减速时发射X射线和伽马射线。

在雷暴环境中，失控电子可引发连锁反应：电子撞击空气分子产生高能光子，高能光子再反向作用并击出更多高能电子。研究人员称，其模拟显示，在日常绝缘材料内部也可能触发同样的失控光电反馈循环。

桌面尺度研究的意义

Pasko表示，如果能够在桌面尺度、受控条件下实验类似闪电的现象，将有助于以更低成本回答闪电触发与传播中的关键问题。他指出，当前对云中闪电的研究成本较高，往往需要针对体积可达数百立方公里的雷云开展观测，并借助气球、飞机或火箭等平台。

研究团队提到，近期另一组科学家的研究显示，在某些材料的小体积内可以传播具有显著闪电特征的放电。受此启发，Pasko希望通过数学模型描述并复现触发闪电的光电反馈循环，在丙烯酸、石英和铋锗酸盐等密集材料中实现桌面条件下的“微型闪电”。他表示，从理论上看，只要是绝缘材料，就可能在很小体积内重现闪电中出现的大尺度现象，并在材料内部形成与雷云相当的电压与电场条件。