搜狐科技《思想大爆炸——對話科學家》欄目第34期，對話中國科學技術大學地球和空間科學學院陸高鵬教授以及中國科學院上海光學精密機械研究所王鐵軍研究員。
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作者 |周錦童
數百年來，人類總是夢想“馴服”閃電，而閃電的沖擊力和破環力卻讓人望而卻步，如何消除閃電的破壞力成為無數科學家不懈探索的終極目標，而如今，激光束實現雷電引導或許讓科學家們離終極目標更近一步。
近期，由日內瓦大學的讓-皮埃爾·沃爾夫（Jean-Pierre Wolf）教授領導的團隊公布了一項最新的研究成果，研究人員將激光束照射到天空中，成功地引導了閃電，這一驚人的研究成果是科學史上的首次。
激光實現閃電引導的原理是什么？在此之前的研究為何都以失敗告終？未來激光束避雷針會代替現在使用的避雷針嗎？成本如何？又有哪些應用場景？帶著這些問題，搜狐科技對話了中國科學技術大學地球和空間科學學院陸高鵬教授以及中國科學院上海光學精密機械研究所王鐵軍研究員。
激光為何能夠引導閃電？此前激光束引導閃電為何都以失敗告終？
王鐵軍在解讀原理時表示：“強激光可以電離空氣產生等離子體，基本原理是使用超強超短激光束射向云層，激光脈沖可以電離并“加熱”空氣，營造出一個低電阻的長距離路徑區域，從而引導閃電進入這一通道。與之相似，現在還有一種引導方式叫火箭引雷，通過小型火箭拖帶導線，將雷電人為地引導到地面，使本來隨機發生的自然雷電在可控狀態下進行。”
雖然兩種都是采用主動的方式進行的，但陸高鵬認為采用激光束的方式是更為困難的，因為火箭引雷形成的電流通道是連續的，而激光束形成的電流通道是斷斷續續的，尤其是激光本身是一種等離子體，它在空氣中一直處于湍流的狀態，激光弱電離后很容易就被周圍的中心大氣消化掉，所以持續保持這種電離狀態是比較難的。
至于研究中激光束是如何精準地擊中高塔，陸高鵬則認為：“事先將激光器調校好，把激光的方向對準高塔，精確擊中不是很難的，研究中也指出，桑蒂斯山山頂的這個高塔平均每年會被閃電擊中100多次，是絕佳的實驗地點。”
其實在這個研究領域的早期，許多科學家都曾做過一系列的嘗試。王鐵軍稱1999年日本大阪大學報道了其在日本海岸線上開展了這種外場實驗，他們采用大能量二氧化碳激光和一微米釹玻璃激光等多個激光系統聯合到一起將閃電成功引下來兩次，雖然引導閃電的瞬間被拍了下來，但日本海岸線雷暴云層比較低，有閃電來襲時就會順著高塔下來。
因此，由于激光手段不足等問題，許多學者都認為他們的研究具有偶然性。此外，他們的實驗只做了一次就認為成功了，而科學研究技術方法能夠重復實驗是非常重要的，所以學者們普遍不愿意接受這一結果。
2008年在新墨西哥也有過類似的實驗，此時正在攻讀博士學位的陸高鵬也有幸參與其中。研究團隊在山頂上將激光向天上引導，他們認為激光到了雷暴里，促進了在雷暴云里小尺度放電，但實驗還是以失敗告終。對此，陸高鵬認為失敗的主要原因是能量問題，因為激光的能量越高，才能更容易保持弱電離的狀態。
但王鐵軍卻認為能量只是一方面的原因，失敗原因更多地涉及到了短脈沖的問題。“激光本身必須要短脈沖，短脈沖意味著激光在空氣中可以形成一個長的連續導電通道，但即使有了短脈沖，重復頻率不夠也不行。”王鐵軍如是說。
激光電離空氣產生等離子體，正常來講激光等離子體的壽命僅僅在納秒量級，等離子體壽命短就不足以支持長距離放電，在低密度通道下要保證脈沖打過去后下一個脈沖緊接著就過來，這樣才能實現持續穩定的導電通道。所以王鐵軍認為，高重復頻率是一個關鍵參數，即高平均功率，既有高的峰值功率又有高的平均功率才是實現引導閃電的關鍵。
