На протяжении долгого времени научное сообщество полагало, что для понимания природы молнии необходимо изучать многокилометровые грозовые облака. Однако новое моделирование, проведённое исследователями из Университета Пенсильвании, показывает, что миниатюрную молнию можно создать и изучать внутри небольшого куска пластика размером не больше колоды карт. Учёные предложили способ «приручить» силу грозового разряда, уменьшив её до лабораторных масштабов.
С помощью численных симуляций исследователи продемонстрировали, что разряды, подобные молнии, могут возникать в твёрдых материалах шириной всего несколько сантиметров. Секрет кроется в плотности среды. Как объяснил Виктор Паско, профессор электротехники Пенсильванского университета, они применили те же математические модели, которые используются для изучения молний, но уменьшили масштаб. Расчёты показали, что при использовании мощного электронного пучка молнию можно вызвать в обычных изоляторах, таких как стекло, акрил и кварц.
В основе механизма молнии лежат так называемые релятивистские лавины убегающих электронов. В грозовом поле электроны разгоняются до огромных скоростей, сталкиваются с молекулами воздуха и лавинообразно наращивают энергию. Эта цепная реакция создаёт мощные всплески рентгеновского и гамма-излучения. Детальное моделирование показало, что такие процессы можно воссоздать в лаборатории, используя плотные материалы, такие как акрил, кварц или германат висмута. Эти твёрдые вещества примерно в тысячу раз плотнее воздуха, что позволяет достигать экстремальных электрических потенциалов на участке меньше человеческого пальца, имитируя условия грозы.
Удивительным результатом работы стала возможность достижения потенциала в 100 миллионов вольт на расстоянии всего нескольких сантиметров, а не километров. По словам Паско, учёных поразило то, что им удалось смоделировать те же явления в материале, в тысячу раз более плотном, чем воздух, причём процесс протекает в тысячу раз быстрее, чем в грозовых облаках — за одну миллиардную долю секунды. Симуляции подтверждают, что мощный пучок электронов способен запустить тот же фотоэлектрический цепной процесс в обычных твёрдых телах, который ранее считался исключительным атрибутом неба.
Возможность воссоздания молнии в контролируемой лабораторной среде открывает значительные научные и практические перспективы. Ранее исследователям приходилось полагаться на непредсказуемые методы наблюдения гроз, например на запуск ракет в облака. Теперь же акцент смещается в сторону точных лабораторных экспериментов, где можно контролировать переменные и детально изучать явление. Помимо снижения затрат, это может привести к созданию более компактных и безопасных рентгеновских технологий для медицины и систем досмотра. Как отметил профессор Паско, возможность экспериментировать с условиями, аналогичными грозовым, прямо на лабораторном столе была бы замечательной — это гораздо экономичнее и позволяет ответить на множество вопросов.
Это математическое подтверждение показывает, что для изучения физики многокилометровых гроз вовсе не обязательно полагаться на природную стихию. Пока работа остаётся теоретической, однако если последуют экспериментальные подтверждения, окутанная тайной природа возникновения и распространения молний в атмосфере Земли может быть наконец раскрыта.
Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters 5 марта.