中國科學(xué)家破解百年謎團(tuán) 球狀閃電之謎揭曉。提起球狀閃電，很多人會聯(lián)想到劉慈欣的科幻小說《球狀閃電》。書中將其描繪成能吞噬生命、呈現(xiàn)量子態(tài)的神秘存在；而在現(xiàn)實(shí)世界中，球狀閃電堪稱最“科幻”的自然現(xiàn)象之一。與普通閃電不同，它能長時(shí)間穩(wěn)定存在，大小與籃球、足球相近。

由于球狀閃電出現(xiàn)隨機(jī)、難以預(yù)測，極難被精密的科學(xué)儀器直接觀測，其能量來源與形態(tài)維持機(jī)制始終是未解之謎，困擾了人類兩百多年。法拉第、特斯拉以及諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主卡皮查等科學(xué)家都曾嘗試給出解釋，但核心問題始終懸而未決：一團(tuán)熾熱的等離子體，為何能在空氣中穩(wěn)定存在而不迅速耗散？又是什么機(jī)制將其束縛成穩(wěn)定的球形？

北京時(shí)間4月16日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所團(tuán)隊(duì)在《自然?光子學(xué)》發(fā)表最新研究成果，首次在實(shí)驗(yàn)室條件下捕獲了尺度近毫米級、壽命達(dá)百納秒量級的球狀電磁孤子，其形狀、狀態(tài)和發(fā)光特性與自然界中的球狀閃電高度相似，為揭示球狀閃電這一百年自然之謎提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)與物理解釋。

人們常說“瘦成一道閃電”“快如一道閃電”，描述的是普通閃電的特征：呈直線狀，轉(zhuǎn)瞬即逝。而球狀閃電并非普通閃電的“球形版本”。它的直徑通常為幾十厘米，大小與籃球、足球相近，壽命可達(dá)數(shù)秒至數(shù)分鐘，能漂浮在空中。球狀閃電只在雷雨天偶爾出現(xiàn)，發(fā)生頻次僅為普通閃電的千分之一到百分之一，普通人一生中約有3%-5%的概率親眼目睹。長久以來，科學(xué)家對此提出過各種猜想，但始終缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

在實(shí)驗(yàn)室里“制造”球狀閃電有多難？據(jù)了解，過去的實(shí)驗(yàn)用紅外激光只能產(chǎn)生微米級、皮秒級的微小結(jié)構(gòu)，與天然球狀閃電相差甚遠(yuǎn)。上海光機(jī)所團(tuán)隊(duì)跳出傳統(tǒng)思路，放棄紅外光波，改用波長更長的太赫茲波開展實(shí)驗(yàn)。研究人員利用超強(qiáng)飛秒激光驅(qū)動金屬絲產(chǎn)生超強(qiáng)太赫茲表面波，借助納米針尖將太赫茲場強(qiáng)放大到100億伏/米以上，同時(shí)將其注入至高速噴流氬氣中，氬氣被太赫茲強(qiáng)場瞬間電離成等離子體，隨后，太赫茲的電磁輻射壓推動周圍等離子體形成一層致密的等離子體殼，將部分太赫茲電磁能量束縛在其中，最終形成近毫米級、壽命達(dá)百納秒的穩(wěn)定光球。

值得一提的是，劉慈欣在小說中將球狀閃電的本質(zhì)設(shè)定為“宏電子”。現(xiàn)實(shí)中的真相究竟如何？上海光機(jī)所團(tuán)隊(duì)給出了清晰答案：球狀閃電的本質(zhì)是電磁波被囚禁于等離子體空腔所形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)——電磁孤子。簡單來說，它就像一個(gè)“光之繭”：強(qiáng)電磁場能量被一層薄薄的等離子體外殼包裹，外殼壓力和內(nèi)部電磁場的輻射壓達(dá)成精妙平衡。即便沒有外部持續(xù)供能，它也能自主維持球狀結(jié)構(gòu)并緩慢燃燒發(fā)光。這種自我穩(wěn)定的特殊結(jié)構(gòu)，正是球狀閃電能夠長時(shí)間存在的核心秘密。

該工作通過球狀太赫茲孤子的受控產(chǎn)生，為球狀閃電這一百年自然之謎提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)與物理解釋，生動展示了極端條件下電磁場與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理美學(xué)。實(shí)驗(yàn)觀測到球形電磁孤子在發(fā)波段和幾何尺寸上與自然界的球狀閃電特征非常類似。這項(xiàng)研究還具有深遠(yuǎn)的科學(xué)價(jià)值，揭示了球狀閃電的物理本質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了極端電磁能量自我約束的全新機(jī)制，為未來聚變能源、太赫茲光子學(xué)、電磁能量存儲、大氣科學(xué)、地球物理學(xué)、強(qiáng)場物理等前沿領(lǐng)域打開了全新的研究方向。中國科學(xué)家破解百年謎團(tuán) 球狀閃電之謎揭曉。