专家答疑

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宇宙射线会引起闪电吗?——B. Whiteside,伍德里奇,伊利诺伊州

佛罗里达理工学院物理学和空间科学教授约瑟夫·R·德怀尔也有同样的疑问

虽然一些研究人员提出宇宙射线会引发闪电,但包括我在内的其他人对这一理论表示怀疑。目前,这场辩论尚未定论。


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数十年来对雷暴内部的测量未能发现足以自发引发闪电的足够大的电场。莫斯科列别捷夫物理研究所物理学家亚历克斯·V·古列维奇及其合作者于 1992 年提出的一种机制表明,高能宇宙射线(起源于爆炸的恒星)产生的大量高能粒子簇射的运动可能触发闪电的巨大能量释放。为了使古列维奇的机制发挥作用,必须有许多带电粒子同时穿过风暴。由于仅靠宇宙射线簇射无法产生足够多的此类粒子,古列维奇推测,雷暴通过一种称为失控击穿的过程增加高能粒子的数量,从而增强了宇宙射线簇射。

失控击穿发生在宇宙射线粒子撞击大气中的空气分子时,撞击出高能电子。当这些喷射出的电子与其他空气分子碰撞时,它们会产生更多的失控电子以及 X 射线和伽马射线,从而导致高能粒子的雪崩,撕裂云层。根据古列维奇模型,这种级联是引发闪电的催化剂。

我们知道,失控击穿对于雷暴内部的低电平电场确实有效。通过观察从雷暴中射出的大量 X 射线和伽马射线爆发,我们也知道这有时发生在闪电发生之前。但对宇宙射线的提议仍然存在怀疑。(事实上,一些理论涉及由其他来源引发的失控击穿。)主要的绊脚石是,闪电必须形成一个导电通道才能传播。这个通道非常热,宽度只有几厘米,就像一根金属线,允许巨大的电流通过。由宇宙射线引起的失控击穿产生的大而弥散的放电如何导致如此狭窄、炽热的通道仍然不清楚。

三块小骨头如何将声音放大到内耳?——P. Madsen,纽约州布鲁克林

塔夫茨大学萨克勒研究生生物医学科学学院神经科学助理教授道格拉斯·E·维特回答:

中耳的锤骨、砧骨和镫骨(也分别称为锤骨、砧骨和镫骨,统称为听小骨)排列成杠杆系统。它们的杠杆能力,加上振动能量从较大的鼓膜集中到小得多的镫骨,有效地传递了使我们能够听到声音的力量。

中耳听小骨位于鼓膜和耳蜗(螺旋形管道,其毛细胞将声音传递到内耳)之间。内耳充满了液体,因此我们的听觉系统必须将空气传播的声音振动传递到该液体中。如果没有这些听小骨,只有大约 0.1% 的声音能量会进入内耳——其余的会像陆地上的人在水下听到声音一样从表面反射回来。

当受到声音振动时,鼓膜会使中耳听小骨运动起来。锤骨的一端附着在鼓膜上,另一端与砧骨形成铰链。砧骨的另一端与镫骨融合。镫骨的底板——类似于实际镫骨中的脚踏板的扁平部分——松散地附着在耳蜗中称为卵圆窗的开口处,它像活塞一样来回移动。这种运动将放大的振动传递到充满液体的内耳,从而向大脑发出声音事件的信号。

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大众科学 Magazine Vol 298 Issue 4本文最初以“专家答疑”为标题发表于大众科学杂志 第 298 卷第 4 期 (), 第 114 页
doi:10.1038/scientificamerican0408-114
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