“它在我們的頭頂上輕盈地飄動(dòng)著，身后拖著一條發(fā)出暗紅色光芒的尾跡，它的飛行路線變幻不定，那尾跡在我們上方劃出了一條令人迷惑的復(fù)雜曲線。”劉慈欣科幻小說中的這段描述，曾讓無數(shù)讀者對(duì)球狀閃電充滿遐想。

在現(xiàn)實(shí)中，球狀閃電同樣長期籠罩著神秘色彩。兩百多年來，許多科學(xué)家試圖解釋這一奇異現(xiàn)象的能量來源和形態(tài)維持機(jī)制，但始終缺乏可重復(fù)、可精確診斷的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

如今，這一謎題的破解有了新進(jìn)展。

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（以下簡(jiǎn)稱上海光機(jī)所）研究員宋立偉、田野和李儒新團(tuán)隊(duì)，首次成功激發(fā)并捕獲了一種在形狀、狀態(tài)和發(fā)光特性上與球狀閃電高度相似的球形發(fā)光體，并證實(shí)其本質(zhì)為一種電磁孤子。4月16日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然-光子學(xué)》。

從電磁孤子出發(fā)，理解神秘的球狀閃電

球狀閃電是自然界最神秘的電磁現(xiàn)象之一。在各種歷史記錄和目擊者的口述中，球狀閃電通常懸浮于空氣中，直徑多為幾十厘米，壽命長達(dá)數(shù)秒至數(shù)分鐘。與普通閃電相比，球狀閃電既稀少又難以預(yù)測(cè)，往往隨機(jī)出現(xiàn)在某個(gè)角落。因此，球狀閃電極難被精密的科學(xué)儀器直接觀測(cè)，更難針對(duì)其背后的物理機(jī)制開展系統(tǒng)研究。

它為何能在空氣中維持而不迅速耗散？又如何保持相對(duì)穩(wěn)定的球形結(jié)構(gòu)？這些問題始終是球狀閃電研究的核心。

“這是一種十分特殊的存在，明明是一團(tuán)高溫等離子體，卻沒有立刻炸開?！碧镆罢f，“這種看似矛盾的狀態(tài)，背后很可能存在一種精妙的動(dòng)態(tài)平衡——電磁輻射壓與等離子體熱壓相互抗衡，使它在一定時(shí)間內(nèi)維持穩(wěn)定形態(tài)?！?/p>

此前有理論研究提出，球狀閃電可解釋為微波電磁孤子的宏觀表現(xiàn)形式。所謂電磁孤子，可以理解為一種能夠“自我約束”的穩(wěn)定波動(dòng)結(jié)構(gòu)。它由高溫等離子體構(gòu)成，在沒有外部能量持續(xù)維持的情況下，仍能在一定時(shí)間內(nèi)保持自身結(jié)構(gòu)并緩慢演化。

如果這一設(shè)想成立，那么破解球狀閃電之謎的關(guān)鍵就是在實(shí)驗(yàn)中獲得尺度更大、壽命更長的電磁孤子，并看清它是如何形成和演化的。

事實(shí)上，自20世紀(jì)90年代以來，科學(xué)家已在超強(qiáng)激光與等離子體實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到電磁孤子。不過，這類孤子的持續(xù)時(shí)間通常只有皮秒量級(jí)，尺寸也僅為微米量級(jí)，與自然界中的球狀閃電相去甚遠(yuǎn)。

“我們認(rèn)為，如果將驅(qū)動(dòng)源從傳統(tǒng)近紅外波段拓展至波長更長的太赫茲波段，理論上可產(chǎn)生尺度更大、壽命更長的宏觀電磁孤子，使其更接近自然界球狀閃電的特征?！闭撐墓餐谝蛔髡?、上海光機(jī)所副研究員周楚亮告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

順著這個(gè)思路，團(tuán)隊(duì)開始了探索。

羲和助力，捕獲電磁孤子

團(tuán)隊(duì)面臨的首個(gè)挑戰(zhàn)是如何將太赫茲波推進(jìn)至相對(duì)論強(qiáng)度，并使其與等離子體參數(shù)精準(zhǔn)匹配。這也是該領(lǐng)域長期未能攻克的關(guān)鍵難題。

