Коли ви уявляєте блискавку, це зазвичай простий образ – зигзаг світла, що розриває небо, зникаючи швидше, ніж ви встигаєте моргнути.

Але протягом століть з'являлися свідчення про більш загадкову форму блискавки.

Тисячі записів та свідчень розповідають про кулі блискавки, що зависають над землею, перш ніж зникнути з тріском, як мильні бульбашки.

Цей швидкоплинний феномен практично неможливо вивчити – і описи його розміру, кольору та поведінки сильно варіюються, що робить його однією з найбільш незвичайних загадок в атмосферній науці.

Але якщо ви не можете спіймати кулеву блискавку в природі, фізик Чуліанг Чжоу та його колеги з Китайської академії наук вирішили, що, можливо, ми можемо дізнатися більше, відтворивши щось подібне в лабораторії.

"Ми повідомляємо про перше контрольоване покоління макроскопічного, довговічного солітона, згенерованого релятивістськими терагерцовими електромагнітними полями," – пишуть дослідники в статті, опублікованій в Nature Photonics.

"Ця робота встановлює лабораторну платформу для дослідження фізики оптичних солітонів, розвинутих механізмів зберігання енергії та давньої наукової загадки кулевої блискавки."

Цифрова ілюстрація кулі електрики.

Солітони – це, по суті, одиночні, самодостатні хвилі, які зберігають свою форму та структурну цілісність завдяки делікатному балансу фізичних сил.

Вони можуть формуватися в плазмі, воді, світлі, потенційно навіть у деяких біологічних мембранах – в будь-якому середовищі, де конкуренція фізичних ефектів може збалансуватися для підтримки стабільної хвилі.

Деякі теорії припускають, що кулева блискавка є своєрідним електромагнітним солітоном, що затримує енергію в оболонці плазми.

Щоб дізнатися, чи можуть вони створити цей вид солітона, дослідники звернулися до дуже, дуже гострої частини вольфраму.

Вольфрамова голка з наконечником всього 100 нанометрів завширшки була ключовою. Для порівняння, людське волосся має ширину від 80 000 до 100 000 нанометрів.

Дослідники запустили ультракороткий лазерний імпульс на голку, генеруючи потужну електромагнітну хвилю, що проходила вздовж її довжини.

Коли хвиля досягла наконечника, її енергія зосередилася в надзвичайно інтенсивному електричному полі, яке зірвало електрони з атомів у чекаючому хмарі аргону, створюючи надгарячу бульбашку іонізованого аргону – плазму.

Вона спалахнула в існування як маленька куля світла.

Схема експериментальної установки, карта полів та симуляції (вгорі) та зображення, що показують формування та розширення маленької плазмової кулі (внизу).

Ця крихка, світна сфера почалася як голка діаметром близько 80 мікрометрів, а потім розширилася до більшої голки кілька сотень мікрометрів протягом наступних 100 наносекунд.

Це може не здаватися довгим часом, але це значно довше, ніж електромагнітний імпульс, з якого вона виникла. І замість того, щоб просто розсіюватися, як звичайна хмара гарячої плазми, сфера зберігала свою структуру під час розширення.

Дослідники відстежували це розширення та аналізували довжини хвиль світла, які сфера випромінювала, охоплюючи свої спостереження з теоретичними моделями та комп'ютерними симуляціями.

Це розширення, як виявили дослідники, відповідало теоретичним прогнозам для електромагнітного солітона.

Це свідчить про те, що електромагнітна енергія залишалася затриманою в плазмі, допомагаючи підтримувати світний кулю навіть під час її розширення.

На відміну від цього, їх симуляції теплового розширення в звичайній плазмі показали набагато швидший, більш розмитий процес.

Але маленька точка світла в контрольованому лабораторному експерименті далеко не відповідає диким атмосферним умовам, в яких зазвичай спостерігається кулева блискавка.

Маленька плазмова куля, сфотографована через шість різних фільтрів довжини хвилі, що показує, як її світло змінювалося під час розширення та охолодження.

Отже, дослідники використали свої теоретичні моделі, щоб побачити, як феномен може поводитися на більших масштабах, керуючись електромагнітним випромінюванням нижчої частоти.

Їхні розрахунки показали, що електромагнітні солітони, керовані мікрохвилями, а не терагерцовим випромінюванням, теоретично можуть вирости до метрів у діаметрі та зберігатися протягом секунд.

Це набагато ближче до деяких свідчень про те, як загадкові кулі блискавки поводяться.

Це далеко не остаточне пояснення кулевої блискавки – але розгадка метеорологічних загадок не є єдиним потенційним застосуванням для цих маленьких вогняних куль.

Здатність затримувати електромагнітну енергію в стабільній, локалізованій структурі також може відкрити нові можливості для технологій зберігання енергії та вивчення того, як світло взаємодіє з матерією в екстремальних умовах.

"Наш контрольований лабораторний підхід до просторово-часової характеристики за регульованих умов забезпечує систематичний шлях до розгадки столітньої загадки формування кулевої блискавки," – пишуть дослідники.

"Об'єднуючи екстремальну фотоніку, фізику плазми та атмосферну геофізику, наші результати переосмислюють платформи, керовані терагерцями, як двигуни відкриттів для як прикладних технологій, так і нерозв'язаних природних явищ."

Дослідження було опубліковано в Nature Photonics.