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。
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2025-12-05 07:58:25科研新突破!中國科學(xué)家破解植物再生密碼