在劉慈欣的科幻小說《球狀閃電》中，有一種神秘的能量體，它能夠懸浮于半空、發(fā)出幽暗光芒，甚至能瞬間將人化為灰燼。這一創(chuàng)作靈感源于自然界中的球狀閃電現(xiàn)象——它通常表現(xiàn)為一個明亮、發(fā)光的氣態(tài)火球，能夠在空氣中穩(wěn)定移動并存活數(shù)秒之久，曾多次出現(xiàn)在雷暴天氣的目擊報告中。

然而，這種奇特的大氣現(xiàn)象極為罕見，且極難被探測設(shè)備捕捉。關(guān)于其具體的物理形成機(jī)制，在科學(xué)界一百多年來始終沒有定論。

畫家筆下的球狀閃電現(xiàn)象（圖片來源：Wikipedia）

與此同時，在微觀的電磁學(xué)與等離子體物理領(lǐng)域，物理學(xué)家一直在嘗試制造一種極端的物質(zhì)狀態(tài)——電磁孤子，其物理機(jī)制與球狀閃電非常相似。就在最近，來自中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的研究團(tuán)隊首次在實驗室中利用相對論太赫茲（THz）電磁場，受控生成了宏觀尺寸、長壽命的“類球狀閃電”電磁孤子結(jié)構(gòu)。研究成果發(fā)表在期刊《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）上。

研究團(tuán)隊實驗產(chǎn)生的“類球狀閃電”電磁孤子（圖片來源：參考文獻(xiàn)）

等離子體的“魔法”：電磁孤子

要理解中國科學(xué)家們制造出的究竟是什么，首先需要明確孤子（soliton）這一物理學(xué)概念。

波的現(xiàn)象在自然界和我們的日常生活中隨處可見，例如投入石子后水面蕩漾的水波，或者空氣中傳播的聲波。通常情況下，波在傳播時會隨著時間和空間向四周擴(kuò)散、衰減。

然而，在特定物理條件下，波會出現(xiàn)一種自我束縛、維持形狀和能量高度穩(wěn)定的孤立實體狀態(tài)，這就是孤子。它就像是一種不會散開的能量包，任波形變化，自身卻保持不變。

海面上的孤波（紅色箭頭處），在長距離平移中始終保持連貫形狀，像一個移動的透明“水包”（圖片來源：University of Washington）

而在等離子體中，同樣有一種類似的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)——電磁孤子。

等離子體是一種特殊的物質(zhì)形態(tài)，由游離的正離子和自由電子組成，常被稱為物質(zhì)在氣、液、固之外的“第四態(tài)”。宇宙中發(fā)光發(fā)熱的太陽、雷暴天氣中的閃電、工廠里切割金屬的電弧焊，這些釋放著巨大光和熱的物質(zhì)或現(xiàn)象，本質(zhì)上都是氣體被極度加熱或電擊后形成了等離子體。

閃電是一種典型的等離子體（圖片來源：veer圖庫）

理論預(yù)言，當(dāng)有強(qiáng)大的電磁波在等離子體中傳輸時，電磁波的輻射壓會將等離子體向外排開，在中心形成密度空腔；同時傳輸過程中電磁波的能量會損失，導(dǎo)致它的頻率逐漸降低，當(dāng)頻率降至等離子體自身振蕩頻率以下時，部分低頻電磁能量便被這個空腔結(jié)構(gòu)俘獲，在等離子體中就可能形成一種特殊的結(jié)構(gòu)，即電磁孤子。

“類球狀閃電”電磁孤子藝術(shù)效果圖

然而，想要產(chǎn)生穩(wěn)定存在的準(zhǔn)靜態(tài)電磁孤子，需要極其苛刻的物理條件，等離子體必須達(dá)成一種精妙的雙向平衡：

電磁波向外推的輻射壓力：當(dāng)存在強(qiáng)大的電磁場時，高頻振蕩的電場會使等離子體粒子發(fā)生劇烈振蕩，而運(yùn)動的粒子又會在磁場中受到洛倫茲力，宏觀上會表現(xiàn)為試圖把等離子體向外排開，形成類似空泡結(jié)構(gòu)。

等離子體自身向內(nèi)的熱壓力：當(dāng)電磁波的輻射壓在等離子體中心撐開一個空腔時，外圍未被排開的等離子體具有極高的溫度和熱運(yùn)動，會產(chǎn)生向內(nèi)擠壓的力，試圖填補(bǔ)內(nèi)部的空腔。當(dāng)向外的輻射壓力與向內(nèi)的熱壓力相互抵消時，內(nèi)部的電磁場能量就會被完美地束縛在等離子體的空腔內(nèi)，從而形成一個能夠自我維持的動態(tài)平衡體——電磁孤子。

