劉慈欣筆下的“球狀閃電”，中國科學家揭開了它的神秘面紗！

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、發出幽暗光芒，甚至能瞬間將人化為灰燼。這一創作靈感源于自然界中的球狀閃電現象——它通常表現為一個明亮、發光的氣態火球，能夠在空氣中穩定移動并存活數秒之久，曾多次出現在雷暴天氣的目擊報告中。

然而，這種奇特的大氣現象極為罕見，且極難被探測設備捕捉。關于其具體的物理形成機制，在科學界一百多年來始終沒有定論。

畫家筆下的球狀閃電現象（圖片來源：Wikipedia）

與此同時，在微觀的電磁學與等離子體物理領域，物理學家一直在嘗試制造一種極端的物質狀態——電磁孤子，其物理機制與球狀閃電非常相似。就在最近，來自中國科學院上海光學精密機械研究所的研究團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”電磁孤子結構。研究成果發表在期刊《自然·光子學》（Nature Photonics）上。

研究團隊實驗產生的“類球狀閃電”電磁孤子（圖片來源：參考文獻）

等離子體的“魔法”：電磁孤子

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

波的現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散、衰減。

然而，在特定物理條件下，波會出現一種自我束縛、維持形狀和能量高度穩定的孤立實體狀態，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定結構——電磁孤子。

等離子體是一種特殊的物質形態，由游離的正離子和自由電子組成，常被稱為物質在氣、液、固之外的“第四態”。宇宙中發光發熱的太陽、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或現象，本質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）

理論預言，當有強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，導致它的頻率逐漸降低，當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構俘獲，在等離子體中就可能形成一種特殊的結構，即電磁孤子。

“類球狀閃電”電磁孤子藝術效果圖

然而，想要產生穩定存在的準靜態電磁孤子，需要極其苛刻的物理條件，等離子體必須達成一種精妙的雙向平衡：

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

等離子體自身向內的熱壓力：當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動，會產生向內擠壓的力，試圖填補內部的空腔。當向外的輻射壓力與向內的熱壓力相互抵消時，內部的電磁場能量就會被完美地束縛在等離子體的空腔內，從而形成一個能夠自我維持的動態平衡體——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部氣體，拼命向外擴張；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收縮。當向外撐和向內縮的力達成完美的動態平衡時，這個“泡泡”就能夠穩定地存在一段時間。

圖片來源：veer圖庫

傳統光學頻率的“死胡同”

自從電磁孤子的相關理論提出以來，物理學家一直嘗試在實驗室制造穩定存在的電磁孤子，直到2002年，科學家才首次利用超強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構，并推斷其為電磁孤子。此后，多個國際團隊也通過強激光裝置相繼發現了類似的電磁孤子。

然而，這些在近紅外激光條件下生成的結構，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，光的頻率達到了1014Hz的數量級，對應的臨界密度極高，在現實中幾乎不可能長時間維持。因此，在傳統的光學頻率下，科學家們只能在極微觀尺度、極短時間內觀察到電磁孤子，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?，F有的觀測設備極難對這一尺度進行清晰的高分辨率表征，更不用說對其演化過程進行系統性研究。

太赫茲波的破局

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

太赫茲波在電磁波譜中的區位示意圖（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?？蓡栴}在于，普通的太赫茲波在空氣中傳播時，能量會迅速發散，難以產生讓等離子體內部分離的輻射壓力。

為了實現極端的能量聚焦，研究人員采用了一種精巧的納米光子學方案——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”，能夠緊貼金屬表面傳播。太赫茲波的傳播路徑受到金屬的幾何形狀限制，因此能量不再快速發散，從而有可能制造出極端強電場，為產生電磁孤子創造條件。

電磁孤子的誕生

現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：先在極小空間內制造出強電場，再輸入氣體電離，生成高能等離子體，最終產生電磁孤子。

在實驗中，研究團隊準備了一根尖端極細的鎢針。這根鎢針越往前端越細，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）

在經典物理學中，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，達到了亞波長尺度，能夠實現能量的匯聚。

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）

研究人員將飛秒強激光精準照射在鎢針上，激發出了太赫茲表面等離激元（SPP）。當這股SPP沿著越來越細的針尖向前傳播時，其空間分布被強制性地不斷壓縮。因為波的能量無法脫離金屬表面散開，它只能在到達針尖頂端時，被擠壓在一個極小的體積內。局部電場強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電磁孤子的示意圖
右：尖端頂部的總電場強度分布和電場矢量
（圖片來源：參考文獻）

在這一狀態下，向外的電磁輻射壓力、向內的等離子體熱壓力在尖端達成了完美的動態平衡。研究人員通過超快顯微成像系統和光譜分析發現，電磁能量被完美束縛在等離子體球殼內，形成了電磁孤子。這一結構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100納秒。

發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）

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

電磁孤子空間成像與光譜強度的時間演化（圖片來源：參考文獻）

與球狀閃電的奇妙關聯

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，論文也在標題強調了“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，就是懸浮發光和自我維持的球形結構。此次研究制造出的電磁孤子同樣展現出了毫米級的球形輪廓，并且發出持續的光學輻射。一種理論認為，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部能量循環機制具有相似之處。

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懸案提供了關鍵實驗證據，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、可重復地在實驗桌上對其進行研究。同時，研究還揭示了極端電磁能量約束的基礎物理機制，為聚變能源、高能量密度物理及能量存儲等相關領域研究提供了新的參考。

參考文獻：

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

審核：中國科學院上海光學精密機械研究所田野研究員、宋立偉研究員

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文章轉載自“科學大院”公眾號