刘慈欣科幻小说成真？中国科学家破解百年谜团，在实验室制造“类球状闪电”

提起球状闪电，很多人会联想到刘慈欣的科幻小说《球状闪电》。书中将其描绘成能吞噬生命、呈现量子态的神秘存在；而在现实世界中，球状闪电堪称最“科幻”的自然现象之一。与普通闪电不同，它能长时间稳定存在，大小与篮球、足球相近。

由于球状闪电出现随机、难以预测，极难被精密的科学仪器直接观测，其能量来源与形态维持机制始终是未解之谜，困扰了人类两百多年。法拉第、特斯拉以及诺贝尔物理学奖得主卡皮查等科学家都曾尝试给出解释，但核心问题始终悬而未决：一团炽热的等离子体，为何能在空气中稳定存在而不迅速耗散？又是什么机制将其束缚成稳定的球形？

北京时间4月16日，中国科学院上海光学精密机械研究所（简称上海光机所）团队在《自然・光子学》发表最新研究成果，首次在实验室条件下捕获了尺度近毫米级、寿命达百纳秒量级的球状电磁孤子，其形状、状态和发光特性与自然界中的球状闪电高度相似，为揭示球状闪电这一百年自然之谜提供了关键实验证据与物理解释。

球状电磁孤子封面艺术图

【球状闪电有多“诡异”】

人们常说“瘦成一道闪电”“快如一道闪电”，描述的正是普通闪电的特征：呈直线状，转瞬即逝。而球状闪电并非普通闪电的“球形版本”。它的直径通常为几十厘米，大小与篮球、足球相近，寿命可达数秒至数分钟，能漂浮在空中。

球状闪电只在雷雨天偶尔出现，发生频次仅为普通闪电的千分之一到百分之一，普通人一生中约有3%-5%的概率亲眼目睹。

长久以来，科学家对此提出过各种猜想，但始终缺乏实验证据。

【就像一个“光之茧”】

在实验室里“制造”球状闪电有多难？据了解，过去的实验用红外激光只能产生微米级、皮秒级的微小结构，与天然球状闪电相差甚远。

上海光机所团队跳出传统思路，放弃红外光波，改用波长更长的太赫兹波开展实验。研究人员利用超强飞秒激光驱动金属丝产生超强太赫兹表面波，借助纳米针尖将太赫兹场强放大到100亿伏/米以上，同时将其注入至高速喷流氩气中，氩气被太赫兹强场瞬间电离成等离子体，随后，太赫兹的电磁辐射压推动周围等离子体形成一层致密的等离子体壳，将部分太赫兹电磁能量束缚在其中，最终形成近毫米级、寿命达百纳秒的稳定光球。

上海光机所研究团队

值得一提的是，刘慈欣在小说中将球状闪电的本质设定为“宏电子”。现实中的真相究竟如何？上海光机所团队给出了清晰答案：球状闪电的本质是电磁波被囚禁于等离子体空腔所形成的稳定结构——电磁孤子。简单来说，它就像一个“光之茧”：强电磁场能量被一层薄薄的等离子体外壳包裹，外壳压力和内部电磁场的辐射压达成精妙平衡。即便没有外部持续供能，它也能自主维持球状结构并缓慢燃烧发光。这种自我稳定的特殊结构，正是球状闪电能够长时间存在的核心秘密。

【解开百年自然之谜】

这一突破意义有多大？

据介绍，该工作通过球状太赫兹孤子的受控产生，为球状闪电这一百年自然之谜提供了关键实验证据与物理解释，生动展示了极端条件下电磁场与物质相互作用所呈现的物理美学。

实验观测到球形电磁孤子在发波段和几何尺寸上与自然界的球状闪电特征非常类似

这项研究还具有深远的科学价值。它揭示了球状闪电的物理本质，发现了极端电磁能量自我约束的全新机制，为未来聚变能源、太赫兹光子学、电磁能量存储、大气科学、地球物理学、强场物理等前沿领域打开了全新的研究方向。

原标题：《刘慈欣科幻小说成真？中国科学家破解百年谜团，在实验室制造“类球状闪电”》

图片来源：受访对象

来源：作者：解放日报 黄海华