你可以將電磁孤子的誕生想象成“吹泡泡”：電磁場的輻射壓力就像吹入泡泡的內(nèi)部氣體，拼命向外擴(kuò)張；而等離子體自身的熱壓力，則像肥皂水的表面張力一樣向內(nèi)收縮。當(dāng)向外撐和向內(nèi)縮的力達(dá)成完美的動態(tài)平衡時，這個“泡泡”就能夠穩(wěn)定地存在一段時間。

圖片來源：veer圖庫

傳統(tǒng)光學(xué)頻率的“死胡同”

自從電磁孤子的相關(guān)理論提出以來，物理學(xué)家一直嘗試在實驗室制造穩(wěn)定存在的電磁孤子，直到2002年，科學(xué)家才首次利用超強(qiáng)激光脈沖與等離子體相互作用，在實驗中觀察到了微米尺度的泡泡狀結(jié)構(gòu)，并推斷其為電磁孤子。此后，多個國際團(tuán)隊也通過強(qiáng)激光裝置相繼發(fā)現(xiàn)了類似的電磁孤子。

然而，這些在近紅外激光條件下生成的結(jié)構(gòu)，始終面臨一道根本性的物理限制。要在此頻段下依靠等離子體空腔困住電磁波，等離子體的密度必須達(dá)到或超過一個特定的臨界密度。

這個臨界密度與激光頻率的平方成正比。對于可見光或近紅外光，光的頻率達(dá)到了1014Hz的數(shù)量級，對應(yīng)的臨界密度極高，在現(xiàn)實中幾乎不可能長時間維持。因此，在傳統(tǒng)的光學(xué)頻率下，科學(xué)家們只能在極微觀尺度、極短時間內(nèi)觀察到電磁孤子，其空間尺寸通常只有幾微米（10-6米，百萬分之一米），存活時間也僅有皮秒（10-12秒，萬億分之一秒）級別。現(xiàn)有的觀測設(shè)備極難對這一尺度進(jìn)行清晰的高分辨率表征，更不用說對其演化過程進(jìn)行系統(tǒng)性研究。

太赫茲波的破局

為了打破這一長久以來的實驗觀測瓶頸，來自中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所等機(jī)構(gòu)的研究人員轉(zhuǎn)變了研究思路，將目光投向了頻率遠(yuǎn)低于可見光的太赫茲（THz）波段。

太赫茲波在電磁波譜中的區(qū)位示意圖（圖片來源：All About Circuit）

理論計算表明，如果將外部電磁場的頻率轉(zhuǎn)到太赫茲頻段，可以大幅降低對等離子體密度的苛刻要求，同時極大地延長孤子的壽命并增加其宏觀尺寸。可問題在于，普通的太赫茲波在空氣中傳播時，能量會迅速發(fā)散，難以產(chǎn)生讓等離子體內(nèi)部分離的輻射壓力。

為了實現(xiàn)極端的能量聚焦，研究人員采用了一種精巧的納米光子學(xué)方案——太赫茲表面等離激元（THz-SPPs）。

這是一種光子與金屬表面的自由電子相互耦合而形成的特殊“光電混合波”，能夠緊貼金屬表面?zhèn)鞑ァＬ掌澆ǖ膫鞑ヂ窂绞艿浇饘俚膸缀涡螤钕拗疲虼四芰坎辉倏焖侔l(fā)散，從而有可能制造出極端強(qiáng)電場，為產(chǎn)生電磁孤子創(chuàng)造條件。

電磁孤子的誕生

現(xiàn)在來看研究人員具體是如何制造電磁孤子的。簡單來說，過程就是這樣：先在極小空間內(nèi)制造出強(qiáng)電場，再輸入氣體電離，生成高能等離子體，最終產(chǎn)生電磁孤子。

在實驗中，研究團(tuán)隊準(zhǔn)備了一根尖端極細(xì)的鎢針。這根鎢針越往前端越細(xì)，針尖的半徑只有約50納米。

實驗中的鎢針（圖片來源：參考文獻(xiàn)）

在經(jīng)典物理學(xué)中，波都受制于衍射極限，無法聚焦到比它自身波長還要小很多的點上。而對于這一針尖而言，50納米僅有太赫茲波長的千分之一甚至萬分之一，達(dá)到了亞波長尺度，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的匯聚。

