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球狀閃電，俗稱“滾地雷”，是自然界最神秘的電磁現(xiàn)象之一。許多人曾目擊到這種懸浮于空氣中的發(fā)光球體，心中充滿了好奇和追問。科學(xué)家們也提出過多種理論假說，但始終缺乏可重復(fù)、可精確診斷的實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

在深厚技術(shù)積累基礎(chǔ)上，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的研究團(tuán)隊(duì)，首次在世界上用人工方式，成功激發(fā)并捕獲了一種在形狀、狀態(tài)和發(fā)光特性與自然界球狀閃電高度相似的球形發(fā)光體，從而揭示并證實(shí)球狀閃電的本質(zhì)為“電磁孤子”。16日，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》發(fā)表了相關(guān)論文。

“它飄了進(jìn)來，一個(gè)籃球大小的藍(lán)色火球。它像一個(gè)藍(lán)色的幽靈，一個(gè)凝固的閃電，在客廳里飄行，發(fā)出的光芒柔和冰涼。它沒有聲音，也沒有軌跡，就那么無聲地、空靈地飄著，像在空氣中游泳。”這是科幻作家劉慈欣在《球狀閃電》一書中描寫的球狀閃電。

我國科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里人工制造的“類球狀閃電”是什么樣子呢？

科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室用高速攝像系統(tǒng)捕捉的“類球狀閃電”。（上海光機(jī)所供圖）

記者在研究團(tuán)隊(duì)用高速攝像系統(tǒng)捕捉的畫面中看到：黑暗中，只見一個(gè)明亮的白色發(fā)光體，被一層幽藍(lán)的外殼團(tuán)團(tuán)包裹，形成了一個(gè)球形的能量體，從小到大、飄忽不定、逐漸膨脹。慢慢地，球體變成了藍(lán)色的粗顆粒狀，最終耗散。

“這個(gè)藍(lán)色的外殼，就是像太陽一樣的燃燒等離子體，它如同一個(gè)無形的‘光之繭’，將電磁波緊緊包裹在中間，最終形成了一個(gè)直徑約百微米、壽命達(dá)百納秒的能量球?！鄙虾９鈾C(jī)所田野研究員解釋說，“這個(gè)能量球緩慢膨脹，發(fā)出的光譜覆蓋從紫外到紅外的寬波段，完全符合理論預(yù)言的電磁孤子行為。經(jīng)物理標(biāo)度變換，該電磁孤子可對(duì)應(yīng)自然界中直徑幾十厘米、持續(xù)數(shù)秒的球狀閃電?！?/p>

“電磁孤子”就是電磁波變成了像粒子一樣穩(wěn)定態(tài)、會(huì)穿墻、精準(zhǔn)攻擊的“電磁幽靈球”——這正是科幻小說《球狀閃電》的現(xiàn)實(shí)物理原型。

此前，浙江大學(xué)武慧春教授在理論上研究認(rèn)為，球狀閃電可以解釋為電磁孤子的宏觀表現(xiàn)形式：它由高溫等離子體構(gòu)成，卻能在數(shù)秒內(nèi)維持球狀形態(tài)而不快速耗散。然而，其能量來源與穩(wěn)定機(jī)制始終缺乏系統(tǒng)的物理解釋與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

在上海光機(jī)所這項(xiàng)最新的研究中，科學(xué)家如何在實(shí)驗(yàn)室人工制造出“電磁孤子”并激發(fā)成“類球狀閃電”呢？

“電磁孤子”多波段發(fā)光隨時(shí)間演化圖。（上海光機(jī)所供圖）

據(jù)上海光機(jī)所團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人宋立偉研究員介紹，該項(xiàng)研究基于團(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)深耕，特別是圍繞極端太赫茲光場(chǎng)和非平衡物態(tài)的前沿展開的研究，為本次突破提供了關(guān)鍵支撐。

研究團(tuán)隊(duì)將激光驅(qū)動(dòng)金屬絲產(chǎn)生的太赫茲表面波，導(dǎo)引至納米級(jí)針尖，借助其亞波長約束和近場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，在局域?qū)崿F(xiàn)了相對(duì)論級(jí)強(qiáng)度的近場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，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。

與此同步，將超音速氬氣氣體噴流注入針尖近場(chǎng)區(qū)。在強(qiáng)太赫茲電場(chǎng)作用下，氣體被迅速電離為等離子體，并將電子和離子向外排開，中間形成一個(gè)球形空腔。而球殼表面則是被太赫茲波推動(dòng)，形成一層致密高溫的等離子體殼。球形腔內(nèi)的光波輻射壓與球殼表面的熱壓，隨著球體膨脹達(dá)成了一種“精妙的力學(xué)平衡”，將太赫茲波囚禁在內(nèi)，進(jìn)而形成了類似自然界的球狀閃電。

業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，該研究不僅為破解球狀閃電這一科學(xué)懸案提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)，也揭示了極端電磁能量約束的基礎(chǔ)物理機(jī)制，為聚變能源、高能量密度物理及能量存儲(chǔ)等相關(guān)領(lǐng)域研究提供了新的參考。