刘慈欣笔下的“球状闪电”，中国科学家揭开了它的神秘面纱！

在刘慈欣的科幻小说《球状闪电》中，有一种神秘的能量体，它能够悬浮于半空、发出幽暗光芒，甚至能瞬间将人化为灰烬。这一创作灵感源于自然界中的球状闪电现象——它通常表现为一个明亮、发光的气态火球，能够在空气中稳定移动并存活数秒之久，曾多次出现在雷暴天气的目击报告中。

然而，这种奇特的大气现象极为罕见，且极难被探测设备捕捉。关于其具体的物理形成机制，在科学界一百多年来始终没有定论。

画家笔下的球状闪电现象（图片来源：Wikipedia）

与此同时，在微观的电磁学与等离子体物理领域，物理学家一直在尝试制造一种极端的物质状态——电磁孤子，其物理机制与球状闪电非常相似。就在最近，来自中国科学院上海光学精密机械研究所的研究团队首次在实验室中利用相对论太赫兹（THz）电磁场，受控生成了宏观尺寸、长寿命的“类球状闪电”电磁孤子结构。研究成果发表在期刊《自然·光子学》（Nature Photonics）上。

研究团队实验产生的“类球状闪电”电磁孤子（图片来源：参考文献）

等离子体的“魔法”：电磁孤子

要理解中国科学家们制造出的究竟是什么，首先需要明确孤子（soliton）这一物理学概念。

波的现象在自然界和我们的日常生活中随处可见，例如投入石子后水面荡漾的水波，或者空气中传播的声波。通常情况下，波在传播时会随着时间和空间向四周扩散、衰减。

然而，在特定物理条件下，波会出现一种自我束缚、维持形状和能量高度稳定的孤立实体状态，这就是孤子。它就像是一种不会散开的能量包，任波形变化，自身却保持不变。

海面上的孤波（红色箭头处），在长距离平移中始终保持连贯形状，像一个移动的透明“水包”（图片来源：University of Washington）

而在等离子体中，同样有一种类似的稳定结构——电磁孤子。

等离子体是一种特殊的物质形态，由游离的正离子和自由电子组成，常被称为物质在气、液、固之外的“第四态”。宇宙中发光发热的太阳、雷暴天气中的闪电、工厂里切割金属的电弧焊，这些释放着巨大光和热的物质或现象，本质上都是气体被极度加热或电击后形成了等离子体。

闪电是一种典型的等离子体（图片来源：veer图库）

理论预言，当有强大的电磁波在等离子体中传输时，电磁波的辐射压会将等离子体向外排开，在中心形成密度空腔；同时传输过程中电磁波的能量会损失，导致它的频率逐渐降低，当频率降至等离子体自身振荡频率以下时，部分低频电磁能量便被这个空腔结构俘获，在等离子体中就可能形成一种特殊的结构，即电磁孤子。

“类球状闪电”电磁孤子艺术效果图

然而，想要产生稳定存在的准静态电磁孤子，需要极其苛刻的物理条件，等离子体必须达成一种精妙的双向平衡：

电磁波向外推的辐射压力：当存在强大的电磁场时，高频振荡的电场会使等离子体粒子发生剧烈振荡，而运动的粒子又会在磁场中受到洛伦兹力，宏观上会表现为试图把等离子体向外排开，形成类似空泡结构。

等离子体自身向内的热压力：当电磁波的辐射压在等离子体中心撑开一个空腔时，外围未被排开的等离子体具有极高的温度和热运动，会产生向内挤压的力，试图填补内部的空腔。当向外的辐射压力与向内的热压力相互抵消时，内部的电磁场能量就会被完美地束缚在等离子体的空腔内，从而形成一个能够自我维持的动态平衡体——电磁孤子。

你可以将电磁孤子的诞生想象成“吹泡泡”：电磁场的辐射压力就像吹入泡泡的内部气体，拼命向外扩张；而等离子体自身的热压力，则像肥皂水的表面张力一样向内收缩。当向外撑和向内缩的力达成完美的动态平衡时，这个“泡泡”就能够稳定地存在一段时间。

图片来源：veer图库

传统光学频率的“死胡同”

自从电磁孤子的相关理论提出以来，物理学家一直尝试在实验室制造稳定存在的电磁孤子，直到2002年，科学家才首次利用超强激光脉冲与等离子体相互作用，在实验中观察到了微米尺度的泡泡状结构，并推断其为电磁孤子。此后，多个国际团队也通过强激光装置相继发现了类似的电磁孤子。

然而，这些在近红外激光条件下生成的结构，始终面临一道根本性的物理限制。要在此频段下依靠等离子体空腔困住电磁波，等离子体的密度必须达到或超过一个特定的临界密度。

这个临界密度与激光频率的平方成正比。对于可见光或近红外光，光的频率达到了1014Hz的数量级，对应的临界密度极高，在现实中几乎不可能长时间维持。因此，在传统的光学频率下，科学家们只能在极微观尺度、极短时间内观察到电磁孤子，其空间尺寸通常只有几微米（10-6米，百万分之一米），存活时间也仅有皮秒（10-12秒，万亿分之一秒）级别。现有的观测设备极难对这一尺度进行清晰的高分辨率表征，更不用说对其演化过程进行系统性研究。

