Лабораторна плазмова куля діє як солітон — підказка щодо кульової блискавки
Фізики в Китаї створили крихітну світну плазмову кулю, яка зберігає свою структуру під час розширення й поводиться як електромагнітний солітон — автономна хвиля. Команда під керівництвом Чуляна Чжоу з Китайської академії наук повідомляє в Nature Photonics про те, що називає першою контрольованою генерацією макроскопічного довгоживучого солітона, який створюється релятивістськими терагерцовими електромагнітними полями. Цей результат може допомогти пояснити кульову блискавку — явище, про яке повідомляють уже століттями й яке майже неможливо вивчати в природних умовах.
Чому кульову блискавку так важко вивчати
Звичайна блискавка — це зубчастий спалах, що зникає швидше, ніж змигнеш оком. Кульова ж блискавка, за тисячами записів і свідчень очевидців, постає як куля, що висить над землею, а потім зникає з тріском, наче мильна бульбашка. Повідомлення надзвичайно різняться за розміром, кольором і поведінкою, що робить її однією з найдивніших загадок атмосферної науки.
Солітон — це окрема автономна хвиля, що зберігає форму завдяки тонкому балансу протилежних фізичних сил. Солітони можуть утворюватися в плазмі, воді та світлі — скрізь, де можливий такий баланс. Деякі теорії стверджують, що кульова блискавка — це електромагнітний солітон, який утримує енергію в оболонці з плазми. Плазма — це газ, атоми якого втратили електрони.
Як створили кулю
Дослідники використали вольфрамову голку, вістря якої має лише 100 нанометрів у поперечнику; людський волос має завширшки від 80 000 до 100 000 нанометрів. Надкороткий лазерний імпульс, спрямований на голку, породив потужну електромагнітну хвилю, що побігла вздовж неї. На вістрі енергія хвилі зосередилася в надзвичайно інтенсивне електричне поле, яке вирвало електрони з атомів у хмарі газу аргону й створило перегріту бульбашку іонізованого аргону.
Світна куля спочатку мала близько 80 мікрометрів у поперечнику й за наступні 100 наносекунд зросла до кількох сотень мікрометрів. Це значно довше, ніж тривав електромагнітний імпульс, що її створив, і куля зберігала структуру під час розширення, а не розсіювалася, як звичайна хмара гарячої плазми.
Що показали вимірювання
Команда простежила розширення й проаналізувала довжини хвиль світла, яке куля випромінювала під час охолодження, порівнявши спостереження з теоретичними моделями та комп'ютерними симуляціями. Розширення відповідало передбаченням для електромагнітного солітона, що свідчить: електромагнітна енергія залишалася в пастці всередині плазми. Симуляції звичайного теплового розширення давали значно швидший і дифузніший процес.
Ще далеко до повного пояснення
Крихітна цятка світла в контрольованому лабораторному експерименті — це дуже далеко від атмосферних умов, у яких спостерігають кульову блискавку. Тому дослідники за допомогою моделей з'ясували, як цей ефект міг би масштабуватися. Їхні розрахунки свідчать, що солітони, які створюються мікрохвилями, а не терагерцовим випромінюванням, теоретично могли б сягати метрів у поперечнику й існувати секунди, що ближче до деяких свідчень очевидців. Це теоретична оцінка, а не спостереження.
Автори пишуть, що утримання електромагнітної енергії в стабільній локалізованій структурі також може відкрити нові шляхи для технологій накопичення енергії та для вивчення взаємодії світла з матерією в екстремальних умовах. Більше матеріалів про фізику читайте в розділі наука.