中國科學家在實驗室首次人工激發並捕獲“類球狀閃電”

中國科學院上海光學精密機械研究所的研究團隊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爲“電磁孤子”。相關論文於4月16日發表於國際學術期刊《自然·光子學》。

研究團隊在實驗室用高速攝像系統捕捉的畫面顯示：黑暗中，一個明亮的白色發光體被一層幽藍的外殼包裹，形成了一個球形的能量體。它從小到大、飄忽不定、逐漸膨脹，最終球體變成藍色的粗顆粒狀並耗散。上海光機所田野研究員解釋說：“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。”

該能量球緩慢膨脹，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爲。 經物理標度變換，該電磁孤子可對應自然界中直徑幾十釐米、持續數秒的球狀閃電。“電磁孤子”即電磁波變成了像粒子一樣穩定態、會穿牆、精準攻擊的“電磁幽靈球”。

此前，浙江大學武慧春教授在理論上研究認爲，球狀閃電可以解釋爲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。

　　“電磁孤子”多波段發光隨時間演化圖。（上海光機所供圖）

據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，爲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，藉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，爲亞毫米尺度電磁孤子的產生提供了高質量的驅動源。

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，氣體被迅速電離爲等離子體，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，形成一層緻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，隨着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。

業內專家認爲，該研究不僅爲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，爲聚變能源、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。