中國科學家首次手搓出“球狀閃電”！劉慈欣科幻小說照進現實

“這時它來了，是穿墻進來的，它從墻上那幅希臘眾神狂歡的油畫旁出現，仿佛是來自畫中的一個幽靈。它有籃球大小，發著朦朧的紅光。它在我們的頭頂上輕盈地飄動著，身后拖著一條發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光“幽靈”球體，幾乎是在一瞬間將他的父母化為灰燼，也點燃了他窮盡一生去破解這個科學謎團的執念。

小說里，這個神秘的“不速之客”——球狀閃電，被解釋為一種宏觀量子態的奇異存在：“宏電子”。而在現實世界中，球狀閃電同樣存在。它至今仍是大氣物理學中最頑固的未解之謎之一，從 18、19 世紀的航海日志、報刊版畫到 21 世紀的視頻錄像，目擊記錄跨越數百年，卻幾乎沒有人能在可控條件下復現它。

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

4 月 16 日，來自中國科學院上海光學精密機械研究所的一支研究團隊，在國際頂級期刊《自然·光子學》（Nature Photonics）上發表論文，報告他們首次在實驗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。這個發光的等離子體球，直徑達到毫米量級，存活時間超過 100 納秒，會發出從紫外到紅外的寬譜輻射，還呈現出與元素電離過程對應的特征光譜線。

（來源：Nature Photonics）

100 納秒，這個數字乍看不長，但要到達這個時間長度難度極大。要知道，此前利用光學激光在等離子體中產生的電磁孤子，其時空尺度被限制在微米和皮秒量級，像一閃而過的幽靈，幾乎不可能被直接觀測和表征。

而上海光機所團隊的這顆“類球形閃電”，存活時間比以往觀測到的光學孤子長了至少三個數量級，空間尺寸則從微米跨越到了數百微米乃至毫米。更關鍵的是，如果將這一機制從太赫茲頻段外推到微波頻段，理論上對應的孤子尺度將達到米級、壽命可達秒級。這恰恰落在自然界球狀閃電的典型參數范圍內。

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光球體的全部演化：一個直徑約 80 微米的高亮度等離子體球在 20 納秒內成形，隨后持續膨脹至半徑超過 200 微米，始終保持球形輪廓和固定球心。

（來源：論文團隊）

研究人員用六個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——球體內核發出藍紫色的光芒，對應著高溫區域中氬離子被強烈激發后的輻射；外層則籠罩著一圈深紅色的輝光，來自溫度較低區域中性氬原子的熒光。隨著時間推移，內核的藍紫光逐漸黯淡，外層的紅色輝光卻持續增強，整個球體像是一顆從內向外慢慢冷卻的微型恒星。

圖 | 六個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？答案藏在一個極其精巧的實驗裝置里。

研究團隊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，一種沿金屬表面傳播的電磁波模式）。這些 SPP 沿著金屬絲向針尖傳播，在尖端發生極端的空間壓縮，電場強度被增強到超過 100 億伏每米，達到了所謂的“相對論性”強度，此時的電場強到足以將電子加速至接近光速。

這根針尖，本質上是一個納米級的電磁能量聚光器，將太赫茲場壓縮到遠小于波長十分之一的空間里。

（來源：團隊論文）

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

殼層內部，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，形成了一個對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成動態平衡，一個自組織的電磁孤子就此誕生。

那么，它有沒有可能只是一團正在消散的高溫氣體？研究團隊做了一個關鍵對照：用粒子模擬方法計算了一團初始條件完全相同的純熱等離子體的行為。它在 10 納秒內就快速冷卻并擴散消散，與實驗中觀察到的緩慢有序膨脹截然不同。

而實驗中等離子體球的膨脹半徑隨時間的演化，與“雪犁模型”（snowplow model，一個描述內部輻射壓驅動殼層膨脹的理論模型）高度吻合。這意味著球體內部確實存在被囚禁的電磁能量在持續“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（一種廣義粒子數動力學光譜模型）對實驗數據的擬合顯示，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，孤子內部的太赫茲電場保持著清晰的駐波結構和相干偏振特性。這些都是熱等離子體不會表現出的特征。

值得一提的是，關于自然球狀閃電的定量光譜觀測極為稀少。

目前公開文獻中最具說服力的一次直接觀測，來自西北師范大學的岑建勇等人 2014 年發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上的工作。他們在青海的一次雷暴中偶然用光譜儀捕捉到了一次球狀閃電事件。而上海光機所的這項工作，提供了一個可以在實驗室中反復進行、參數可調的受控平臺，這對于理解球狀閃電的能量約束機制而言，無疑是一個質的飛躍。

當然，需要審慎指出的是，論文作者也明確表示，實驗室中的太赫茲孤子與自然界的球狀閃電在時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度外推雖然在理論上預測了秒級壽命和米級尺寸的孤子，但尚未獲得實驗驗證。而且球狀閃電的成因在學界本身就存在多種假說：從微波輻射理論到化學能儲存模型……目前學界并未形成共識。

但它真正打通了兩個傳統上彼此隔絕的領域：高能量密度系統中的相對論物理，與原子分子光學中的強場現象。這個可控的太赫茲孤子平臺，一方面為緊湊型能量存儲系統提供了新的思路，利用等離子體腔高效地囚禁電磁能量；另一方面，論文指出，相對論強度的太赫茲脈沖有潛力驅動高次諧波產生直至 X 射線波段，這意味著它或許能成為一種新型的桌面級強輻射源。

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

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