幸運(yùn)的是，他們有兩大關(guān)鍵支撐。

其一是上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置（又稱羲和激光裝置）。該裝置由上海光機(jī)所科研團(tuán)隊(duì)牽頭研發(fā)，是國際上首臺(tái)實(shí)現(xiàn)10拍瓦激光放大輸出的超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置，可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)創(chuàng)造出前所未有的超強(qiáng)電磁場(chǎng)、超高能量密度和超快時(shí)間尺度等綜合性極端物理?xiàng)l件。

其二是團(tuán)隊(duì)在強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)絲波導(dǎo)太赫茲源領(lǐng)域的持續(xù)積累。自2017年以來，團(tuán)隊(duì)在強(qiáng)太赫茲產(chǎn)生、放大、調(diào)控、應(yīng)用等方面取得系列突破，逐步建立起從極端太赫茲源產(chǎn)生到強(qiáng)場(chǎng)超快動(dòng)力學(xué)物理研究的完整技術(shù)與科學(xué)體系，為此次實(shí)驗(yàn)鋪平了道路。

“基于羲和激光裝置的飛秒強(qiáng)激光，我們驅(qū)動(dòng)微金屬絲產(chǎn)生了相對(duì)論強(qiáng)度的太赫茲表面波?！彼瘟ケ硎?。實(shí)驗(yàn)中也用到了近場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，即將原本空間分布較寬的電磁場(chǎng)壓縮到一個(gè)極小空間里，使局部強(qiáng)度被顯著放大，從而為亞毫米尺度電磁孤子的產(chǎn)生提供了高質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)源。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)引入超音速氣體噴流，將高密度氬氣注入針尖附近區(qū)域。強(qiáng)太赫茲場(chǎng)迅速把氬氣電離，形成參數(shù)可控的等離子體環(huán)境。隨后，太赫茲的電磁輻射壓推動(dòng)周圍等離子體形成一層致密的等離子體殼，如同一個(gè)無形的“光之繭”，將部分太赫茲波能量束縛在其中，最終形成一個(gè)直徑約百微米、壽命長達(dá)百納秒的球狀電磁孤子。

按物理標(biāo)度變換，該孤子可對(duì)應(yīng)自然界中直徑幾十厘米、持續(xù)數(shù)秒的球狀閃電。這意味著，科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)室中獲得了一個(gè)可重復(fù)生成、可精確診斷的類似自然界“球狀閃電”的對(duì)象。

看清“能量球”如何誕生、膨脹與耗散

在制造出“類球狀閃電”的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步看清了它的演化過程。

他們借助自主搭建的高速成像系統(tǒng)，首次完整記錄了球狀太赫茲孤子從形成、膨脹到耗散的全過程。其演化時(shí)間超過百納秒，較傳統(tǒng)近紅外激光驅(qū)動(dòng)的孤子提升了4至5個(gè)數(shù)量級(jí)。

實(shí)驗(yàn)中，“能量球”初始尺寸約為80微米，隨后緩慢膨脹，發(fā)射光譜覆蓋紫外至紅外波段。對(duì)發(fā)射光譜的精確解析顯示，孤子中的電子溫度在百納秒時(shí)間內(nèi)由約6電子伏特逐漸下降至0.5電子伏特，即從約7萬攝氏度下降至約6000攝氏度。

“這一緩慢冷卻過程證實(shí)了該‘能量球’空腔中俘獲的太赫茲波，在持續(xù)給‘能量球’注入能量?！彼瘟ソ忉?，“正是內(nèi)部太赫茲輻射壓與外部球殼等離子體熱壓之間的動(dòng)態(tài)平衡，使這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)超普通熱等離子體壽命的自持演化，為球狀閃電的長壽命之謎提供了清晰的實(shí)驗(yàn)判據(jù)?！?/p>

回歸更本質(zhì)的科學(xué)問題，這項(xiàng)研究揭示了光輻射壓力與熱等離子體壓力動(dòng)態(tài)平衡，從而形成自持發(fā)光球形結(jié)構(gòu)的精妙物理過程，生動(dòng)展示了極端條件下電磁場(chǎng)與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理美學(xué)。

“研究成果有望為極端強(qiáng)場(chǎng)原子分子物理、電磁孤子動(dòng)力學(xué)、大氣物理學(xué)以及新型聚變物理路徑等研究提供有益啟示。”宋立偉表示，“這項(xiàng)研究展現(xiàn)了強(qiáng)場(chǎng)太赫茲表面波技術(shù)作為一種新工具的潛力，不僅是探索應(yīng)用技術(shù)的新引擎，也可能成為揭示自然未解現(xiàn)象的重要工具。”

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41566-026-01899-y

責(zé)任編輯：郭曉珺