太赫兹波的破局

为了打破这一长久以来的实验观测瓶颈，来自中国科学院上海光学精密机械研究所等机构的研究人员转变了研究思路，将目光投向了频率远低于可见光的太赫兹（THz）波段。

太赫兹波在电磁波谱中的区位示意图（图片来源：All About Circuit）

理论计算表明，如果将外部电磁场的频率转到太赫兹频段，可以大幅降低对等离子体密度的苛刻要求，同时极大地延长孤子的寿命并增加其宏观尺寸。可问题在于，普通的太赫兹波在空气中传播时，能量会迅速发散，难以产生让等离子体内部分离的辐射压力。

为了实现极端的能量聚焦，研究人员采用了一种精巧的纳米光子学方案——太赫兹表面等离激元（THz-SPPs）。

这是一种光子与金属表面的自由电子相互耦合而形成的特殊“光电混合波”，能够紧贴金属表面传播。太赫兹波的传播路径受到金属的几何形状限制，因此能量不再快速发散，从而有可能制造出极端强电场，为产生电磁孤子创造条件。

电磁孤子的诞生

现在来看研究人员具体是如何制造电磁孤子的。简单来说，过程就是这样：先在极小空间内制造出强电场，再输入气体电离，生成高能等离子体，最终产生电磁孤子。

在实验中，研究团队准备了一根尖端极细的钨针。这根钨针越往前端越细，针尖的半径只有约50纳米。

实验中的钨针（图片来源：参考文献）

在经典物理学中，波都受制于衍射极限，无法聚焦到比它自身波长还要小很多的点上。而对于这一针尖而言，50纳米仅有太赫兹波长的千分之一甚至万分之一，达到了亚波长尺度，能够实现能量的汇聚。

利用太赫兹表面等离激元制造电磁孤子的实验装置示意图（图片来源：参考文献）

研究人员将飞秒强激光精准照射在钨针上，激发出了太赫兹表面等离激元（SPP）。当这股SPP沿着越来越细的针尖向前传播时，其空间分布被强制性地不断压缩。因为波的能量无法脱离金属表面散开，它只能在到达针尖顶端时，被挤压在一个极小的体积内。局部电场强度瞬间被急剧放大了十倍以上，最终飙升至惊人的10GV/m（每米一百亿伏特）。

在如此极端的条件下，研究人员又将氩气喷入了针尖的强电场中。氩气原子的外层电子瞬间被剥离，形成能量密度极高的等离子体。被加速到接近光速的电子像推雪机扫雪一样，挖出了电磁孤子所需的空腔。

左：太赫兹表面等离激元在钨针尖端激发电磁孤子的示意图
右：尖端顶部的总电场强度分布和电场矢量
（图片来源：参考文献）

在这一状态下，向外的电磁辐射压力、向内的等离子体热压力在尖端达成了完美的动态平衡。研究人员通过超快显微成像系统和光谱分析发现，电磁能量被完美束缚在等离子体球壳内，形成了电磁孤子。这一结构不仅长到了接近肉眼可见的亚毫米级别（直径约150-400微米），而且在实验室参考系中存活了长达100纳秒。

发光等离子体球演化过程的超快显微成像（图片来源：参考文献）

观测发现，该电磁孤子的膨胀过程契合物理学中的“雪犁”（Snow-plow）模型。并且，在没有外部持续能量输入的情况下，它持续发出波长范围非常广泛的电磁波（从紫外线到红外线），这证明其内部成功实现了连续、高效的电磁能量束缚，完全符合理论预言的电磁孤子行为。

电磁孤子空间成像与光谱强度的时间演化（图片来源：参考文献）

与球状闪电的奇妙关联

话说回来，文章开头我们就提到，研究人员制造出的这一电磁孤子和球形闪电具有相似之处，论文也在标题强调了“类球状闪电（Ball-lightning-like）”的特点。为什么说此次制造的电磁孤子类似球状闪电呢？

最直观的一点就是“形状”。大自然中的球状闪电最鲜明的特征，就是悬浮发光和自我维持的球形结构。此次研究制造出的电磁孤子同样展现出了毫米级的球形轮廓，并且发出持续的光学辐射。一种理论认为，球状闪电的形成源于局部电磁能量的极端自我组织过程，而这与电磁孤子的内部能量循环机制具有相似之处。

更重要的是尺度分析。此次制造的电磁孤子尺寸在毫米级别，在实验室内维持了约100纳秒。如果从自然界雷暴天气的宏观物理视角来看，电磁孤子的时间和空间尺度恰好对应于厘米级尺寸、秒级寿命的真实球状闪电。

此次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，也可能让人类拥有了一台“球状闪电模拟器”，让研究人员能够安全、可重复地在实验桌上对其进行研究。同时，研究还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。

参考文献：

[1] Zhou C, Zhang D, Qi R, et al. Ball-lightning-like relativistic terahertz solitons[J]. Nature Photonics, 2026: 1-7.

审核：中国科学院上海光学精密机械研究所田野研究员、宋立伟研究员

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文章转载自“科学大院”公众号