كرة بلازما مصنوعة في المختبر تتصرف كالسوليتون، وهي دليل على البرق الكروي
أنتج فيزيائيون في الصين كرة بلازما مضيئة صغيرة تحافظ على بنيتها أثناء تمددها، وتتصرف كسوليتون كهرومغناطيسي، أي موجة قائمة بذاتها. ويفيد الفريق بقيادة تشوليانغ تشو من الأكاديمية الصينية للعلوم في مجلة Nature Photonics بما يصفه بأنه أول توليد مُتحكَّم به لسوليتون عياني طويل العمر تقوده حقول كهرومغناطيسية نسبوية في نطاق التيراهرتز. وقد تساعد هذه النتيجة في تفسير البرق الكروي، وهي ظاهرة يُبلَّغ عنها منذ قرون ويكاد يستحيل دراستها ميدانيًا.
لماذا يصعب دراسة البرق الكروي
البرق العادي وميض متعرج يختفي أسرع من رمشة عين. أما البرق الكروي فتصفه آلاف السجلات وشهادات شهود العيان بأنه كرة تحوم فوق الأرض ثم تختفي بفرقعة، مثل فقاعة الصابون. وتتباين التقارير تباينًا شديدًا في حجمه ولونه وسلوكه، مما يجعله أحد أغرب ألغاز علوم الغلاف الجوي.
السوليتون موجة منفردة قائمة بذاتها تحافظ على شكلها بفضل توازن دقيق بين قوى فيزيائية متنافسة. ويمكن أن تتشكل السوليتونات في البلازما والماء والضوء، أينما كان مثل هذا التوازن ممكنًا. وتذهب بعض النظريات إلى أن البرق الكروي سوليتون كهرومغناطيسي يحبس الطاقة في غلاف من البلازما. والبلازما غاز فقدت ذراته إلكتروناتها.
كيف صُنعت الكرة
استخدم الباحثون إبرة من التنغستن لا يتجاوز عرض طرفها 100 نانومتر، في حين يبلغ عرض الشعرة البشرية ما بين 80 ألفًا و100 ألف نانومتر. وقد ولّدت نبضة ليزر فائقة القِصر مُوجَّهة إلى الإبرة موجة كهرومغناطيسية قوية انتقلت على طولها. وعند الطرف تركزت طاقة الموجة في مجال كهربائي شديد القوة انتزع الإلكترونات من ذرات سحابة من غاز الأرغون، فنشأت فقاعة شديدة السخونة من الأرغون المتأين.
بدأت الكرة المضيئة بقطر نحو 80 ميكرومترًا ونمت إلى عدة مئات من الميكرومترات خلال 100 نانوثانية تالية. وهذا أطول بكثير من النبضة الكهرومغناطيسية التي أنشأتها، وحافظت الكرة على بنيتها أثناء التمدد بدلًا من أن تتبدد كسحابة عادية من البلازما الساخنة.
ما الذي أظهرته القياسات
تتبع الفريق التمدد وحلّل أطوال موجات الضوء التي أطلقتها الكرة أثناء تبرّدها، وقارن الملاحظات بالنماذج النظرية والمحاكاة الحاسوبية. وتطابق التمدد مع التوقعات الخاصة بالسوليتون الكهرومغناطيسي، مما يوحي بأن الطاقة الكهرومغناطيسية بقيت محتجزة داخل البلازما. أما محاكاة التمدد الحراري العادي فأعطت عملية أسرع وأكثر انتشارًا بكثير.
بعيد عن تفسير كامل
إن نقطة ضوء صغيرة في تجربة مخبرية مضبوطة بعيدة كل البعد عن الظروف الجوية التي يُبلَّغ فيها عن البرق الكروي. ولذلك استخدم الباحثون نماذجهم لمعرفة كيف يمكن أن يتسع نطاق هذا التأثير. وتشير حساباتهم إلى أن السوليتونات التي تقودها الموجات الميكروية بدلًا من إشعاع التيراهرتز يمكن نظريًا أن يبلغ عرضها أمتارًا وأن تستمر ثوانيَ، وهو أقرب إلى بعض روايات شهود العيان. وهذا تقدير نظري وليس ملاحظة.
ويكتب المؤلفون أن حبس الطاقة الكهرومغناطيسية في بنية مستقرة ومحلية قد يفتح أيضًا آفاقًا جديدة لتقنيات تخزين الطاقة ولدراسة كيفية تفاعل الضوء مع المادة في ظروف قصوى. يمكنك الاطلاع على مزيد من تغطية الفيزياء في قسم العلوم لدينا.