利用太赫茲表面等離激元制造電磁孤子的實驗裝置示意圖（圖片來源：參考文獻(xiàn)）

研究人員將飛秒強(qiáng)激光精準(zhǔn)照射在鎢針上，激發(fā)出了太赫茲表面等離激元（SPP）。當(dāng)這股SPP沿著越來越細(xì)的針尖向前傳播時，其空間分布被強(qiáng)制性地不斷壓縮。因為波的能量無法脫離金屬表面散開，它只能在到達(dá)針尖頂端時，被擠壓在一個極小的體積內(nèi)。局部電場強(qiáng)度瞬間被急劇放大了十倍以上，最終飆升至驚人的10GV/m（每米一百億伏特）。

在如此極端的條件下，研究人員又將氬氣噴入了針尖的強(qiáng)電場中。氬氣原子的外層電子瞬間被剝離，形成能量密度極高的等離子體。被加速到接近光速的電子像推雪機(jī)掃雪一樣，挖出了電磁孤子所需的空腔。

左：太赫茲表面等離激元在鎢針尖端激發(fā)電磁孤子的示意圖 右：尖端頂部的總電場強(qiáng)度分布和電場矢量（圖片來源：參考文獻(xiàn)）

在這一狀態(tài)下，向外的電磁輻射壓力、向內(nèi)的等離子體熱壓力在尖端達(dá)成了完美的動態(tài)平衡。研究人員通過超快顯微成像系統(tǒng)和光譜分析發(fā)現(xiàn)，電磁能量被完美束縛在等離子體球殼內(nèi)，形成了電磁孤子。這一結(jié)構(gòu)不僅長到了接近肉眼可見的亞毫米級別（直徑約150-400微米），而且在實驗室參考系中存活了長達(dá)100納秒。

發(fā)光等離子體球演化過程的超快顯微成像（圖片來源：參考文獻(xiàn)）

觀測發(fā)現(xiàn)，該電磁孤子的膨脹過程契合物理學(xué)中的“雪犁”（Snow-plow）模型。并且，在沒有外部持續(xù)能量輸入的情況下，它持續(xù)發(fā)出波長范圍非常廣泛的電磁波（從紫外線到紅外線），這證明其內(nèi)部成功實現(xiàn)了連續(xù)、高效的電磁能量束縛，完全符合理論預(yù)言的電磁孤子行為。

電磁孤子空間成像與光譜強(qiáng)度的時間演化（圖片來源：參考文獻(xiàn)）

與球狀閃電的奇妙關(guān)聯(lián)

話說回來，文章開頭我們就提到，研究人員制造出的這一電磁孤子和球形閃電具有相似之處，論文也在標(biāo)題強(qiáng)調(diào)了“類球狀閃電（Ball-lightning-like）”的特點。為什么說此次制造的電磁孤子類似球狀閃電呢？

最直觀的一點就是“形狀”。大自然中的球狀閃電最鮮明的特征，就是懸浮發(fā)光和自我維持的球形結(jié)構(gòu)。此次研究制造出的電磁孤子同樣展現(xiàn)出了毫米級的球形輪廓，并且發(fā)出持續(xù)的光學(xué)輻射。一種理論認(rèn)為，球狀閃電的形成源于局部電磁能量的極端自我組織過程，而這與電磁孤子的內(nèi)部能量循環(huán)機(jī)制具有相似之處。

更重要的是尺度分析。此次制造的電磁孤子尺寸在毫米級別，在實驗室內(nèi)維持了約100納秒。如果從自然界雷暴天氣的宏觀物理視角來看，電磁孤子的時間和空間尺度恰好對應(yīng)于厘米級尺寸、秒級壽命的真實球狀閃電。

此次研究不僅為破解球狀閃電這一科學(xué)懸案提供了關(guān)鍵實驗證據(jù)，也可能讓人類擁有了一臺“球狀閃電模擬器”，讓研究人員能夠安全、可重復(fù)地在實驗桌上對其進(jìn)行研究。同時，研究還揭示了極端電磁能量約束的基礎(chǔ)物理機(jī)制，為聚變能源、高能量密度物理及能量存儲等相關(guān)領(lǐng)域研究提供了新的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] Zhou C, Zhang D, Qi R, et al. Ball-lightning-like relativistic terahertz solitons[J]. Nature Photonics, 2026: 1-7.

來源：科學(xué)大院

編輯：韶音

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