中國(guó)科學(xué)家首次手搓出“球狀閃電”！劉慈欣科幻小說照進(jìn)現(xiàn)實(shí)

“這時(shí)它來了，是穿墻進(jìn)來的，它從墻上那幅希臘眾神狂歡的油畫旁出現(xiàn)，仿佛是來自畫中的一個(gè)幽靈。它有籃球大小，發(fā)著朦朧的紅光。它在我們的頭頂上輕盈地飄動(dòng)著，身后拖著一條發(fā)出暗紅色光芒的尾跡，它的飛行路線變幻不定，那尾跡在我們上方劃出了一條令人迷惑的復(fù)雜曲線。”

在劉慈欣的科幻小說《球狀閃電》里，在主人公 14 歲生日這天，一顆突然穿墻而入的發(fā)光“幽靈”球體，幾乎是在一瞬間將他的父母化為灰燼，也點(diǎn)燃了他窮盡一生去破解這個(gè)科學(xué)謎團(tuán)的執(zhí)念。

小說里，這個(gè)神秘的“不速之客”——球狀閃電，被解釋為一種宏觀量子態(tài)的奇異存在：“宏電子”。而在現(xiàn)實(shí)世界中，球狀閃電同樣存在。它至今仍是大氣物理學(xué)中最頑固的未解之謎之一，從 18、19 世紀(jì)的航海日志、報(bào)刊版畫到 21 世紀(jì)的視頻錄像，目擊記錄跨越數(shù)百年，卻幾乎沒有人能在可控條件下復(fù)現(xiàn)它。

圖 | 1901 年記錄球狀閃電現(xiàn)象的報(bào)道版畫 （來源：Wikipedia）

4 月 16 日，來自中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的一支研究團(tuán)隊(duì)，在國(guó)際頂級(jí)期刊《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）上發(fā)表論文，報(bào)告他們首次在實(shí)驗(yàn)室中可控地生成了一種具有球狀閃電典型特征的宏觀電磁孤子。這個(gè)發(fā)光的等離子體球，直徑達(dá)到毫米量級(jí)，存活時(shí)間超過 100 納秒，會(huì)發(fā)出從紫外到紅外的寬譜輻射，還呈現(xiàn)出與元素電離過程對(duì)應(yīng)的特征光譜線。

（來源：Nature Photonics）

100 納秒，這個(gè)數(shù)字乍看不長(zhǎng)，但要到達(dá)這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度難度極大。要知道，此前利用光學(xué)激光在等離子體中產(chǎn)生的電磁孤子，其時(shí)空尺度被限制在微米和皮秒量級(jí)，像一閃而過的幽靈，幾乎不可能被直接觀測(cè)和表征。

而上海光機(jī)所團(tuán)隊(duì)的這顆“類球形閃電”，存活時(shí)間比以往觀測(cè)到的光學(xué)孤子長(zhǎng)了至少三個(gè)數(shù)量級(jí)，空間尺寸則從微米跨越到了數(shù)百微米乃至毫米。更關(guān)鍵的是，如果將這一機(jī)制從太赫茲頻段外推到微波頻段，理論上對(duì)應(yīng)的孤子尺度將達(dá)到米級(jí)、壽命可達(dá)秒級(jí)。這恰恰落在自然界球狀閃電的典型參數(shù)范圍內(nèi)。

那么，這顆得來不易的類球形閃電是什么樣子呢？

論文中的超快顯微成像清晰記錄了這顆發(fā)光球體的全部演化：一個(gè)直徑約 80 微米的高亮度等離子體球在 20 納秒內(nèi)成形，隨后持續(xù)膨脹至半徑超過 200 微米，始終保持球形輪廓和固定球心。

（來源：論文團(tuán)隊(duì)）

研究人員用六個(gè)不同波段的濾光片分別為它"拍照"，看到了一幅層次分明的畫面——球體內(nèi)核發(fā)出藍(lán)紫色的光芒，對(duì)應(yīng)著高溫區(qū)域中氬離子被強(qiáng)烈激發(fā)后的輻射；外層則籠罩著一圈深紅色的輝光，來自溫度較低區(qū)域中性氬原子的熒光。隨著時(shí)間推移，內(nèi)核的藍(lán)紫光逐漸黯淡，外層的紅色輝光卻持續(xù)增強(qiáng)，整個(gè)球體像是一顆從內(nèi)向外慢慢冷卻的微型恒星。

圖 | 六個(gè)波段濾光片下的空間分辨成像（來源：論文）

他們是怎么做到的？答案藏在一個(gè)極其精巧的實(shí)驗(yàn)裝置里。

研究團(tuán)隊(duì)使用一束飛秒激光脈沖，照射到一根頂端曲率半徑僅約 50 納米的鎢金屬針尖上。激光在針尖表面激發(fā)出太赫茲表面等離子體極化激元（Surface Plasmon Polaritons，SPP，一種沿金屬表面?zhèn)鞑サ碾姶挪Ｊ剑＿@些 SPP 沿著金屬絲向針尖傳播，在尖端發(fā)生極端的空間壓縮，電場(chǎng)強(qiáng)度被增強(qiáng)到超過 100 億伏每米，達(dá)到了所謂的“相對(duì)論性”強(qiáng)度，此時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)到足以將電子加速至接近光速。

