古人目擊的神秘巫火、馬祖火……球形閃電到底是個(gè)啥？

這幅法國(guó)插畫展示了球狀閃電通過窗戶進(jìn)入房間的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在歷史上曾多次被記錄下來。

? Alamy Stock Photo

利維坦按：

文中提及的“圣艾爾摩之火”，又稱巫火，在中國(guó)古時(shí)稱作馬祖火，是一種自古以來就常在航海時(shí)被海員觀察到的自然現(xiàn)象，經(jīng)常發(fā)生于雷雨中，在如船只桅桿頂端之類的尖狀物上，產(chǎn)生如火焰般的藍(lán)白色閃光。圣艾爾摩之火也會(huì)出現(xiàn)在牛羊等牲畜的角尖，或任何尖銳物體上。圣艾爾摩之火是一種電暈放電現(xiàn)象，由于周遭環(huán)境非常大的電勢(shì)差（這在大雷雨中很常見），超越了空氣的擊穿電壓（約每米300萬(wàn)伏），使得空氣成為了導(dǎo)體（等離子體），并在導(dǎo)電的過程中放出強(qiáng)光。

1195年6月7日，一位來自坎特伯雷、名叫格維斯（Gervase）的英國(guó)本篤會(huì)修士，目睹了一場(chǎng)雷暴降臨倫敦城。這顯然超出了這位修士的想象：

“6月7日，大約下午六點(diǎn)左右，倫敦上空出現(xiàn)了濃密黑暗的云團(tuán)，云團(tuán)不斷擴(kuò)大，而四周卻陽(yáng)光明媚。在這云團(tuán)中間，有一個(gè)像磨坊的開口，我不知道從哪里冒出了一股白色的物質(zhì)。那股物質(zhì)形成了一個(gè)球形，懸浮在泰晤士河和諾維奇主教住所之間。隨后，一個(gè)火球落入河中；它旋轉(zhuǎn)著，一次又一次地降落到主教家的墻下?！?/p>

大約400年后，1638年10月21日，另一場(chǎng)大風(fēng)暴降臨德文郡的荒原小鎮(zhèn)懷德康比（Widecombe）。當(dāng)時(shí)，許多鎮(zhèn)上的居民正在參加教堂禮拜，突然發(fā)生了以下異常場(chǎng)景：

“……一聲令人恐懼的巨響傳來，雷聲轟鳴，還有可怕的奇怪閃電……火焰般的閃電瞬間照亮了整個(gè)教堂，教堂里充滿了濃煙和類似硫磺的氣味。他們一開始看到一個(gè)巨大的火球從窗戶進(jìn)來，穿過教堂，這把全體會(huì)眾嚇壞了，他們中的大多數(shù)人都跌倒在座位上……”

后世佚名藝術(shù)家創(chuàng)作的木刻版畫，再現(xiàn)了懷德康比教堂里的火球事件。? wikipedia

據(jù)目擊者稱，“巨大的火球”在教堂內(nèi)亂竄，摧毀了石頭和木梁，并點(diǎn)燃了信眾的衣服?；鹎蛞欢攘殉蓛砂耄话朐宜榱艘簧却皯?，另一半消失在教堂內(nèi)某處。這導(dǎo)致4人死亡，另有60人受傷，火球只留下了揮之不去的濃煙和刺鼻的硫磺味。這是關(guān)于球狀閃電最早的兩次記錄。球狀閃電是最詭異、最罕見的自然現(xiàn)象之一。它通常被描述為一個(gè)漂浮的光球或火球，自行四處移動(dòng)，隨后突然消失。

雖然關(guān)于球狀閃電的首次書面記錄僅可追溯到公元12世紀(jì)，但人類很可能自文明誕生之初就遇到了這種現(xiàn)象。例如，日本民間傳說中提到了“人魂”（Hitodama），這是一種發(fā)光的球狀物，人們相信這是逝者的靈魂，它們?cè)谝归g跟著人們。

赫爾曼·亨德里克（Hermann Hendrich）《鬼火與蛇》。? wikipedia

類似的還包括澳大利亞內(nèi)陸的“明冥火靈”（Min Min Lights）和歐洲民間傳說中的“鬼火”——一種在沼澤和濕地上閃爍的淡藍(lán)綠色光。不過，后兩種現(xiàn)象是不同的，明冥火靈可能是由汽車前燈和其他光源被冷空氣層折射引起的；鬼火則是由沼澤氣體如磷化氫、二磷烷和甲烷與空氣接觸后自燃引起的。

