人类已经研究闪电几百年了，但直到今天，科学家依然无法完全解释闪电到底是怎么开始的。
每当暴风雨来临，天空中都会出现耀眼电弧。人们原本以为，闪电只是云层之间积累了足够强的电荷，空气被击穿后形成巨大电火花。但最新研究发现，真实情况可能远比想象复杂。如今越来越多物理学家开始怀疑，闪电的形成不仅和普通电学有关，甚至还可能涉及宇宙射线、伽马射线以及接近粒子加速器级别的高能物理现象。
长期以来，科学界一直有一个难题。
实验室里的电火花，需要极强电场才能让空气“崩溃”。理论上，空气必须达到每米约300万伏特的电场强度，电子才能像雪崩一样快速增殖，最终形成闪电。可问题是，科学家后来使用气球、火箭和各种探测设备进入雷暴云内部后发现，大多数雷暴云里的电场强度，其实远远达不到这个水平。
换句话说，按照传统理论，很多雷暴根本不应该产生闪电。
但现实中，地球每时每刻都有数千场雷暴正在发生。NASA的数据表明，全球同时存在的雷暴数量经常超过2000场。闪电显然比理论计算更容易出现。
这意味着，云层内部一定还隐藏着某种人类尚未完全理解的机制。
过去几十年里，科学家曾怀疑，问题可能和冰晶有关。雷暴云内部存在大量冰粒和冰晶，它们在碰撞摩擦过程中会积累电荷。一些较大的冰晶会形成尖锐结构，而尖端能够增强局部电场，就像避雷针一样。研究人员一度认为，这些冰晶可能就是触发闪电的关键。
但后来，事情开始变得越来越奇怪。
1994年，一颗原本用于观测宇宙深空爆发现象的卫星，意外在地球雷暴云附近探测到了伽马射线爆发。伽马射线通常出现在超新星爆炸、中子星碰撞或者黑洞附近，人们原本根本不认为普通雷暴能够产生这种极高能量辐射。
科学家震惊地发现，雷暴云内部似乎正在发生某种接近宇宙级别的高能过程。
美国物理学家约瑟夫·德怀尔随后提出了一种全新理论。他认为，雷暴中的电子可能会在电场中被不断加速，形成一种“相对论 runaway avalanche”，也就是“失控电子雪崩”。这些高速电子会撞击空气分子，释放更多电子，同时产生伽马射线。
而更疯狂的是，这些伽马射线还能进一步生成正电子和更多高速电子，形成链式反应。
整个过程有点像麦克风靠近音响时产生刺耳啸叫，一旦反馈开始，就会迅速放大。德怀尔认为，这种高能电子连锁反应能够在云层内部迅速增强局部电场，最终触发真正的闪电。
近年来，越来越多观测似乎开始支持这种理论。
2023年，NASA启动了一项名为ALOFT的研究计划，科学家驾驶高空飞机直接飞越加勒比海和墨西哥湾上空的强烈雷暴。他们在雷暴附近探测到了大量此前从未详细记录过的伽马射线活动。更奇怪的是，即使没有明显闪电出现，部分雷暴云本身也会持续释放微弱高能辐射。
研究人员发现，雷暴云内部其实像一个不断翻腾的高能粒子锅炉。
那里不仅存在闪电，还存在各种伽马射线闪烁、电子雪崩以及短暂高能爆发。有些现象甚至持续时间极短，只有不到千分之一秒。
与此同时，另一种更加离奇的理论也重新受到关注。
一些科学家开始怀疑，真正触发闪电的东西，也许来自外太空。
所谓宇宙射线，是来自超新星、黑洞等宇宙极端事件产生的高能粒子。这些粒子会穿越数十亿光年，最终撞进地球大气层。当它们击中空气时，会形成大规模粒子喷流，释放大量电子和正电子。
今年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的一项观测发现，某些闪电初始方向居然并不完全遵循云层电场方向。
研究人员认为，这意味着触发闪电的源头可能并不是云层本身，而是某个从外部斜向进入大气层的宇宙射线粒子束。换句话说，一次遥远恒星爆炸，理论上可能间接触发地球上的一道闪电。
这个想法听起来像科幻小说，但部分物理学家认为数据确实值得重视。
不过目前争议依然很大。因为宇宙射线本身极其复杂，相关观测也还不够充分。一些研究人员认为，现在下结论还太早。
但无论哪种理论正确，科学家已经越来越确定一件事：
闪电远远不是人们过去以为的“巨大电火花”那么简单。
它背后可能同时涉及电磁学、等离子体物理、粒子物理、大气科学甚至宇宙高能天体物理。一次短短几毫秒的闪电，也许包含了大量人类尚未完全理解的复杂过程。
而且，随着观测技术不断提升，研究人员反而发现更多无法解释的新现象。
比如某些闪电会向上喷射，形成高达几十公里的“红色精灵”和“巨大喷流”；还有些闪电会产生球状闪电、树枝状电流甚至奇怪的无线电信号。部分高空闪电甚至能直接连接地球电离层。
荷兰研究团队最近还利用大型射电望远镜，对闪电形成过程进行了超高精度成像。他们发现，闪电内部并不是单一通道，而像一棵不断生长分叉的发光树。有些分支速度极快，有些则缓慢爬行，还有部分会不断长出针状结构。
科学家现在越来越觉得，闪电其实是一种远比人类想象更加“活跃”和复杂的自然现象。
研究人员甚至开玩笑说，人类研究闪电的过程，越像在打开一个越来越奇怪的宇宙谜题。因为每当科学家以为快要找到答案时，新的观测又会暴露更多未知问题。
直到今天，人类依然无法百分之百解释，天空中第一道闪电究竟是如何真正诞生的。
本文译自：quantamagazine（编译 / 整理：olaola）