捉拿归案，神出鬼没的球状闪电终于被逮住了

本文来自微信公众号： 石头科普工作室 ，作者：虫虫，原文标题：《捉拿归案！神出鬼没的球状闪电终于被逮住了》

在某个离奇的雨夜，一颗发着朦胧的红光的“篮球”闯进了少年的家中。它的啸叫低沉中透着尖利，像是一个鬼魂在太古的荒原上吹着埙。当鬼魂奏完乐曲，它所过之处金属融化，鱼虾烹熟，接近它的少年父母在一瞬间化为灰烬，而他们身下板凳却是奇迹般的冰凉。少年亲眼目睹了父母的身陨，迷上了这股大自然的伟力，从此与杀死父母的罪魁祸首——球状闪电，结下了不解之缘……

这是刘慈欣的科幻小说《球状闪电》中的情节，描述了一种神秘的自然现象——球状闪电。

球状闪电伤人，并非仅仅存在于小说中的杜撰情节，相关的最早记录可追溯到1638年。据记载，一次英国圣潘克拉斯教堂的礼拜仪式，突然一个直径大约2.4米的大火球破墙而入，在教堂中乱窜，砸碎了窗户玻璃和桌椅，教堂里充斥着浓烈的黑烟和熏人的硫磺气味，最后发现4名教区居民当场死亡，约60人负伤。

图1球状闪电入室想象图

关于球状闪电伤人的记录时有发生，但碍于该自然现象相对罕见，且长久以来缺乏完善的相关理论，多国科学家试图对其进行解释，却始终缺乏可重复、可精确诊断的实验加以验证。在《球状闪电》小说中，作者将球状闪电的成因归结为一种名为“宏电子”的科幻概念，以补足设定上的科学缺陷，给这一神秘的现象作出了“科幻的答案”。

近日，“科幻的答案”终于进化为“科学的答案”。中国科学院上海光学精密机械研究所科研团队在实验室成功复刻出类似自然界球状闪电的现象，相关成果4月16日发表在国际学术期刊《自然・光子学》上。原本神出鬼没的球状闪电如今被“捉拿归案”，科学家们终于可以在实验室里好好“审问”一番，厘清其背后的物理规律。

图2类球状闪电电磁孤子结构示意图

谜团重重的球状闪电

球状闪电，俗称滚地雷，早在古罗马普林尼的《自然史》中便有记载。《自然史》（Naturalis Historia）中描述了一种“火球”现象，这种火球会从云中降下，并在空中漂浮，这被认为是球状闪电的早期记录。

我们所常见的闪电是线状闪电和带状闪电，状如条带，颜色常为白色；而球状闪电具有一些独特的形态和行为，它呈现球形或椭球形，直径数厘米到数米不等，其颜色也十分多样，包括白色、黄色、橙色、红色、蓝色等。球状闪电通常出现在雷暴天气中，但也可以在晴朗的天气中突然出现，它的运动轨迹难以预测，它可以静止不动，也可以以不同的速度水平或垂直移动，甚至可以穿过墙壁和窗户。

关于球状闪电的报告数见不鲜，且多种多样。美国橡树岭国家实验室的一项问卷调查显示,在1962个被调查者中,有110个人说自己看到过球状闪电,比例高达5.6%。根据目击报告，有些球状闪电会爆炸，而有些则安静地消失；有些球状闪电看起来像“火球”，而有些则更像“光球”；有些球状闪电直径几厘米，而有些宽达数米；有些球状闪电仅维持数秒，而有些则长达几分钟。

虽然许多人声称目击了球状闪电，但由于其出现的规律尚不明晰，要捕捉自然界的球状闪电并不容易，相关的研究更是少之又少。直至今日，基于最新的研究成果，人们终于能够对这名不速之客进行稳定的分析，进而揭示其形成的物理机理。

球状闪电的形成机理

常见闪电的形成原因是不同高度的云层带有不同的电荷，云层之间或云层和地面之间存在电势差，当电势差足够高时便会击穿空气，形成宏大的放电现象，也就是雷电。

图4雷暴云电荷分布与常见闪电的形成机理

然而，球状闪电却独树一帜，并不像寻常闪电一样联通云层和大地，反而在地面游走弹跳。关于其形成机理，曾是众说纷纭。

等离子体理论认为球状闪电可能是由离子和自由电子组成的等离子体，通过空气时与气体分子相互作用而发光。等离子体在实验室中可以产生类似球状闪电的现象。马克斯·普朗克研究所在内的一些科学团体通过在水箱中高压电容器放电产生了类球状闪电效应。

图5水箱中高压电容器放电产生的球状闪电效应

电磁理论则认为球状闪电可能与电磁场有关，例如微波或激光。一些现代实验通过微波炉再现了球状闪电。将点燃或刚熄灭的火柴或其他小物体放入微波炉中，物体的燃烧部分会燃烧成一个大火球，而类似球状闪电的火球会漂浮在微波炉内壁顶部。（非常危险，不要轻易尝试）该火球的物理本质依然是等离子体，不过其存在需要外界电磁波持续供能，而自然形成的球状闪电可以独立维持形态数秒，这是该理论主要的缺陷。