鬼火看起來可能是這樣的。? Sean B. Palmer

除了罕見之外，球狀閃電難以確定的另一個(gè)因素是，它在不同目擊事件中表現(xiàn)出各種各樣的特征。雖然球狀閃電通常與雷暴有關(guān)，但在晴天也能看到，而且——有趣的是——在地震期間也經(jīng)?？吹?。目擊者描述說，這些球體的直徑在幾厘米到幾米之間，顏色從淡藍(lán)到黃色、橙色、紅色甚至粉紅色，形狀從球形到長(zhǎng)方形、盤狀或棒狀，還有多葉形。在許多情況下，這些球體完全無(wú)聲無(wú)息地消失，而有時(shí)候，它們會(huì)發(fā)出很大的嗡嗡聲或噼里啪啦的聲音，然后伴隨著劇烈的轟隆聲消失。雖然球狀閃電通常發(fā)生在陸地上，但在海上也曾遇到過，正如英國(guó)船員約翰·豪威爾（John Howell）在1726年12月所描述的那樣：

“當(dāng)我們?cè)?月29日穿過佛羅里達(dá)灣時(shí)，一個(gè)巨大的火球從天而降，把我們的桅桿劈成了碎片，簡(jiǎn)直令人難以置信；還劈斷了我們的主梁，以及水下的三塊船板和甲板上的三塊木板。一個(gè)人當(dāng)場(chǎng)死亡，另一個(gè)人的手被炸飛，如果不是因?yàn)楸┯?，我們的船帆早就被燒成一團(tuán)火焰了?！?/p>

二十多年后，1749年，皇家海軍戰(zhàn)列艦“蒙塔古號(hào)”（HMS Montague）上的格雷戈里博士（Dr. Gregory）報(bào)告了以下事件：

“1749年11月4日，海軍上將錢伯斯在蒙塔古號(hào)上，正午前不久，他觀察到距離他們大約三英里處有一個(gè)巨大的藍(lán)色火球。他們立刻降低了頂帆，但火球來的速度太快，他們還沒來得及升起主帆，火球幾乎垂直升起，并在離主錨鏈條大約四五十碼的位置爆炸了，爆炸的聲音仿佛上百門大炮同時(shí)發(fā)射，留下了強(qiáng)烈的硫磺味。爆炸將主桅桿炸成了碎片。五個(gè)人被擊倒，其中一人傷勢(shì)嚴(yán)重。在爆炸前，火球看起來像是個(gè)大磨盤一樣大?！?/p>

近年來，球狀閃電甚至在飛機(jī)上被目擊到，著名的英國(guó)射電天文學(xué)家羅杰·克里夫頓·杰尼遜（R.C. Jennison）在1963年3月19日?qǐng)?bào)告了以下目擊事件：

“我坐在一架全金屬客機(jī)（東方航空EA539航班，這里指美國(guó)東方航空，成立于1926年，至1991年倒閉，其一直是美國(guó)國(guó)內(nèi)主要的航空公司。編者注）客艙前部附近，這是一架從紐約飛往華盛頓的深夜航班。飛機(jī)遭遇雷暴，突然被明亮的放電所籠罩。幾秒鐘后，一個(gè)直徑略大于20厘米的發(fā)光球體從駕駛艙中出現(xiàn)，沿著飛機(jī)過道飛過，距離我約50厘米，在整個(gè)可觀察到的距離內(nèi)保持相同的高度和方向?！?/p>

其他一些著名人物也偶然遇到過球狀閃電，包括英國(guó)神秘學(xué)家阿萊斯特·克勞利（Aleister Crowley）和俄國(guó)沙皇尼古拉二世，尼古拉二世小時(shí)候在彼得霍夫拜訪祖父亞歷山大二世時(shí)目睹了這一現(xiàn)象：

