“它在我们的头顶上轻盈地飘动着，身后拖着一条发出暗红色光芒的尾迹，它的飞行路线变幻不定，那尾迹在我们上方划出了一条令人迷惑的复杂曲线……”刘慈欣科幻小说中的这段描述曾让无数读者对“球状闪电”充满遐想。

4月16日，中国科学院上海光学精密机械研究所为首的研究团队成功激发、捕获球形发光体，并证实其本质为电磁孤子。这是世界上首次人工制造出与自然界高度相似的“类球状闪电”，一举破解了这一百年自然之谜。4月16日，国际权威学术期刊《自然·光子学》发表了相关论文。

“蓝色幽灵”让科学家追寻两百多年“球状闪电”，俗称“滚地雷”，是自然界最神秘的电磁现象之一。科幻作家刘慈欣在《球状闪电》一书中这样描写“球状闪电：“它飘了进来，一个篮球大小的蓝色火球。它像一个蓝色的幽灵，一个凝固的闪电，在客厅里飘行，发出的光芒柔和冰凉。它没有声音，也没有轨迹，就那么无声地、空灵地飘着，像在空气中游泳……”

刘慈欣小说《球状闪电》封面。许多人曾目击到这种悬浮于空气中的发光球体，在各种历史记录和目击者的口述中，“球状闪电”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”既稀少又难以预测，往往随机出现在某个角落，因此极难被精密的科学仪器直接观测，更难针对其背后的物理机制开展系统研究。

两百多年来，科学家们提出过多种理论假说，试图解释这一奇异现象的能量来源和形态维持机制，但始终缺乏可重复、可精确诊断的实验验证。

德国马克斯·普朗克研究所为首的研究团队曾在实验室产生了类似球状闪电的效应。

在深厚技术积累的基础上，中国科学院上海光学精密机械研究所的研究团队，首次在世界上用人工方式成功激发并捕获了一种在形状、状态和发光特性与自然界“球状闪电”高度相似的球形发光体，从而揭示并证实球状闪电的本质为“电磁孤子”。

中国科学家“手搓”出“球状闪电”

我国科学家在实验室里人工制造的“类球状闪电”是什么样子呢？

记者在研究团队用高速摄像系统捕捉的画面中看到，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，形成了一个球形的能量体，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。

“类球状闪电”电磁孤子结构示意图。

“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，最终形成了一个直径约百微米、寿命达百纳秒的能量球。”上海光机所田野研究员解释，“这个能量球缓慢膨胀，发出的光谱覆盖从紫外到红外的宽波段，完全符合理论预言的电磁孤子行为。经物理标度变换，该电磁孤子可对应自然界中直径几十厘米、持续数秒的球状闪电。”

电磁孤子就是电磁波变成了像粒子一样稳定态、会穿墙、精准攻击的“电磁幽灵球”——这正是科幻小说《球状闪电》的现实物理原型。

此前，浙江大学武慧春教授在理论上研究认为，“球状闪电”可以解释为电磁孤子的宏观表现形式，它由高温等离子体构成，却能在数秒内维持球状形态而不快速耗散。然而，其能量来源与稳定机制始终缺乏系统的物理解释与实验验证。

利用“羲和激光”捕获电磁孤子

科学家是如何在实验室人工制造出电磁孤子并激发成“类球状闪电”的呢？

电磁孤子多波段发光随时间演化图。

据上海光机所团队负责人宋立伟研究员介绍，该项研究基于团队在“强激光驱动丝波导太赫兹源”领域的持续深耕，特别是围绕极端太赫兹光场和非平衡物态的前沿展开的研究，为本次突破提供了关键支撑。

研究团队依托上海超强超短激光实验装置（“羲和”激光装置），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，在局域实现了相对论级强度的近场场强，为亚毫米尺度电磁孤子的产生提供了高质量的驱动源。

实验中观测到的“类球状闪电”电磁孤子。

与此同步，将超音速氩气气体喷流注入针尖近场区。在强太赫兹电场作用下，气体被迅速电离为等离子体，并将电子和离子向外排开，中间形成一个球形空腔。而球壳表面则是被太赫兹波推动，形成一层致密高温的等离子体壳。球形腔内的光波辐射压与球壳表面的热压，随着球体膨胀达成了一种“精妙的力学平衡”，将太赫兹波囚禁在内，进而形成了类似自然界的球状闪电。

业内专家认为，该研究不仅为破解“球状闪电”这一科学悬案提供了关键实验证据，也揭示了极端电磁能量约束的基础物理机制，为聚变能源、高能量密度物理及能量存储等相关领域研究提供了新的参考。

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编辑 | 星仪

来源 | 本报综合自财联社、中国科学报等