這根針尖，本質(zhì)上是一個(gè)納米級(jí)的電磁能量聚光器，將太赫茲場(chǎng)壓縮到遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)十分之一的空間里。

（來源：團(tuán)隊(duì)論文）

當(dāng)如此極端的太赫茲場(chǎng)遇上一股超音速氬氣射流（背壓 8 個(gè)大氣壓），強(qiáng)電場(chǎng)瞬間電離氬原子，在針尖附近創(chuàng)造出一團(tuán)等離子體。隨后的過程分兩步：先是皮秒級(jí)的電子響應(yīng)，輻射壓將電子向外推開；再是納秒級(jí)的離子動(dòng)力學(xué)，電荷分離的庫侖力拖拽沉重的離子，形成一個(gè)等離子體密度殼層。

殼層內(nèi)部，一部分太赫茲電磁能量被“困”住了。等離子體密度恰好高于太赫茲波的臨界密度，形成了一個(gè)對(duì)低頻太赫茲波而言不透明的“籠子”。輻射壓、庫侖力和熱壓力三者達(dá)成動(dòng)態(tài)平衡，一個(gè)自組織的電磁孤子就此誕生。

那么，它有沒有可能只是一團(tuán)正在消散的高溫氣體？研究團(tuán)隊(duì)做了一個(gè)關(guān)鍵對(duì)照：用粒子模擬方法計(jì)算了一團(tuán)初始條件完全相同的純熱等離子體的行為。它在 10 納秒內(nèi)就快速冷卻并擴(kuò)散消散，與實(shí)驗(yàn)中觀察到的緩慢有序膨脹截然不同。

而實(shí)驗(yàn)中等離子體球的膨脹半徑隨時(shí)間的演化，與“雪犁模型”（snowplow model，一個(gè)描述內(nèi)部輻射壓驅(qū)動(dòng)殼層膨脹的理論模型）高度吻合。這意味著球體內(nèi)部確實(shí)存在被囚禁的電磁能量在持續(xù)“撐”著它，而非熱量在自然耗散。

光譜分析給出了更多佐證。利用 FLYCHK 程序（一種廣義粒子數(shù)動(dòng)力學(xué)光譜模型）對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合顯示，孤子的電子溫度從初始約 6 電子伏特逐步冷卻至 0.5 電子伏特，光譜主導(dǎo)成分從氬離子線輻射平滑過渡到中性氬原子熒光。模擬還顯示，孤子內(nèi)部的太赫茲電場(chǎng)保持著清晰的駐波結(jié)構(gòu)和相干偏振特性。這些都是熱等離子體不會(huì)表現(xiàn)出的特征。

值得一提的是，關(guān)于自然球狀閃電的定量光譜觀測(cè)極為稀少。

目前公開文獻(xiàn)中最具說服力的一次直接觀測(cè)，來自西北師范大學(xué)的岑建勇等人 2014 年發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上的工作。他們?cè)谇嗪５囊淮卫妆┲信既挥霉庾V儀捕捉到了一次球狀閃電事件。而上海光機(jī)所的這項(xiàng)工作，提供了一個(gè)可以在實(shí)驗(yàn)室中反復(fù)進(jìn)行、參數(shù)可調(diào)的受控平臺(tái)，這對(duì)于理解球狀閃電的能量約束機(jī)制而言，無疑是一個(gè)質(zhì)的飛躍。

當(dāng)然，需要審慎指出的是，論文作者也明確表示，實(shí)驗(yàn)室中的太赫茲孤子與自然界的球狀閃電在時(shí)間尺度和光譜行為上仍存在差異。從太赫茲到微波頻段的標(biāo)度外推雖然在理論上預(yù)測(cè)了秒級(jí)壽命和米級(jí)尺寸的孤子，但尚未獲得實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。而且球狀閃電的成因在學(xué)界本身就存在多種假說：從微波輻射理論到化學(xué)能儲(chǔ)存模型……目前學(xué)界并未形成共識(shí)。

但它真正打通了兩個(gè)傳統(tǒng)上彼此隔絕的領(lǐng)域：高能量密度系統(tǒng)中的相對(duì)論物理，與原子分子光學(xué)中的強(qiáng)場(chǎng)現(xiàn)象。這個(gè)可控的太赫茲孤子平臺(tái)，一方面為緊湊型能量存儲(chǔ)系統(tǒng)提供了新的思路，利用等離子體腔高效地囚禁電磁能量；另一方面，論文指出，相對(duì)論強(qiáng)度的太赫茲脈沖有潛力驅(qū)動(dòng)高次諧波產(chǎn)生直至 X 射線波段，這意味著它或許能成為一種新型的桌面級(jí)強(qiáng)輻射源。

https://www.nature.com/articles/s41566-026-01899-y#Abs1

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