Тайна шаровых молний разгадана? Необычный эксперимент китайских физиков

Обычная молния вспыхивает и исчезает быстрее, чем человек успевает моргнуть. Но на протяжении столетий очевидцы рассказывают о гораздо более странном явлении: светящихся шарах, которые парят над землёй, некоторое время сохраняют форму, а затем внезапно исчезают, иногда с хлопком, словно лопнувший мыльный пузырь. Теперь китайским физикам удалось воспроизвести в лаборатории нечто похожее — и результаты эксперимента могут приблизить разгадку природы шаровых молний.

Несмотря на тысячи свидетельств, шаровая молния остаётся одной из самых загадочных форм атмосферного электричества. Очевидцы по-разному описывают её размеры, цвет и поведение, а само явление настолько непредсказуемо и кратковременно, что изучать его непосредственно в природе чрезвычайно сложно.

Физик Чулян Чжоу и его коллеги из Китайской академии наук решили подойти к проблеме с другой стороны. Вместо попыток поймать настоящую шаровую молнию они создали в контролируемых условиях светящуюся плазменную сферу, способную некоторое время сохранять свою структуру.

Результаты исследования, опубликованного в журнале Nature Photonics, учёные рассматривают как первое экспериментальное получение макроскопического относительно долгоживущего солитона, созданного с помощью чрезвычайно интенсивных электромагнитных полей терагерцового диапазона.

Солитон — это особая волна, которая благодаря равновесию нескольких физических процессов способна сохранять форму, вместо того чтобы быстро расплываться и исчезать. Такие образования могут возникать в воде, плазме, световых полях и, предположительно, даже в некоторых биологических мембранах.

Согласно одной из гипотез, шаровая молния тоже может представлять собой своеобразный электромагнитный солитон. В этом случае энергия удерживается внутри плазменной оболочки, позволяя светящемуся шару существовать значительно дольше, чем можно было бы ожидать от обычного облака раскалённого газа.

Чтобы проверить возможность образования подобной структуры, исследователи использовали чрезвычайно тонкую вольфрамовую иглу. Диаметр её острия составлял всего 100 нанометров. Для сравнения, толщина человеческого волоса обычно находится в пределах 80–100 тысяч нанометров.

На иглу направили сверхкороткий лазерный импульс, вызвавший мощную электромагнитную волну, которая распространилась вдоль металла. Когда волна достигла острия, её энергия сосредоточилась в крошечной области, создав исключительно сильное электрическое поле.

Под воздействием этого поля атомы находившегося поблизости аргона потеряли электроны. Газ ионизировался и превратился в раскалённую плазму. В этот момент исследователи зарегистрировали появление крошечного светящегося шара.

Первоначально диаметр плазменной сферы составлял около 80 микрометров. В течение следующих 100 наносекунд она расширилась до нескольких сотен микрометров.

На первый взгляд, 100 наносекунд — ничтожный промежуток времени. Однако для эксперимента он оказался принципиально важным: светящаяся структура сохранялась намного дольше электромагнитного импульса, который её породил.

Ещё интереснее было то, как именно вела себя плазма. Вместо того чтобы быстро рассеяться, как обычное облако горячего ионизированного газа, сфера продолжала расширяться, сохраняя свою целостность.

Учёные проследили за изменением размеров светящегося шара и исследовали излучаемый им свет. Сферу фотографировали через шесть различных спектральных фильтров, чтобы выяснить, как менялось её свечение по мере расширения и охлаждения.

Полученные данные сравнили с теоретическими расчётами и компьютерными моделями. Выяснилось, что наблюдаемое расширение хорошо соответствует предсказаниям для электромагнитного солитона.

Это указывает на то, что часть электромагнитной энергии могла оставаться заключённой внутри плазмы и поддерживать существование светящейся сферы даже во время её расширения.

Для проверки исследователи также смоделировали обычное тепловое расширение плазмы. В таком случае процесс происходил значительно быстрее, а вещество рассеивалось гораздо сильнее. Именно это различие стало одним из главных аргументов в пользу солитонной природы полученной структуры.

Однако между микроскопическим светящимся шаром в лаборатории и настоящей шаровой молнией, возникающей в атмосфере, остаётся огромная разница. Эксперимент проходил в тщательно контролируемых условиях, тогда как природные явления развиваются под воздействием множества факторов.

Поэтому исследователи решили выяснить, может ли аналогичный механизм работать в значительно больших масштабах. Для этого они использовали теоретические модели, изменив параметры электромагнитного излучения.

Расчёты показали, что при использовании микроволнового излучения вместо терагерцового солитоны теоретически способны достигать нескольких метров в поперечнике и сохраняться в течение нескольких секунд.

Такие размеры и продолжительность существования уже гораздо ближе к некоторым свидетельствам очевидцев шаровых молний.

Впрочем, это пока лишь теоретический результат. Учёные не создавали в лаборатории метровые светящиеся шары и не доказали, что природная шаровая молния возникает именно таким способом. Эксперимент показал, что устойчивые плазменные образования с характерными свойствами электромагнитных солитонов действительно можно получить и изучать в контролируемых условиях.

При этом значение открытия может выходить далеко за пределы атмосферной физики. Если электромагнитную энергию удаётся удерживать в устойчивой локализованной структуре, подобные механизмы могут оказаться полезными для разработки новых способов хранения энергии.

Кроме того, эксперимент предоставляет возможность исследовать взаимодействие света и вещества в условиях чрезвычайно сильных электромагнитных полей, которые трудно воспроизвести и контролировать другими методами.

Авторы работы подчёркивают, что разработанный подход позволяет систематически изучать подобные образования, меняя условия эксперимента и наблюдая за их развитием во времени и пространстве.

Таким образом, исследователи пока не разгадали тайну шаровой молнии, но получили инструмент для проверки одного из возможных объяснений её природы. Вместо того чтобы полагаться исключительно на редкие и противоречивые рассказы очевидцев, физики теперь могут воспроизводить похожие структуры в лаборатории, измерять их свойства и проверять, какие механизмы позволяют светящемуся шару удерживать энергию и сохранять форму.