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上海光機所圖片/網路圖片
中科院上海光學精密機械研究所團隊，近日首次在世界上用人工方式製造出類似自然界「球狀閃電」，揭示並證實球狀閃電的本質為「電磁孤子」；相關論文16日於國際期刊《自然·光子學》刊登。業內專家認為，該研究既為破解球狀閃電提供關鍵實驗證據，亦揭示極端電磁能量約束的基礎物理機制，為聚變能源、高能量密度物理及能量存儲等相關領域研究提供新參考。
世上首次人工激發球狀閃電
《新華社》16日報道，國際權威學術期刊《自然·光子學》（Nature Photonics）16日刊出由中國科學院上海光學精密機械研究所（上海光機所）研究團隊題為「Ball-lightning-like relativistic terahertz solitons」論文，該團隊近日首次在世界上用人工方式，成功激發並捕獲了一種在形狀、狀態和發光特性與自然界球狀閃電高度相似的球形發光體，從而揭示並證實球狀閃電的本質為「電磁孤子」。
符合理論預言電磁孤子行為
球狀閃電，俗稱「滾地雷」，是自然界最神秘的電磁現象之一，科學家們也提出過多種理論假說，但始終缺乏可重複、可精確診斷的實驗加以驗證。此前，浙江大學武慧春教授在理論上研究認為，球狀閃電可以解釋為電磁孤子的宏觀表現形式：它由高溫等離子體構成，卻能在數秒內維持球狀形態而不快速耗散。然而，其能量來源與穩定機制始終缺乏系統的物理解釋與實驗驗證。
上海光機所圖片
研究團隊用高速攝像系統捕捉畫面可見，黑暗中，只見一個明亮的白色發光體，被一層幽藍的外殼團團包裹，形成了一個球形的能量體，從小到大、飄忽不定、逐漸膨脹。慢慢地，球體變成了藍色的粗顆粒狀，最終耗散。
類球狀閃電電磁孤子結構示意圖（上海光機所圖片）
上海光機所田野研究員解釋指，這個藍色的外殼，就是像太陽一樣的燃燒等離子體，它如同一個無形的「光之繭」，將電磁波緊緊包裹在中間，最終形成了一個直徑約百微米、壽命達百納秒的能量球；這個能量球緩慢膨脹，發出的光譜覆蓋從紫外到紅外的寬波段，完全符合理論預言的電磁孤子行為。經物理標度變換，該電磁孤子可對應自然界中直徑幾十厘米、持續數秒的球狀閃電。
揭示極端電磁能量約束機制
上海光機所團隊負責人宋立偉研究員介紹，該項研究基於團隊在「強激光驅動絲波導太赫茲源」領域的持續深耕，特別是圍繞極端太赫茲光場和非平衡物態的前沿展開的研究，為本次突破提供了關鍵支撐。研究團隊將激光驅動金屬絲產生的太赫茲表面波，導引至納米級針尖，借助其亞波長約束和近場增強效應，在局域實現了相對論級強度的近場場強，為亞毫米尺度電磁孤子的產生提供了高質量的驅動源。
上海光機所圖片
與此同步，將超音速氬氣氣體噴流注入針尖近場區。在強太赫茲電場作用下，氣體被迅速電離為等離子體，並將電子和離子向外排開，中間形成一個球形空腔。而球殼表面則是被太赫茲波推動，形成一層致密高溫的等離子體殼。球形腔內的光波輻射壓與球殼表面的熱壓，隨著球體膨脹達成了一種「精妙的力學平衡」，將太赫茲波囚禁在內，進而形成了類似自然界的球狀閃電。
業內專家認為，該研究不僅為破解球狀閃電這一科學懸案提供了關鍵實驗證據，也揭示了極端電磁能量約束的基礎物理機制，為聚變能源、高能量密度物理及能量存儲等相關領域研究提供了新的參考。