据新华社上海4月16日电(记者/张建松)球状闪电,俗称“滚地雷”,是自然界最神秘的电磁现象之一。许多人曾目击到这种悬浮于空气中的发光球体,心中充满了好奇和追问。科学家们也提出过多种理论假说,但始终缺乏可重复、可精确诊断的实验加以验证。
在深厚技术积累基础上,中国科学院上海光学精密机械研究所的研究团队,首次在世界上用人工方式,成功激发并捕获了一种在形状、状态和发光特性与自然界球状闪电高度相似的球形发光体,从而揭示并证实球状闪电的本质为“电磁孤子”。16日,国际权威学术期刊《自然·光子学》发表了相关论文。
“它飘了进来,一个篮球大小的蓝色火球。它像一个蓝色的幽灵,一个凝固的闪电,在客厅里飘行,发出的光芒柔和冰凉。它没有声音,也没有轨迹,就那么无声地、空灵地飘着,像在空气中游泳。”这是科幻作家刘慈欣在《球状闪电》一书中描写的球状闪电。
我国科学家在实验室里人工制造的“类球状闪电”是什么样子呢?
记者在研究团队用高速摄像系统捕捉的画面中看到:黑暗中,只见一个明亮的白色发光体,被一层幽蓝的外壳团团包裹,形成了一个球形的能量体,从小到大、飘忽不定、逐渐膨胀。慢慢地,球体变成了蓝色的粗颗粒状,最终耗散。
“这个蓝色的外壳,就是像太阳一样的燃烧等离子体,它如同一个无形的‘光之茧’,将电磁波紧紧包裹在中间,最终形成了一个直径约百微米、寿命达百纳秒的能量球。”上海光机所田野研究员解释说,“这个能量球缓慢膨胀,发出的光谱覆盖从紫外到红外的宽波段,完全符合理论预言的电磁孤子行为。经物理标度变换,该电磁孤子可对应自然界中直径几十厘米、持续数秒的球状闪电。”
“电磁孤子”就是电磁波变成了像粒子一样稳定态、会穿墙、精准攻击的“电磁幽灵球”——这正是科幻小说《球状闪电》的现实物理原型。
此前,浙江大学武慧春教授在理论上研究认为,球状闪电可以解释为电磁孤子的宏观表现形式:它由高温等离子体构成,却能在数秒内维持球状形态而不快速耗散。然而,其能量来源与稳定机制始终缺乏系统的物理解释与实验验证。
在上海光机所这项最新的研究中,科学家如何在实验室人工制造出“电磁孤子”并激发成“类球状闪电”呢?
据上海光机所团队负责人宋立伟研究员介绍,该项研究基于团队在“强激光驱动丝波导太赫兹源”领域的持续深耕,特别是围绕极端太赫兹光场和非平衡物态的前沿展开的研究,为本次突破提供了关键支撑。