В Китае получили лабораторный аналог шаровой молнии

Подробно

Как учёные получили в лаборатории аналог шаровой молнии?

Команда сфокусировала фемтосекундный лазерный импульс с центральной длиной волны 800 нм на вольфрамовом наноконце радиусом около 50 нм. Импульс возбуждал почти одноцикловый терагерцевый поверхностный плазмон-поляритон, который распространялся по сужающейся вольфрамовой проволоке. Наноконец усиливал поле более чем в 10 раз, а локальная напряжённость превышала 10 ГВ/м.

Это локализованное поле вводили в сверхзвуковую струю аргона с давлением подпора 8 бар. Поле ионизировало газ и создавало плазменную оболочку с полостью, которая удерживала терагерцевое излучение в диапазоне 0,1-0,6 ТГц. Оценённая максимальная электронная плотность плазмы - около 4,68 × 10^15 см⁻³.

Авторы работы: Chuliang Zhou, Dongdong Zhang, Rong Qi, Yafeng Bai, Yushan Zeng, Zhuorui Zheng, Liwei Song, Ye Tian и Ruxin Li. Ответственные авторы - Liwei Song, Ye Tian и Ruxin Li. Основное место работы - Государственная ключевая лаборатория сверхмощной лазерной науки и техники Шанхайского института оптики и точной механики Китайской академии наук.

«Здесь мы сообщаем о первом управляемом получении макроскопического долгоживущего солитона, возбуждаемого релятивистскими терагерцевыми электромагнитными полями».

Это заявление авторов из аннотации статьи. Ye Tian, научный сотрудник института, описал результат так:

«Эта синяя оболочка - горящая плазма, подобная солнечной; словно невидимый световой кокон, она удерживает электромагнитные волны внутри, формируя энергетический шар диаметром около ста микрометров и временем жизни порядка ста наносекунд».

Какого размера лабораторный плазменный шар и сколько он живёт?

По данным препринта, типичный начальный диаметр солитона составлял около 80 мкм. Примерно за 20 нс появлялся яркий плазменный пузырь диаметром около 100 мкм. За приблизительно 100 нс он расширялся до более чем 200 мкм, сохраняя неподвижный сферический центр. Примерно после 80 нс спектр и структура начинали распадаться.

В источниках размер обобщён по-разному. Аннотация Nature Photonics говорит о сферическом профиле «миллиметрового масштаба» и времени жизни 100 нс, а тематическая страница журнала указывает пространственный масштаб около 400 мкм.

Излучение регистрировали во времени и пространстве в шести спектральных полосах в диапазоне 360-760 нм. Коротковолновое излучение иона аргона Ar⁺ преобладало на ранней стадии, затем спектр смещался к длинноволновой флуоресценции нейтрального аргона. Оценка электронной температуры снижалась примерно с 6 до 0,5 эВ. Эта оценка опирается на предположения о чернотельном излучении и локальном термодинамическом равновесии, а также на спектральное моделирование.

Почему солитон не разлетается сразу?

Авторы интерпретируют механизм как динамическое равновесие. Радиационное давление терагерцевого поля выталкивает заряды и формирует полость, а тепловое давление плотной плазменной оболочки противодействует расширению. Благодаря этому электромагнитная энергия временно остаётся запертой внутри.

Расширение структуры в целом соответствовало адиабатической модели «snowplow». Кроме скоростной съёмки и спектроскопии, команда использовала particle-in-cell-моделирование с экспериментальными параметрами и спектральные расчёты FLYCHK. Моделирование прослеживало эволюцию поля и плазмы от 0,02 до 75 нс. Когда равновесие между давлением удерживаемого излучения и тепловым давлением оболочки нарушается, структура распадается.

Исходные данные - последовательности изображений, данные спектральных фильтров, радиус расширения и спектры во времени - опубликованы на Figshare под лицензией CC BY 4.0. Количество независимо воспроизведённых запусков в открытых материалах не указано: на графиках есть средние значения и стандартные отклонения нескольких наборов данных.

Объясняет ли эксперимент природу шаровой молнии?

Не до конца. В статье объект последовательно назван «ball-lightning-like», то есть похожим на шаровую молнию, а установка описана как лабораторный аналог. Авторы пишут, что работа создаёт доступную в лаборатории платформу для изучения физики оптических солитонов, механизмов накопления энергии и давней загадки шаровой молнии.

Пресс-релизы института и агентства Xinhua используют более сильные формулировки о подтверждении сущности шаровой молнии. В аннотации статьи результат описан осторожнее: солитон назван похожим на шаровую молнию, а работа - платформой для её изучения. Эквивалентность лабораторных 100 нс и сотен микрометров природному объекту метрового масштаба, живущему секунды, получена масштабированием модели, а не прямым наблюдением.

Сергей Буланов из ELI ERIC/ELI-Beamlines, автор независимого комментария в Nature Photonics и один из двух раскрытых журналом рецензентов статьи, отмечает:

«Шаровая молния до конца не изучена... эксперименты с мощными лазерами позволили получить релятивистские солитоны миллиметрового масштаба, что указывает на то, что они действительно могут объяснять это явление».

Liu Hengyi, заместитель исследователя Китайской академии метеорологических наук и специалист по молниям, называет эксперимент важным воспроизводимым подходом к проблеме и подтверждением основной идеи микроволнового пузыря. При этом он указывает на разрыв между лабораторией и природой:

«Конечно, между лабораторной “миниатюрой” и природным светящимся шаром ещё остаётся разрыв. В обычной грозе нет мощного лазера и наноиглы, поэтому природный механизм запуска может быть сложнее».

Что было известно о шаровой молнии до этой работы?

В июле 2012 года китайская группа во время полевых наблюдений на Цинхайском плато случайно записала предполагаемую природную шаровую молнию двумя спектрографами и скоростной камерой с расстояния 0,9 км. Объект появился после удара молнии в землю и светился около 1,3-1,64 секунды. В спектре были линии кремния, железа и кальция. Статья вышла 17.01.2014 в Physical Review Letters и стала первой опубликованной спектральной записью такого события.

22.06.2016 H.-C. Wu опубликовал в Scientific Reports релятивистско-микроволновую теорию. По ней релятивистский электронный сгусток от молнии может породить микроволновое излучение, которое ионизирует воздух и образует сферическую плазменную оболочку, удерживающую это излучение. Тогда механизм подтверждался только моделированием.

Препринт лабораторного эксперимента команда разместила на Research Square 03.06.2025. Статья поступила в Nature Photonics 17.04.2025, принята 01.03.2026 и опубликована 16.04.2026 в томе 20, на страницах 727-733. Светящиеся плазменные шары, которые сравнивали с шаровой молнией, получали и раньше другими способами. Авторы называют работу первым управляемым получением именно макроскопического долгоживущего релятивистского терагерцевого электромагнитного солитона.