刘慈欣科幻小说成真？中国科学家破解百年谜团，在实验室制造“类球状闪电”

中国科学家在实验室成功制造“类球状闪电”，百年物理谜团迎来关键突破

球状闪电，这一在刘慈欣科幻作品中充满量子神秘感的现象，其真实世界的存在同样令科学界着迷。与线性闪电的瞬时放电截然不同，自然界观测到的球状闪电呈现为稳定漂浮的发光球体，其形成与维持机制构成了一个长达两个多世纪的物理学难题。

核心挑战在于其物理稳定性。一团高温等离子体如何在空气中维持球状形态而不迅速扩散？何种约束机制能对抗其固有的热膨胀压力？从法拉第、特斯拉到卡皮查，历代科学家都曾提出理论，但始终缺乏能在受控实验室环境下复现的关键证据。

这一僵局于近期被打破。中国科学院上海光学精密机械研究所（上海光机所）的研究团队在《自然・光子学》上发表了里程碑式成果。他们首次在实验室环境中，稳定产生了尺度近毫米、寿命达百纳秒量级的“球状电磁孤子”。该人造结构在形态、发光特性及稳定机制上与自然球状闪电高度相似，为破解这一百年谜题提供了首个坚实的实验模型与物理图景。

球状电磁孤子封面艺术图

球状闪电的观测特性与科学挑战

球状闪电的物理特性与常见闪电形成鲜明对比。其直径通常在数十厘米，寿命可达数秒至数分钟，并具备缓慢移动的能力。这种反常的稳定性直接挑战了经典等离子体物理学的认知。

其研究的最大障碍在于极低的自然发生概率与不可预测性。球状闪电仅在特定雷暴条件下随机出现，目击概率极低，导致可供分析的直接观测数据严重匮乏。长期以来，相关研究多停留在理论推测与目击报告层面，缺乏可重复验证的实验基础。

实验室复现：从太赫兹波到“光之茧”

在实验室模拟球状闪电面临尺度与寿命的双重极限。此前利用红外激光产生的等离子结构，在尺寸和持续时间上均与自然现象相差数个数量级。

上海光机所团队创新性地采用了太赫兹波技术路径。实验通过超强飞秒激光激发金属丝产生太赫兹表面波，并利用纳米针尖将太赫兹场强聚焦至100亿伏/米量级。将此极端场强注入高速氩气喷流，气体被瞬间电离形成等离子体。关键机制在于：太赫兹波的辐射压力推动等离子体形成致密外壳，该外壳反过来将部分太赫兹电磁能量捕获于腔内，形成一个自我维持的“电磁孤子”。最终产生的近毫米级光球，其稳定存在时间达到百纳秒量级。

上海光机所研究团队

这项研究从物理本质上澄清了球状闪电的可能形态。它并非小说中设想的“宏电子”，而是一种由等离子体外壳包裹电磁能量形成的“电磁孤子”。可以将其理解为一个自我约束的“光之茧”：薄层等离子体外壳与内部电磁辐射压达成精密动态平衡，使得该结构无需外部能量注入即可维持球状形态并持续发光。这解释了球状闪电为何能违背直觉，在空气中长时间稳定存在。

破解百年谜团的多领域科学价值

此项突破的科学意义超越了单纯解释一种自然奇观。

首要贡献在于，它通过受控实验首次产生了球状太赫兹孤子，为球状闪电的物理成因提供了直接、可验证的实验证据与理论框架，深刻揭示了极端电磁场与物质相互作用的复杂动力学。

实验观测到球形电磁孤子在发波段和几何尺寸上与自然界的球状闪电特征非常类似

其更深远的价值在于发现了一种全新的极端电磁能量自我约束机制。这一基础物理机制的阐明，为多个前沿领域开辟了新的研究方向，包括但不限于惯性约束聚变、高功率太赫兹辐射源开发、新型电磁能量存储、高层大气物理学、地球电磁学以及强场量子电动力学等。这颗在实验室中点燃的“微型光球”，其启示可能引领一系列未来技术的演进。

原标题：《刘慈欣科幻小说成真？中国科学家破解百年谜团，在实验室制造“类球状闪电”》

图片来源：受访对象

来源：作者：解放日报 黄海华