实验室制造的等离子体球表现得像孤子,为球状闪电提供线索

中国物理学家制造出一个微小的发光等离子体球,它在膨胀过程中保持结构不变,表现得像电磁孤子,即一种自成一体的波。中国科学院周楚良(Chuliang Zhou)领导的团队在《自然·光子学》上报告了他们所称的首次受控产生由相对论性太赫兹电磁场驱动的宏观、长寿命孤子。这一成果可能有助于解释球状闪电——这种现象数百年来屡有报道,却几乎无法在野外研究。

为什么球状闪电如此难以研究

普通闪电是一道锯齿状的闪光,消失得比眨眼还快。相比之下,球状闪电在数千条记录和目击者描述中,是一个悬浮在地面上方的火球,随后伴着一声轻响消失,就像肥皂泡一样。关于它的大小、颜色和行为的报告差异极大,使其成为大气科学中最奇特的谜团之一。

孤子是一种自成一体的单个波,通过相互竞争的物理作用力之间的微妙平衡来保持形状。只要存在这种平衡,孤子就可以在等离子体、水和光中形成。一些理论认为,球状闪电是一种电磁孤子,把能量困在等离子体外壳中。等离子体是原子失去电子的气体。

这个球是如何制成的

研究人员使用了一根钨针,其针尖仅有100纳米宽;而人的头发宽度为8万至10万纳米。向针发射的超短激光脉冲产生了一道强大的电磁波,沿针身传播。在针尖处,波的能量集中成极强的电场,把氩气云中原子的电子剥离出来,形成一个过热的电离氩气泡。

这个发光球体起初直径约80微米,在随后的100纳秒内增大到数百微米。这比产生它的电磁脉冲持续的时间长得多,而且球体在膨胀时保持着自身结构,而不是像普通的热等离子体云那样消散。

测量结果显示了什么

研究团队追踪了球体的膨胀,并分析了它冷却时发出的光的波长,将观测结果与理论模型和计算机模拟进行了比较。膨胀情况与电磁孤子的预测相符,这表明电磁能量一直被困在等离子体内部。对普通热膨胀的模拟则得出快得多、也更弥散的过程。

距离完整解释还很远

受控实验室实验中的一个微小光点,与报道球状闪电的大气条件相去甚远。因此,研究人员利用模型来观察这种效应可能如何放大。他们的计算表明,由微波而非太赫兹辐射驱动的孤子,理论上可以增长到数米宽并持续数秒,更接近一些目击者的描述。这是一个理论估算,而不是观测结果。

作者写道,把电磁能量困在稳定、局域化的结构中,也可能为储能技术以及研究光与物质在极端条件下的相互作用开辟新的途径。更多物理学报道请见我们的科学版块。