“通過觀察數據可以看到，日內瓦大學這次的研究結果確實是可重復的，他們使用了高重頻激光器，我們可以看到激光束所形成的弱等離子體的通道使得部分電荷沿著這一通道繼續向下流，所以說這個研究在可信度上是比較高的。”陸高鵬如是說。
傳統避雷針有哪些不足之處？激光束避雷針能否取而代之？
據了解，現在人們最常用的避雷針是富蘭克林避雷針，即用避雷針牽制閃電，將閃電電流導入地下裝置。環球時報在對這項研究進行報道時曾表示：“這項技術未來有望替代傳統的避雷針。”那么傳統的避雷針有哪些不足之處？激光束避雷針又有哪些優勢？是否能夠將傳統避雷針取而代之呢？
陸高鵬向搜狐科技談及了避雷針的不足之處，他稱國外一些學者曾針對“避雷針是否應該這么尖”這個研究方向做過一些實驗，他們認為避雷針太尖效果并不是太好。
“因為尖端效應會形成一些電暈，而形成的電暈相當于把自身屏蔽掉了，閃電從上方來襲可能會看不到避雷針，也不能按照閃電通道運行，所以就會打到附近想要保護的物體上面。所以現在很多企業都考慮到這樣的問題，對許多保護設施都進行了改進，他們不再使用一根避雷針，而使用避雷帶或陣列式避雷針等。”陸高鵬如是說。
但談及激光束避雷針是否會代替傳統避雷針時，陸高鵬卻表示：“我認為不會取代傳統避雷針，因為目前避雷針才是經濟且有效的防雷設備，雖然激光束避雷針具有許多優勢，能量更強，但目前用到太瓦級激光器造價非常貴，大概幾百萬歐元一臺，成本太高了，所以更要考慮被保護的對象的成本。”
而王鐵軍則持一種樂觀的態度，他表示如果激光能夠真正地從技術角度解決問題，隨著激光技術的發展，成本也會降低，而且激光本身是可以重復作業的。此外，王鐵軍認為激光束避雷針是對傳統避雷針的發展，因為它本身還是依賴于富蘭克林針的避雷原理。
“但激光束避雷針的機動性和環境適應性更強，目前引雷手段還較為單一，在某些特殊區域放置幾百米長的避雷針是不現實的，激光避雷則可以很好地解決這個問題，現在激光已經做到了車載移動，等未來激光技術再進一步發展時，說不定可以實現機載或其他方式都是有可能的。”王鐵軍如是說。
科學史上首次成功用激光引導閃電究竟有什么意義？未來激光束避雷發展方向何去何從？
沃爾夫教授團隊的實驗其實是在2021年夏天完成的，當時就有許多媒體爭相報道，“當得知他們在開展外場試驗，我第一時間就給沃爾夫教授發去了郵件，真是太激動人心了。”王鐵軍興奮地對搜狐科技說。
如今，人工控制閃電不再是神話，那么科學史上首次用激光引導自然界的閃電究竟有什么意義呢？陸高鵬解釋道：“以前的實驗都是在實驗室中進行，都是在毫米、厘米、分米尺度上發現等離子體通道或激光通道對大氣放電過程有影響，而這個研究在戶外，高功率激光形成的綠色通道對自然界的閃電通道有所影響，可以說人類通過科學技術手段可以調制自然界的閃電通道，這也為進一步其他場景下利用人工激光引導閃電放電通道奠定了實驗基礎。”
談及未來激光束避雷的應用方向時，王鐵軍認為激光束避雷針主要還是會應用在某些對雷電比較敏感的領域，此外，最重要的是他認為激光避雷能夠更多地解決安全問題。
“每年閃電災害都會給個人的生命財產、敏感設置造成一定的損害，也會對人們日常出行造成一定的影響，如果能夠真正地解決閃電問題，從民用角度來看能夠解決典型自然災害的對人們的影響，也有望推動國家安全技術的發展。”王鐵軍如是說。
陸高鵬也認為未來激光束避雷會用很好的應用前景，他表示：“傳統避雷針需要等閃電來襲，而激光避雷針可以把閃電吸引過來，持續時間更長，效果也更顯著。所以應用場景會有很多，比如機場、通信基站、核電站等地方，尤其是在空氣比較稀薄場景，我覺得在臨近空間中高層大氣里可能會有更好的應用前景。”