球狀閃電是自然界最神秘的電磁現(xiàn)象之一。法拉第、特斯拉等科學家都曾試圖為其做出合理解釋，相關理論假說層出不窮，但始終缺少可重復、可精確診斷的實驗驗證。

據(jù)中國科學院上海光學精密機械研究所網(wǎng)站16日消息，近日，該所超強激光科學與技術全國重點實驗室宋立偉、田野和李儒新團隊首次在實驗室條件下可控產(chǎn)生并穩(wěn)定捕獲了尺度近毫米級、壽命達亞微秒量級的球狀發(fā)光體，證實其本質(zhì)為電磁孤子，為揭示球狀閃電之謎提供了決定性的實驗證據(jù)。相關研究成果發(fā)表于國際學術期刊《自然·光子學》。

類球狀閃電電磁孤子結(jié)構(gòu)示意圖。

據(jù)介紹，此前理論研究表明，球狀閃電可解釋為微波電磁孤子的宏觀表現(xiàn)形式：它由高溫等離子體構(gòu)成，能夠在數(shù)秒內(nèi)維持球狀形態(tài)而不快速耗散。將電磁孤子拓展至宏觀時空尺度，進而揭示其能量自持演化的物理機制，既是理解球狀閃電本質(zhì)的關鍵，也將為探索極端電磁場能量約束新途徑——如聚變領域所追求的長壽命、高能量密度狀態(tài)——提供重要的科學啟示。

然而，球狀閃電的能量來源與穩(wěn)定機制始終缺乏系統(tǒng)的物理解釋與實驗驗證。自20世紀90年代以來，超強激光與等離子體實驗中觀測到持續(xù)時間約皮秒、尺寸為微米量級的電磁孤子，但其在空間尺度和壽命上均與自然界球狀閃電相去甚遠。

上海光機所研究團隊提出，將驅(qū)動源從傳統(tǒng)近紅外波段拓展至波長更長的太赫茲波段，理論上可產(chǎn)生尺寸更大、壽命更長的宏觀電磁孤子，使其更接近自然界球狀閃電的特征。然而，實現(xiàn)這一設想面臨嚴峻挑戰(zhàn)：如何將太赫茲波推進至相對論強度（即電場強度足以使電子在單個光周期內(nèi)加速至接近光速），并使其與等離子體參數(shù)精準匹配，是領域內(nèi)長期未能攻克的關鍵科學難題。

研究團隊利用納米尖端的近場增強效應，將激光驅(qū)動金屬絲產(chǎn)生的太赫茲表面波導引至納米級針尖，借助其亞波長約束特性（約50nm），在針尖區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了場強超過10 GV/m的相對論強度近場場強，為電磁孤子的產(chǎn)生提供了理想的驅(qū)動源。科研團隊將該太赫茲近場導入至高速氬氣噴流中，氬氣在太赫茲強場作用下被迅速電離，形成參數(shù)精準可控的等離子體環(huán)境。

借助自主搭建的高速成像系統(tǒng)，研究團隊首次完整捕捉到球形太赫茲電磁孤子從形成、膨脹到耗散的全過程，其演化時間超過百納秒，較傳統(tǒng)近紅外激光驅(qū)動的孤子提升了4–5個數(shù)量級。該球形孤子初始尺寸約80微米，其尺寸演化遵循 R∝t2/5標度律。其發(fā)射光譜覆蓋紫外至紅外波段，對發(fā)射光譜的精確解析顯示，孤子電子溫度在百納秒時間內(nèi)由約6 eV（約7萬攝氏度）逐漸下降至0.5 eV（約6千攝氏度），這一緩慢冷卻過程證實孤子內(nèi)部存在持續(xù)能量注入——即被等離子體空腔俘獲的太赫茲波。正是太赫茲輻射壓與球殼等離子體熱壓之間的動態(tài)平衡，使該電磁孤子實現(xiàn)了遠超普通熱等離子體壽命的自持演化，為球狀閃電的長壽命之謎提供了清晰的實驗判據(jù)。

該工作不僅為球狀閃電這一百年自然之謎提供了關鍵實驗證據(jù)與物理解釋，更揭示了光輻射壓力與熱等離子體壓力動態(tài)平衡、從而形成自持發(fā)光球形結(jié)構(gòu)的精妙物理過程，生動展示了極端條件下電磁場與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理美學。研究成果有望為強場太赫茲光子學、電磁能量存儲、大氣科學以及新型聚變物理路徑探索提供有益的啟示。

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