研究人员利用强太赫兹电磁场制造出寿命约100纳秒的微型发光球，其内部捕获的电磁能量可能揭示自然球状闪电的形成机制。
球状闪电是自然界最神秘的现象之一。目击者描述，它通常是一个漂浮在空中的发光球体，能够持续数秒，有时甚至穿过窗户或墙壁。然而，由于发生时间和地点难以预测，科学家始终缺乏足够的实验数据，也无法确定它究竟依靠什么维持形态和亮度。
如今，研究人员在实验室中制造出一种类似球状闪电的微型发光结构。它的尺寸只有数百微米，寿命约100纳秒。虽然远小于自然界中的球状闪电，但其形成方式为一种长期存在的理论提供了实验支持：球状闪电可能是被困在等离子体内部的电磁能量形成的孤子。
所谓孤子，是一种能够在传播或演化过程中保持相对稳定结构的波动。研究人员认为，如果强烈电磁波进入等离子体，并在其中形成能够束缚自身能量的空腔，就可能产生这样的发光球体。
实验利用强烈的飞秒激光照射金属丝，激发出频率约0.1至0.6太赫兹的表面电磁波。这些电磁波沿着金属丝传播，最终汇聚到一根极其尖锐的钨针顶端。针尖半径仅50纳米，使局部电场增强约10倍，达到每米100亿伏的量级。
如此强烈的电场足以把附近的氩气电离，形成一个尺度约40微米的初始等离子体区域。其中约81%的离子为单电离氩离子。随后，电磁能量进入等离子体，在局部形成空腔并被束缚起来，产生一个微小的发光球。
高速成像显示，这个光球并没有像普通高温气体那样迅速散开，而是逐渐膨胀，在约50纳秒内从80微米增大到200微米，整个结构能够维持接近100纳秒。
为了判断它是否只是普通的高温等离子体，研究人员进行了对照模拟。结果发现，如果没有电磁能量提供支撑，初始温度为5电子伏特的等离子体会在10纳秒内冷却至约1.5电子伏特，同时迅速膨胀至300微米以上。
实际光球的冷却和膨胀明显更慢。实验中的降温过程持续约40纳秒，意味着它并非单纯依靠初始热量发光。研究人员认为，被束缚的电磁场能够持续向周围等离子体输送能量，从而延缓冷却并维持球形结构。
研究人员还分析了这种结构为何能够保持稳定。模型显示，电磁辐射产生的压力能够抵抗等离子体的热压力，并支撑不断膨胀的球形外壳。当两种压力达到平衡时，膨胀便可能停止。此外，球形结构对部分长波扰动具有稳定性，因此不会轻易失去形态。
更有意思的是，这种微型光球可能与自然球状闪电遵循相似的物理规律。研究人员通过尺度换算发现，当驱动电磁波从太赫兹频段降低到约1GHz的微波频段时，相应的孤子结构可能扩大到几十厘米甚至更大的尺度。
寿命也可能随之延长。模型计算表明，实验中的孤子捕获约0.4毫焦耳能量，理论寿命约133纳秒。而在自然条件下，如果一个光球能够储存足够的电磁能量，例如初始能量密度达到每立方米1.6万焦耳，就有可能持续约1秒。
这并不意味着球状闪电之谜已经破解。实验制造的光球仍然极其微小，而且只能存在不到百万分之一秒。自然球状闪电是否真的由类似机制产生，还需要更多证据。
不过，这项研究的重要意义在于，它把一个长期停留在理论中的设想变成了可以观察、测量和模拟的实验现象。未来，如果科学家能够进一步提高能量储存效率并延长孤子寿命，或许就能更接近自然界中那些神秘的发光球体。
原文：https://www.nature.com/articles/s41566-026-01899-y