“我和祖父在小教堂禮拜期間，雷雨交加，一道道閃電接連閃過，雷聲仿佛撼動(dòng)了整個(gè)世界。突然間，天色昏暗，從敞開的門吹進(jìn)來一陣風(fēng)，吹滅了圣像前的蠟燭，雷聲隆隆，比之前更響，我突然看到一個(gè)火球從窗戶飛過來，直沖圣像的頭頂。那球（閃電）在地上旋轉(zhuǎn)了一圈，然后越過吊燈，飛出門外，進(jìn)入公園。我的心都涼了，我看了一眼祖父——他的臉上異常平靜。我覺得像我這樣害怕是不合時(shí)宜的。人們只需看看正在發(fā)生的事情，并相信上帝的仁慈，就像我祖父那樣。當(dāng)閃電球穿過整個(gè)教堂，突然從門里飛出去時(shí)，我再次看著我的祖父。他臉上露出一絲淡淡的微笑，向我點(diǎn)了點(diǎn)頭。我的恐慌消失了，從那時(shí)起，我不再害怕暴風(fēng)雨了?！?/p>

這些不同的記錄清楚地展示了球狀閃電另一種令人困惑的特性。有時(shí)，這些光球似乎對(duì)周圍環(huán)境毫無(wú)影響，可以輕松穿過墻壁和其他固體而不留痕跡，有時(shí)它們卻極具破壞性，打碎窗戶、引發(fā)火災(zāi)，甚至造成人員傷亡。更奇怪的是，它似乎對(duì)導(dǎo)電物體的影響遠(yuǎn)大于非導(dǎo)電物體：在許多關(guān)于球狀閃電的報(bào)告中，金屬物體如電表和金屬管經(jīng)常被猛烈地從房屋上扯下并被拋到街上。

球狀閃電通過壁爐進(jìn)入房間，摘自G·哈特韋格（G. Hartwig）《空中世界》（The Aerial World），1886年。? Weather & Radar

不過，在眾多報(bào)道中大致一致的細(xì)節(jié)是，這些光球通常會(huì)留下類似硫磺的氣味。盡管球狀閃電研究起來非常困難，但實(shí)際上它并不像人們普遍認(rèn)為的那樣罕見。在1960年發(fā)表于《美國(guó)物理學(xué)會(huì)等離子體物理分會(huì)論文集》（Division of Plasma Physics of the American Physical Society）的一項(xiàng)研究中，J·R·麥克納利（JR McNally）分析了大約10000份目擊者報(bào)告，并得出結(jié)論，世界上多達(dá)5%的人口在一生中的某個(gè)時(shí)刻見過球狀閃電。這表明，這種現(xiàn)象實(shí)際上相當(dāng)普遍，不過，地球非常大，并不總是有人——更不用說訓(xùn)練有素、裝備精良的科學(xué)家——可以親眼目睹它。有些研究人員非常幸運(yùn)。例如，1965年，蘇聯(lián)大氣化學(xué)家米哈伊爾·德米特里耶夫（Mikhail Dmitriev）在俄羅斯西北部阿爾漢格爾斯克附近進(jìn)行探險(xiǎn)時(shí)，一道閃電擊中了他營(yíng)地附近的地面。閃電中冒出一個(gè)直徑約16厘米的火球，它在離地面不遠(yuǎn)的地方盤旋了一會(huì)兒，然后飛過營(yíng)地，一路噼里啪啦地響。隨后它飛進(jìn)附近的樹林消失不見，留下一縷深藍(lán)色煙霧和一股刺鼻的氣味。德米特里耶夫迅速使用一組真空氣袋對(duì)煙霧進(jìn)行采樣。后來發(fā)現(xiàn)，這些樣本中的臭氧和二氧化氮含量比正常值高出50到100倍。這些氣體通常由高壓放電產(chǎn)生。

2022年10月，空客機(jī)長(zhǎng)路易斯·安德烈斯（Luis Andress）在邁阿密飛往丹佛的航班上拍下了令人驚嘆的“圣艾爾摩之火”。? Luis Andress/SWNS

事實(shí)上，球狀閃電常常與另一種更常見的“圣艾爾摩之火”（St. Elmo’s Fire）相混淆。“圣艾爾摩之火”是一種藍(lán)色的電暈放電，經(jīng)常出現(xiàn)在船的桅桿或飛機(jī)機(jī)翼上。不過，它們幾乎肯定是不同的現(xiàn)象，因?yàn)槭グ瑺柲χ鹦枰粋€(gè)尖銳的點(diǎn)或邊緣來克服周圍空氣的擊穿電位，而球狀閃電則完全是分離和穩(wěn)定的。

