Вчені вперше створили кульову блискавку в лабораторії

Вченим вперше вдалося створити кульову блискавку в умовах лабораторії — явище, яке століттями залишалося загадкою для фізиків. Дослідники з Шанхайського інституту оптики та точної механіки Китайської академії наук отримали мініатюрну світну плазмову структуру сферичної форми, яка поводилася саме так, як очевидці описують природну кульову блискавку.

Кульова блискавка — одне з найзагадковіших атмосферних явищ. Очевидці зазвичай описують її як світну сферу, що виникає під час грози, повільно переміщується в повітрі, зберігає форму кілька секунд і зникає з гучним хлопком або безшумно. Достовірних інструментальних спостережень майже немає, тому єдиного пояснення природи явища досі не існує.

Китайські фізики вирішили перевірити гіпотезу про те, що кульова блискавка є електромагнітним солітоном — локалізованою хвильовою структурою, здатною зберігати стійкість завдяки взаємодії електромагнітного поля з навколишнім середовищем. В основі експерименту — надкороткий лазерний імпульс і тонке вольфрамове вістря. Лазер збуджував уздовж металевого дроту потужні терагерцові електромагнітні хвилі, які концентрувалися на вістрі й створювали електричне поле напруженістю понад 10 мільярдів вольт на метр.

Поруч із вістрям знаходився струмінь аргону. Під дією поля електрони відривалися від атомів газу, перетворюючи його на плазму — і виникала невелика світна куля. Початковий розмір плазмового шару становив близько 80 мікрометрів — це товщина людської волосини. Потім він розширювався до кількох сотень мікрометрів, зберігаючи при цьому сферичну форму.

Найбільше вразила тривалість існування структури. Лазерний імпульс тривав украй короткий час, але утворена плазма проіснувала близько 100 наносекунд. Для порівняння: це на кілька порядків довше, ніж у раніше досліджених короткоживучих електромагнітних солітонів. Високошвидкісна зйомка та спектральний аналіз показали, що температура плазми поступово знижувалася приблизно з 6 до 0,5 електронвольта, а поведінка не відповідала простому розширенню гарячого газу.

Комп’ютерне моделювання пояснило стійкість: частина терагерцового випромінювання утримувалася всередині плазмової структури, а тиск електромагнітного поля не давав енергії розсіятися одразу після завершення імпульсу. Розрахунки також показали: якби подібні структури формувалися в мікрохвильовому діапазоні, їхні розміри теоретично могли б сягати метрів, а час існування — кількох секунд, що вже порівнянно з описами природних кульових блискавок.

Проте лабораторний об’єкт — це ще не повноцінне відтворення атмосферного явища: його розміри й тривалість значно менші, а умови формування кардинально відрізняються від грозових процесів. Попри це, експеримент вперше дав змогу детально простежити народження та еволюцію макроскопічного терагерцового солітона в контрольованих умовах і забезпечив експериментальну основу для перевірки однієї з найцікавіших фізичних гіпотез щодо природи кульової блискавки.