刘慈欣笔下的“球状闪电” 竟被中国科学家“手搓”出来了？｜科学家·马上回答

封面新闻记者 边雪

读过刘慈欣科幻小说《球状闪电》的读者，一定对神秘的“幽灵”记忆深刻。不像普通闪电转瞬即逝，“幽灵”是一个缓慢飘浮、散发诡异光芒的球体，能在空中游走，还穿透玻璃。如今，这个科幻设定在现实中得到了科学验证。

4月16日，中国科学院上海光学精密机械研究所宋立伟、田野、李儒新团队在国际权威学术期刊《自然·光子学》（Nature Photonics）上以“Ball-lightning-like relativistic terahertz solitons”为题，发表了一项重磅成果：首次在实验室条件下可控产生并稳定捕获了尺度近毫米级、寿命达亚微秒量级的球状发光体，证实其本质为电磁孤子，为揭示球状闪电之谜提供了决定性的实验证据。

类球状闪电电磁孤子结构示意图。（图源中国科学院上海光机所）

一团等离子体凭什么“聚而不散”？

球状闪电，俗称“滚地雷”，是自然界最神秘的电磁现象之一。

在历史记录和目击者口述中，它通常悬浮于空气中，直径多为几十厘米，寿命长达数秒至数分钟。与普通闪电相比，球状闪电稀少且难以预测，极难被精密科学仪器直接观测。

两百多年来，法拉第、特斯拉以及诺贝尔物理学奖得主卡皮查等多位科学家都曾试图解释这一奇异现象，但一个核心问题始终悬而未决：一团炽热的等离子体，凭什么能在空气中“聚而不散”，维持数秒甚至数分钟？

电磁孤子是电磁波与等离子体相互作用形成的一种稳定结构，可在无外场维持条件下实现能量形态的自持演化。这种“能量自我约束”的特性，使其成为解释自然界中一系列能量自约束等离子体现象的重要理论模型。“这是一种十分特殊的存在，明明是一团高温等离子体，却没有立刻炸开。”上海光机所研究员田野解释道，这种看似矛盾的状态，背后很可能存在一种精妙的动态平衡，电磁辐射压与等离子体热压相互抗衡，使它在一定时间内维持稳定形态。

实际上，“球状闪电”并非闪电，是“光做的孤子”。简单来说，它是一种能够“自我约束”的电磁场结构。可以想象一个由光压吹起的“气泡”：外面是一层被电离的等离子体壳，里面囚禁着强烈的太赫兹光波。光辐射压力从内向外推，等离子体热压从外向内压——两者达成精妙平衡，就像一只无形的手把能量捏成一个球。

这个球体正是“电磁孤子”，电磁波变成了像粒子一样的稳定态，这正是科幻小说中“电磁幽灵球”的现实物理原型。

科学家早在20世纪90年代就曾在激光实验中观测到微小的电磁孤子，但它们的寿命只有皮秒（万亿分之一秒），尺寸仅微米级，和真正的球状闪电相去甚远。

那为何这次能实现“质的飞跃”？过去的研究多使用近红外激光，波长较短。上海光机所团队另辟蹊径，转向太赫兹波段：波长更长、能量更易约束。然而，实现这一设想面临严峻挑战：如何将太赫兹波推进至相对论强度（即电场强度足以使电子在单个光周期内加速至接近光速），并使其与等离子体参数精准匹配，是领域内长期未能攻克的关键科学难题。

依托2022年启动的科技部重点研发专项“超快强激光泵浦强太赫兹源驱动材料与器件非平衡态研究”，团队围绕极端太赫兹光场和非平衡物态的前沿展开了系统研究，将激光驱动金属丝产生的太赫兹表面波导引至纳米级针尖，借助其亚波长约束和近场增强效应，在约50纳米的尺度上实现了场强超过10 GV/m的相对论强度太赫兹近场。

太赫兹电磁孤子的演化。（图源：中国科学院上海光机所）

同步注入超音速氩气喷流后，气体被迅速电离为等离子体，并将电子和离子向外排开，形成球形空腔。光波辐射压与等离子体热压随着球体膨胀达成精妙平衡，将太赫兹波囚禁其中，最终生成稳定的类球状闪电结构。

“光之茧”：从7万摄氏度到6千摄氏度

在研究团队用高速摄像系统捕捉的画面中：黑暗中，一个明亮的白色发光体被一层幽蓝的外壳团团包裹，形成了一个球形能量体，从小到大、飘忽不定、逐渐膨胀。慢慢地，球体变成了蓝色的粗颗粒状，最终耗散。

“这个蓝色的外壳，就是像太阳一样的燃烧等离子体，它如同一个无形的‘光之茧’，将电磁波紧紧包裹在中间。”田野解释道。

这个“微型球状闪电”直径约百微米，寿命百纳秒。有人会问：百纳秒不是比闪电短得多吗？科研人员解释，按比例放大到自然界几十厘米的尺度，对应的寿命正好是数秒，科学家在实验室里复现的正是球状闪电的“微观双胞胎”。

更精妙的是，研究团队通过自主搭建的时空分辨光谱诊断系统，完整捕捉了这个球形孤子的整个生命周期：电子温度从约6eV（约7万摄氏度）缓慢下降至0.5eV（约6千摄氏度）。这条缓慢下降的温度曲线说明，孤子内部存在持续能量注入，正是被囚禁的太赫兹波在“喂”这个火球——否则热等离子体本该在几纳秒内冷却殆尽。

研究意义：从破解自然之谜到聚变能源

这项研究的意义远不止于破解一个自然之谜，更揭示了光辐射压力与热等离子体压力动态平衡、从而形成自持发光球形结构的精妙物理过程，生动展示了极端条件下电磁场与物质相互作用所呈现的物理美学。研究成果有望为强场太赫兹光子学、电磁能量存储、大气科学以及新型聚变物理路径探索提供有益的启示。

它第一次在实验室中实现了可重复、可诊断、可调控的球状电磁孤子，为太赫兹光子学、大气科学、地球物理学提供了全新的实验平台。更重要的是，它揭示了一种极端电磁能量自约束的新机制，而这恰好是聚变能源领域梦寐以求的能力：如何让高温等离子体在不需要外部磁场的情况下，长时间维持高能量密度状态。