手拿火球的特斯拉，沃里克·戈布爾（Warwick Goble）繪，1899年。? wikimedia

由于在自然環(huán)境中觀察球狀閃電極其困難，大多數(shù)研究都集中嘗試在實(shí)驗(yàn)室中復(fù)制這一現(xiàn)象。首先成功的人之一是大家最喜愛的塞爾維亞“瘋狂”科學(xué)家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla），他在1904年3月5日的《電氣世界與工程師》（Electrical World and Engineer）雜志上宣稱：

“我從未見過火球，但為了彌補(bǔ)這種遺憾，我后來成功地確定了其形成模式并人工制造了它們?！?/p>

當(dāng)時(shí)的報(bào)紙報(bào)道還稱，為了取悅客戶，特斯拉經(jīng)常制作直徑幾厘米的閃電球。不過，對(duì)特斯拉來說，這種現(xiàn)象只是他研究無(wú)線能量傳輸?shù)囊馔飧碑a(chǎn)品，他對(duì)此話題的論述很少。我們不得不指出，當(dāng)時(shí)媒體關(guān)于特斯拉的報(bào)道大部分都被高度夸張了，因此這些說法應(yīng)該謹(jǐn)慎對(duì)待。盡管如此，特斯拉的誘人實(shí)驗(yàn)仍然為后世的球狀閃電研究者們提供了靈感。下一個(gè)認(rèn)真研究球狀閃電的重要人物是英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·L·塔克（James L. Tuck）。作為爆炸物專家，塔克是二戰(zhàn)期間曼哈頓計(jì)劃中英國(guó)代表團(tuán)的一員。戰(zhàn)后，塔克留在洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，深入?yún)⑴c早期的核聚變研究。在此期間，塔克聽許多二戰(zhàn)潛艇人員說，當(dāng)他們關(guān)閉連接潛艇電池與電動(dòng)機(jī)的開關(guān)時(shí)，無(wú)意間產(chǎn)生了球狀閃電。這些火球在甲板上方盤旋了好一會(huì)兒，有時(shí)還會(huì)燒傷他們的腿。這些故事引起了塔克的興趣，他認(rèn)為解決球狀閃電的神秘面紗可能有助于破解另一個(gè)更重要的科學(xué)難題。

詹姆斯·塔克的或然器。? science photo

當(dāng)時(shí)，大多數(shù)核聚變研究都基于“壓縮”原理——利用磁場(chǎng)來限制和壓縮等離子體，誘發(fā)原子聚變并釋放能量。不像后來像甜甜圈形的托卡馬克（Tokamak）反應(yīng)堆那樣，早期的實(shí)驗(yàn)沒有試圖長(zhǎng)時(shí)間約束等離子體，而是盡快引發(fā)核聚變，并在等離子體消散之前收集能量。不幸的是，所有最早的實(shí)驗(yàn)性核聚變反應(yīng)（如萊曼·斯皮策[Lyman Spitzer]的仿星器[Stellarator]，以及詹姆斯·塔克的或然器[Perhapsatron]）都因等離子體內(nèi)部的不穩(wěn)定性而以一次次失敗告終。

