世界首次！我国科学家造出“球状闪电”

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球状闪电，俗称“滚地雷”，是自然界最神秘的电磁现象之一。许多人曾目击到这种悬浮于空气中的发光球体，心中充满了好奇和追问。科学家们也提出过多种理论假说，但始终缺乏可重复、可精确诊断的实验加以验证。

在深厚技术积累基础上，中国科学院上海光学精密机械研究所的研究团队，首次在世界上用人工方式，成功激发并捕获了一种在形状、状态和发光特性与自然界球状闪电高度相似的球形发光体，从而揭示并证实球状闪电的本质为“电磁孤子”。4月16日，国际权威学术期刊《自然·光子学》发表了相关论文。

“它飘了进来，一个篮球大小的蓝色火球。它像一个蓝色的幽灵，一个凝固的闪电，在客厅里飘行，发出的光芒柔和冰凉。它没有声音，也没有轨迹，就那么无声地、空灵地飘着，像在空气中游泳。”这是科幻作家刘慈欣在《球状闪电》一书中描写的球状闪电。

我国科学家在实验室里人工制造的“类球状闪电”是什么样子呢？

科学家在实验室用高速摄像系统捕捉的“类球状闪电”。（上海光机所供图）

记者在研究团队用高速摄像系统捕捉的画面中看到：黑暗中，只见一个明亮的白色发光体，被一层幽蓝的外壳团团包裹，形成了一个球形的能量体，从小到大、飘忽不定、逐渐膨胀。慢慢地，球体变成了蓝色的粗颗粒状，最终耗散。

“这个蓝色的外壳，就是像太阳一样的燃烧等离子体，它如同一个无形的‘光之茧’，将电磁波紧紧包裹在中间，最终形成了一个直径约百微米、寿命达百纳秒的能量球。”上海光机所田野研究员解释说，“这个能量球缓慢膨胀，发出的光谱覆盖从紫外到红外的宽波段，完全符合理论预言的电磁孤子行为。经物理标度变换，该电磁孤子可对应自然界中直径几十厘米、持续数秒的球状闪电。”

“电磁孤子”就是电磁波变成了像粒子一样稳定态、会穿墙、精准攻击的“电磁幽灵球”——这正是科幻小说《球状闪电》的现实物理原型。

此前，浙江大学武慧春教授在理论上研究认为，球状闪电可以解释为电磁孤子的宏观表现形式：它由高温等离子体构成，却能在数秒内维持球状形态而不快速耗散。然而，其能量来源与稳定机制始终缺乏系统的物理解释与实验验证。

在上海光机所这项最新的研究中，科学家如何在实验室人工制造出“电磁孤子”并激发成“类球状闪电”呢？

“电磁孤子”多波段发光随时间演化图。（上海光机所供图）

据上海光机所团队负责人宋立伟研究员介绍，该项研究基于团队在“强激光驱动丝波导太赫兹源”领域的持续深耕，特别是围绕极端太赫兹光场和非平衡物态的前沿展开的研究，为本次突破提供了关键支撑。

研究团队将激光驱动金属丝产生的太赫兹表面波，导引至纳米级针尖，借助其亚波长约束和近场增强效应，在局域实现了相对论级强度的近场场强，为亚毫米尺度电磁孤子的产生提供了高质量的驱动源。

与此同步，将超音速氩气气体喷流注入针尖近场区。在强太赫兹电场作用下，气体被迅速电离为等离子体，并将电子和离子向外排开，中间形成一个球形空腔。而球壳表面则是被太赫兹波推动，形成一层致密高温的等离子体壳。球形腔内的光波辐射压与球壳表面的热压，随着球体膨胀达成了一种“精妙的力学平衡”，将太赫兹波囚禁在内，进而形成了类似自然界的球状闪电。

业内专家认为，该研究不仅为破解球状闪电这一科学悬案提供了关键实验证据，也揭示了极端电磁能量约束的基础物理机制，为聚变能源、高能量密度物理及能量存储等相关领域研究提供了新的参考。

来源：新华社微信公众号、中科院之声微信公众号