而上海光机所最近的研究指出，球状闪电是以上两种理论结合的产物。该研究产生的类球状闪电是一种太赫兹电磁孤子。太赫兹波是频率范围在0.1 THz到10 THz之间的电磁波，而孤子是一种在传播时能保持形态、幅度和速度不变的脉冲。太赫兹电磁孤子的形成机制可概括为：相对论强度的电磁波电离气体形成等离子体，并将电子和离子向外排开，从而推出一个球形空腔；而球壳表面的高密度等离子体向内挤压。球形腔内的辐射压与球壳表面的热压随着球体膨胀达成平衡，将电磁波牢牢“囚禁”在一个球形空间里。研究的主要意义在于，发现了极端强度的电磁能量能够自约束，解释了以往实验所未能探明的球状闪电自我维持的物理机理。

图7太赫兹电磁孤子的受控产生

区别于以往实验用近红外激光做出的微米大小、寿命仅皮秒级（10-12秒）的微型孤子，我国科学家依托大科学装置——上海超强超短激光实验装置“羲和”，选择用波长更长的太赫兹波作为驱动源，用飞秒强激光轰击微金属丝产生太赫兹表面波，再通过纳米尖端的“聚焦”作用，把太赫兹波压缩到极小空间，形成了强度极高的相对论级太赫兹近场，产生了直径超过百微米，能稳定存在超过百纳秒的类球状闪电。

图8电磁孤子多波段发光随时间演化图

虽然距离自然界中直径数十厘米、寿命长达秒级别的球状闪电，研究产生的类球状闪电还有很长的道路要走，但相较于过去的实验，已经取得了几个数量级的突破。团队负责人相信，未来经过进一步探索，有可能在实验室“造”出直径厘米级、寿命长达数秒的电磁孤子，真正复现自然界中的球状闪电。

图9科学家在实验室用高速摄像系统捕捉的“类球状闪电”

过去还有一些科学家用到了化学理论、黑洞理论和量子理论等来解释球状闪电的成因，不过随着上海光机所对于球状闪电电磁孤子性质的确定，其他的这些理论大概会消逝在历史长河当中。也有可能，其实不同的方式都可以产生球状闪电，且不同方式产生的球状闪电会具有不同的物理性质，这也能够一定程度上解释为什么关于球状闪电的目击证言如上节所述般多样化。或许这个歹徒从来不是“一个人”，而是一个“犯罪团伙”，才耍得人们团团转。至少今天，我们“逮捕”了其中一名成员，通过对他的追根溯源，科学家们有望建立起一个统一的理论，解释长期以来困扰学界的球状闪电之谜，并将其应用到人们的生产生活当中。

球状闪电的应用前景

人们早有掌控闪电伟力的夙愿，如此神秘又危险的球状闪电，人类当然希望它能弃暗投明，造福人类。事实上，关于如何对球状闪电进行“劳动改造”，使之服务于人类，人们已经有了许多的畅想。

如果能够控制球状闪电的能量释放，就像刘慈欣在《球状闪电》中所设想的那样，则有可能开发出新型的定向能武器。

当然，如果人类对球状闪电的控制能力达到那种水平，它大可不必作为杀戮机器，反倒可以保障人民的生命健康安全。一方面，球状闪电的电磁特性以能用于开发新型的安全检测设备，如探测隐蔽的爆炸物或危险物质；另一方面，利用定向导能技术，球状闪电可以应用于等离子体医疗，为消毒、创口愈合以及定向清除癌细胞提供新的技术路径。

在能源领域，球状闪电这样的高密度能量也是备受科学家青睐。等离子球可作为稳定的能量来源，其持久性和稳定性可能为储能技术提供新思路，甚至有可能作为星系航行的推进系统。如果能够理解并控制球状闪电的能量释放机制，可能会开发出一种新型的高效能源。

图11人工控制球状闪电想象图

球状闪电的机理也给其他能源生产方式注入了新的活力。上海光机所关于球状闪电的研究揭示了一种全新的极端电磁能量“自约束”机制，这对可控核聚变极具启发意义——聚变最难的就是将上亿度的等离子体“关”在笼子里，目前靠的是超强磁场；而太赫兹电磁孤子向我们展示了，在特定条件下，等离子体完全可以学会“自己关住自己”的本领，这为可控核聚变技术提供了新的思路。

除此之外，在纳米材料制备、材料表面处理、空气净化、废物处理以及基础科学研究领域，球状闪电背后的科学奥秘皆是大有可为。

这位“惯犯”在人类面前藏了数百年，如今终于落网，相信随着研究的深入，它会从“通缉犯”变成“合作者”，助力人类开创更多可能。