中国科学家在实验室首次人工激发并捕获“类球状闪电”

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”。相关论文于4月16日发表于国际学术期刊《自然·光子学》。

研究团队在实验室用高速摄像系统捕捉的画面显示：黑暗中，一个明亮的白色发光体被一层幽蓝的外壳包裹，形成了一个球形的能量体。它从小到大、飘忽不定、逐渐膨胀，最终球体变成蓝色的粗颗粒状并耗散。上海光机所田野研究员解释说：“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。”

该能量球缓慢膨胀，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”即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”。

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。

　　“电磁孤子”多波段发光随时间演化图。（上海光机所供图）

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。研究团队将激光驱动金属丝产生的太赫兹表面波，导引至纳米级针尖，借助其亚波长约束和近场增强效应，在局域实现了相对论级强度的近场场强，为亚毫米尺度电磁孤子的产生提供了高质量的驱动源。

与此同步，将超音速氩气气体喷流注入针尖近场区。在强太赫兹电场作用下，气体被迅速电离为等离子体，并将电子和离子向外排开，中间形成一个球形空腔。而球壳表面则是被太赫兹波推动，形成一层致密高温的等离子体壳。球形腔内的光波辐射压与球壳表面的热压，随着球体膨胀达成了一种“精妙的力学平衡”，将太赫兹波囚禁在内，进而形成了类似自然界的球状闪电。

业内专家认为，该研究不仅为破解球状闪电这一科学悬案提供了关键实验证据，也揭示了极端电磁能量约束的基础物理机制，为聚变能源、高能量密度物理及能量存储等相关领域研究提供了新的参考。