萊曼·斯皮策的仿星器。? Princeton Plasma Physics Laboratory

當(dāng)時(shí)，人們普遍認(rèn)為球狀閃電也是一種等離子體——一種由高溫電離氣體組成的超高溫物質(zhì)。但與仿星器和或然器不同，球狀閃電中的等離子體不知何故能夠連續(xù)幾分鐘保持完全封閉和穩(wěn)定。塔克認(rèn)為，找出其中的原因可能就是解決核聚變問題的關(guān)鍵。幸運(yùn)的是，他很快就在洛斯阿拉莫斯的儲(chǔ)藏室里發(fā)現(xiàn)了一套完整的潛艇電氣系統(tǒng)。塔克說服了一群同事，在一個(gè)廢棄的測(cè)試掩體中安裝了這套設(shè)備，接下來的兩年半里，他們對(duì)電池進(jìn)行了數(shù)千次充電和放電，并將結(jié)果記錄在膠片上。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)只產(chǎn)生了一陣普通的火花，但在復(fù)查某次測(cè)試的膠片時(shí)，塔克在其中四幀中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)發(fā)光的白色球體，直徑約4厘米，快速地沿著地面上方移動(dòng)。不幸的是，實(shí)驗(yàn)掩體隨后被拆除，塔克無(wú)法繼續(xù)他的實(shí)驗(yàn)。他于1973年從洛斯阿拉莫斯退休，1980年去世，享年70歲。塔克與眾多人分享了他的球狀閃電照片，其中一位是來自馬薩諸塞州布羅克頓（Brockton）的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)者羅伯特·K·戈?duì)柨ǎ≧obert K. Golka）。作為尼古拉·特斯拉的追隨者，戈?duì)柨ㄒ恍南雽?shí)現(xiàn)特斯拉的夢(mèng)想，即通過無(wú)線方式向世界各地傳輸電力，并將核聚變能發(fā)展為未來清潔、無(wú)限的能源。

戈?duì)柨ê退奶厮估€圈。? rdmenzies

1974年，戈?duì)柨ò岬姜q他州溫德沃（Wendover），在溫德沃空軍基地附近一個(gè)60萬(wàn)平方英尺的廢棄機(jī)庫(kù)里安頓下來。在這里，他用軍隊(duì)剩余零件和當(dāng)?shù)乩鴪?chǎng)的廢料組裝了世界上最大的特斯拉線圈。在接下來的幾年里，他多次啟動(dòng)這個(gè)巨大的線圈，產(chǎn)生了長(zhǎng)達(dá)數(shù)米的2000萬(wàn)伏閃電。但只有在極少數(shù)情況下，這種令人印象深刻的燈光秀才能產(chǎn)生類似球狀閃電的東西。1980年，戈?duì)柨ǖ膶?shí)驗(yàn)戛然而止。美國(guó)空軍曾以象征性每年1美元的價(jià)格將機(jī)庫(kù)租給他，后來將機(jī)庫(kù)轉(zhuǎn)讓給溫德沃鎮(zhèn)，溫德沃鎮(zhèn)隨即將租金提高了2400%。這引發(fā)了戈?duì)柨ê蜏氐挛宙?zhèn)之間漫長(zhǎng)而激烈的法律糾紛，溫德沃鎮(zhèn)的居民和政府認(rèn)為戈?duì)柨ú贿^是個(gè)不勞而獲的瘋子。最后，戈?duì)柨x開了溫德沃，回到了馬薩諸塞州，他決定復(fù)制詹姆斯·塔克的潛艇電池實(shí)驗(yàn)。但那個(gè)時(shí)候，二戰(zhàn)潛艇電池已經(jīng)相當(dāng)難以獲得了。于是，戈?duì)柨?lián)系了波士頓和緬因鐵路公司的總裁，成功說服他提供兩臺(tái)機(jī)車、幾節(jié)貨車車廂和一英里半的鐵軌。戈?duì)柨ㄔ?985年3月的《無(wú)線電電子》雜志中寫道：

為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，我將一個(gè)潛艇斷路器接入了機(jī)車下方1600馬力柴油發(fā)電機(jī)和2000馬力電機(jī)之間的高壓電路中。通過打開斷路器（使用長(zhǎng)掃帚柄），就能夠產(chǎn)生球狀閃電。

打開斷路器的效果非常驚人。機(jī)車駕駛室的溫度會(huì)立即從60°F升至110°F。您可以想象，人們迫切地想離開車廂呼吸新鮮空氣。當(dāng)然，我不能這樣做，因?yàn)榛疖嚾栽谛旭偅〞r(shí)速約20英里），而結(jié)果可能是火車沖出軌道并摧毀實(shí)驗(yàn)裝置……這可能是有史以來在行駛的火車上進(jìn)行的第一次等離子體物理實(shí)驗(yàn)！

