球状闪电,俗称“滚地雷”,这个神秘的自然现象,几百年来不管是科学家还是普通人,都被它搞得一头雾水。
从教堂里突然现身的发光球体,到雷暴后穿过窗户的蓝色火球,无数人见过它的身影,却没人能说清它的本质,科学家们提了各种假说,始终没有可重复、可精准验证的实验支撑。
直到4月16日,中国科学院上海光机所宋立伟、田野和李儒新团队,在《自然·光子学》发表了重磅成果——他们在实验室里,首次成功造出并捕获了和自然界球状闪电高度相似的“类球状闪电”,直接证实它的本质就是“电磁孤子”。
可能有人会问,这个“电磁孤子”到底是什么?
其实浙江大学武慧春教授早就从理论上提出,它就是电磁波形成的稳定态结构,就像能穿墙、会精准攻击的“电磁幽灵球”。
而上海光机所的实验,刚好印证了这个猜想:这个能量球会缓慢膨胀,发出的光谱覆盖从紫外到红外的宽波段,和理论预言的电磁孤子行为完全吻合,就连它的发光、膨胀规律和温度变化,都和自然界的球状闪电高度一致,表面温度从约7000K快速下降,和真实球状闪电的温度变化趋势一模一样。
这项突破并不是偶然,研究团队找了个巧妙的方法,把激光驱动金属丝产生的太赫兹表面波,引导到纳米级针尖上,借助针尖的亚波长约束和近场增强效应,在局部实现了超过10GV/m的相对论级强度近场场强,为亚毫米尺度电磁孤子的产生,提供了高质量的驱动源。
与此同时,他们把超音速氩气喷流注入针尖近场区,在强太赫兹电场作用下,氩气迅速被电离成等离子体,电子和离子被排到外面,中间形成了一个球形空腔,球壳表面则形成了一层致密高温的等离子体壳。
而这次研究最关键的突破,就是实现了一种“精妙的力学平衡”——球形空腔里的光波辐射压,和球壳表面的热压,随着球体膨胀慢慢达到平衡,把太赫兹波牢牢困在里面。
这种自我约束机制,让能量球能稳定存在,不会像普通等离子体那样瞬间消散。宋立伟研究员说,这一发现不仅揭开了球状闪电的神秘面纱,还讲清了极端条件下能量“自我囚禁”的物理机制,为我们理解自然界类似的能量约束现象,提供了全新的视角。
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