中国科学家在实验室取得突破性进展，创造出神秘的球状闪电现象

🐈nicoID265 · 前天 15:54

在雷雨交加的夜晚，偶尔有人会目睹一种诡异的景象：一个发光的火球在半空中缓缓飘荡，有时穿过窗户，有时悄然消失，有时伴随一声爆响。
这就是球状闪电，一种被记录了几个世纪、却始终没能被科学完全解释的自然现象。
它出现得毫无规律，转瞬即逝，几乎不可能被提前预测和系统观测，因此长期笼罩着神秘色彩，甚至常被误认为不明飞行物。
现在，中国科学家在实验室里造出了一种与之相似的现象。
中国科学院上海光学精密机械研究所的研究团队，利用极强的太赫兹辐射，制造出一种类似球状闪电的发光球体。相关论文以“类球状闪电的相对论太赫兹孤子”为题，发表在国际顶级光学期刊《自然·光子学》上。
太赫兹：夹在微波和红外之间的“冷门光”

要理解这项实验，先得认识太赫兹辐射。
在电磁波谱上，太赫兹波位于微波和红外光之间。长期以来，由于难以产生和探测，这一波段被称为“太赫兹空白”，是光学和电子学都不太擅长的“三不管地带”。
近年来，随着强激光技术的进步，科学家已经能够产生极其强大的太赫兹场。上海光机所正是这一领域的国际前沿团队之一。
在这项实验中，研究人员利用超强太赫兹场，制造出一种球形“孤子”。
孤子是一种特殊的波，它在传播过程中能够保持形状和能量，不会像普通波那样逐渐扩散、衰减，可以看作一种类似粒子的波包。
打个比方，普通的波像往水里扔一颗石子激起的涟漪，一圈圈散开，很快就消失了；而孤子更像一个紧紧抱成团的“能量包裹”，可以长时间维持自身。
孤子最早是在1834年被一位苏格兰工程师在运河中发现的，他骑马追逐一道形状不变的水波长达数公里。如今，孤子已经广泛出现在光纤通信、等离子体物理等多个领域。
100纳秒的“长寿”光球
实验中产生的球体尺寸很小，远小于自然界中的球状闪电。
它能够被探测到的时间约为100纳秒，也就是一千万分之一秒。
这个时间听起来短得可怜，但在如此极端的物理条件下，它已经称得上异常“长寿”。在高强度辐射与物质相互作用的世界里，大多数结构往往在比这短得多的时间内就土崩瓦解。
研究人员观察到，这个球体会发出从紫外到可见光再到红外的宽谱光芒。
光谱特征显示，周围的物质发生了电离，说明强大的电磁场正在与环境中的物质剧烈相互作用。
球体的大小和发光特性随时间的变化，与现有理论模型的预测相吻合。
更重要的是，它持续发出的光芒表明，这一结构能够把能量约束在自身内部，而不是立即向四周散失。这恰恰是球状闪电最令人费解的特征之一：一团发光的能量，凭什么能在空气中维持那么久？
研究人员之所以称它为“相对论太赫兹孤子”，是因为实验中的电磁场强到足以把电子加速到接近光速。在这样的条件下，电子的质量会随速度增加而变大，物理规律必须用相对论来描述。
正是这种相对论效应，帮助电磁场在局部“自我约束”：电子被推开后形成一个空腔，电磁能量恰好被困在空腔之中，就像一只看不见的气泡把光包裹起来。
离解开千年之谜还有多远

研究团队认为，实验室中的这一现象所具有的特征，可能与理论上对更大尺度球状闪电的描述相匹配，比如直径一米左右、能持续数秒的发光球体。
如果这一联系最终得到证实，人类或许第一次拥有了在可控条件下研究球状闪电机制的“实验模型”。
在此之前，关于球状闪电的成因，科学界提出过数十种假说，从燃烧的硅蒸气到微波空腔，再到等离子体结构，众说纷纭，但都缺乏能够反复验证的实验平台。
这项研究的价值，正在于它把一个只能“碰运气”观察的自然现象，变成了一个可以在实验台上反复制造和测量的对象。
不过，研究人员也保持了科学上的审慎。这项实验并不能确凿地解释自然界中的球状闪电是如何形成的。
它证明的是：一种长寿命、性质相似的电磁结构，可以在受控条件下被制造出来并加以研究。从实验室里几纳秒的小光球，到雷雨中飘荡数秒的大火球，中间还有很长的路要走。
除了解释自然现象，这项研究还可能带来实际应用。
研究团队提出，这些发现可以为高能光子存储、电能存储，以及利用强辐射的新技术提供启发。如果能够把能量稳定地“锁”在一个小小的空间里，未来的储能方式或许会出现全新的思路。
这项成果也体现了中国在强场太赫兹领域的积累。上海光机所长期深耕超强超短激光技术，拥有世界一流的强激光装置，为产生极端太赫兹场提供了硬件基础。
从古代人眼中的“天火”，到今天实验台上的太赫兹孤子，人类对球状闪电的追问已经持续了数百年。
这团在实验室里亮起一千万分之一秒的微光，或许正是照亮这个千年谜题的第一束光。

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