“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。
在现实中，球状闪电同样长期笼罩着神秘色彩。两百多年来，从法拉第、特斯拉到诺贝尔物理学奖得主卡皮查，许多科学家都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。
如今，这一谜题或许有了答案。
中国科学院上海光学精密机械研究所（以下简称上海光机所）研究员宋立伟、田野和李儒新团队，首次成功激发并捕获了一种在形状、状态和发光特性上与球状闪电高度相似的球形发光体，并证实其本质为一种电磁孤子。4月16日，相关研究成果发表在《自然-光子学》。
从电磁孤子出发，理解神秘的球状闪电
球状闪电，被称为自然界最神秘的电磁现象之一。
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，寿命可长达数秒至数分钟。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，球状闪电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。
它为何能在空气中维持而不迅速耗散？又如何保持相对稳定的球形结构？这些问题始终是球状闪电研究的核心。
“这是一种十分特殊的存在，明明是一团高温等离子体，却没有立刻炸开。”田野说，“这种看似矛盾的状态，背后很可能存在一种精妙的动态平衡：电磁辐射压与等离子体热压相互抗衡，使它得以在一定时间内维持稳定形态。”
此前有理论研究提出，球状闪电可解释为微波电磁孤子的宏观表现形式。所谓电磁孤子，可以理解为一种能够“自我约束”的稳定波动结构。它由高温等离子体构成，在没有外部能量持续维持的情况下，仍能在一定时间内保持自身结构并缓慢演化。
如果这一设想成立，那么破解球状闪电之谜的关键，就是在实验中获得尺度更大、寿命更长的电磁孤子，并看清它是如何形成和演化的。
事实上，自20世纪90年代以来，科学家们已在超强激光与等离子体实验中观测到电磁孤子。不过，这类孤子的持续时间通常只有皮秒量级，尺寸也仅为微米量级，与自然界中的球状闪电相距甚远。
“我们认为，如果将驱动源从传统近红外波段拓展至波长更长的太赫兹波段，理论上可产生尺度更大、寿命更长的宏观电磁孤子，使其更接近自然界球状闪电的特征。”共同第一作者、上海光机所副研究员周楚亮告诉《中国科学报》。
顺着这个思路，团队开始了探索。
羲和助力，捕获电磁孤子
团队面临的首个挑战是：如何将太赫兹波推进至相对论强度，并使其与等离子体参数精准匹配？这也是该领域长期未能攻克的关键科学技术难题。
幸运的是，他们有着两大关键支撑。
其一是上海超强超短激光实验装置（又称“羲和激光装置”）。该装置由上海光机所科研团队牵头研发，是国际上首台实现10拍瓦激光放大输出的超强超短激光实验装置，可在实验室内创造出前所未有的超强电磁场、超高能量密度和超快时间尺度等综合性极端物理条件。
其二是团队在强激光驱动丝波导太赫兹源领域的持续积累。自2017年以来，团队在强太赫兹产生、放大、调控、应用等方面取得系列突破，逐步建立起从极端太赫兹源产生到强场超快动力学物理研究的完整技术与科学体系，为此次实验铺平了道路。
“基于羲和激光装置的飞秒强激光，我们驱动微金属丝产生了相对论强度的太赫兹表面波。”宋立伟表示。实验中也用到了近场增强效应，即将原本空间分布较宽的电磁场压缩到一个极小空间里，使局部强度被显著放大，从而为亚毫米尺度电磁孤子的产生提供了高质量的驱动源。
同时，团队引入超音速气体喷流，将高密度氩气注入到针尖附近区域。强太赫兹场迅速把氩气电离，形成参数可控的等离子体环境。随后，太赫兹的电磁辐射压推动周围等离子体形成一层致密的等离子体壳，如同一个无形的“光之茧”，将部分太赫兹波能量束缚在其中，最终形成一个直径约百微米、寿命长达百纳秒的球状电磁孤子。
按物理标度变换，该孤子可对应自然界中直径几十厘米、持续数秒的球状闪电。这意味着，科学家首次在实验室中获得了一个可重复生成、可精确诊断的类似自然界“球状闪电”的对象。
看清“能量球”如何诞生、膨胀与消散
在制造出“类球状闪电”的基础上，团队进一步看清了它的演化过程。
他们借助自主搭建的高速成像系统，首次完整记录了球状太赫兹孤子从形成、膨胀到耗散的全过程。其演化时间超过百纳秒，较传统近红外激光驱动的孤子提升了4至5个数量级。
实验中，这个“能量球”初始尺寸约为80微米，随后缓慢膨胀，发射光谱覆盖紫外至红外波段。对发射光谱的精确解析显示，孤子中的电子温度在百纳秒时间内由约6电子伏特逐渐下降至0.5电子伏特，即从约7万摄氏度下降至约6千摄氏度。
“这一缓慢冷却过程，证实了该‘能量球’空腔中俘获的太赫兹波，在持续给‘能量球’注入能量。”宋立伟解释，“正是内部太赫兹辐射压与外部球壳等离子体热压之间的动态平衡，使这种结构实现了远超普通热等离子体寿命的自持演化，为球状闪电的长寿命之谜提供了清晰的实验判据。”
回归更本质的科学问题，这项研究揭示了光辐射压力与热等离子体压力动态平衡、从而形成自持发光球形结构的精妙物理过程，生动展示了极端条件下电磁场与物质相互作用所呈现的物理美学。
“研究成果有望为极端强场原子分子物理、电磁孤子动力学、大气物理学以及新型聚变物理路径探索等研究提供有益启示。”宋立伟表示，“这项研究也展现了强场太赫兹表面波技术作为一种新工具的潜力，它不仅是探索应用技术的新引擎，也可能成为揭示自然未解现象的重要工具。”
相关论文信息：http://doi.org/10.1038/s41566-026-01899-y
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