真是一個(gè)瘋狂的家伙。

基于這些實(shí)驗(yàn)，戈?duì)柨▽?duì)球狀閃電背后的物理現(xiàn)象得出了一些有趣的結(jié)論：

“在無(wú)數(shù)次重復(fù)實(shí)驗(yàn)后，我終于確信火球效應(yīng)是由于湍流的消除。事實(shí)上，我發(fā)現(xiàn)當(dāng)我關(guān)閉駕駛室的門窗時(shí)，最有可能出現(xiàn)這種效果……我現(xiàn)在認(rèn)為這更像是一個(gè)粒子旋轉(zhuǎn)流，而不是高壓靜電效應(yīng)；也就是說，更像一個(gè)巨大的等離子體旋渦甜甜圈，中間有一個(gè)小洞，而不是一個(gè)靜電球體。現(xiàn)在，航空工程領(lǐng)域中有許多現(xiàn)象，尤其是流體動(dòng)力學(xué)方面，還沒有被完全理解。其中一個(gè)就是旋渦的物理特性。人們可以在煙環(huán)內(nèi)吹出另一個(gè)煙環(huán)，且內(nèi)環(huán)可以來回移動(dòng)。你還可以吹出靜止不動(dòng)的煙環(huán)。在液體中，環(huán)可以形成球體和其他形狀?！?/p>

戈?duì)柨ɡ^續(xù)對(duì)球狀閃電、無(wú)線能量傳輸、聚變和其他項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)——盡其所能地湊齊資金和設(shè)備——直到2018年去世，享年80歲。這里需要注意的是，作為一名無(wú)隸屬的獨(dú)立研究人員和“邊緣科學(xué)”社區(qū)的成員，戈?duì)柨ǖ姆椒ê徒Y(jié)論應(yīng)該受到一定的懷疑。

? Weather & Radar

事實(shí)上，幾十年來，只有像戈?duì)柨ㄟ@樣的邊緣科學(xué)家在研究球狀閃電，這意味著這個(gè)主題不幸地卷入了偽科學(xué)。例如，一個(gè)廣為流傳的說法聲稱，詹姆斯·塔克的一次潛艇電池實(shí)驗(yàn)以爆炸告終，爆炸徹底摧毀了測(cè)試掩體——與實(shí)驗(yàn)中使用的微量甲烷氣體相比，爆炸程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不成比例。陰謀論者還普遍聲稱，塔克的研究——以及球狀閃電研究——一直受到美國(guó)軍方的積極壓制，以保護(hù)其對(duì)定向等離子武器的研究。值得慶幸的是，近年來球狀閃電吸引了更多主流科學(xué)家的關(guān)注，他們?cè)絹碓浇咏罱K解開這一難以捉摸的自然現(xiàn)象的謎團(tuán)。1955年，蘇聯(lián)科學(xué)家彼得·卡皮察（Pyotr Kapitsa）首次提出了球狀閃電形成的一個(gè)全面理論解釋——“微波-孤子理論”（Maser-Soliton Theory）。簡(jiǎn)單來說，卡皮察認(rèn)為，在某些條件下，閃電可以將周圍的大量空氣變成一個(gè)巨大的微波激射器（MASER）。這種微波激射器產(chǎn)生的強(qiáng)大微波脈沖會(huì)導(dǎo)致周圍空氣的介電擊穿，形成一個(gè)等離子球。理論上，這種微波效應(yīng)在雷擊后可能還會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，產(chǎn)生的微波脈沖會(huì)不斷滋養(yǎng)并維持等離子球的存在。

彼得·卡皮察（1894-1984）。? Military Review

卡皮察的理論巧妙地解釋了球狀閃電的許多令人困惑的特性。例如，球狀閃電幾乎總是出現(xiàn)在開闊的鄉(xiāng)村，而從未出現(xiàn)在山頂、高層建筑或其他通常會(huì)吸引閃電的高大結(jié)構(gòu)附近。這是因?yàn)榇祟愇矬w會(huì)集中電場(chǎng)，使閃電在較低的電位下放電，并影響較小的周圍空氣體積，從而阻止了微波激射器效應(yīng)的形成。此外，在封閉的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)內(nèi)形成的球狀閃電（如飛機(jī)機(jī)身和潛艇船殼）往往能量較低且相對(duì)無(wú)害，而在更開放的區(qū)域形成的球狀閃電則傾向于更具破壞性。對(duì)此，激射-孤子理論也做出了解釋：該理論預(yù)測(cè)在此類封閉環(huán)境中激射器的最大能量?jī)H為10焦耳，而在更開放的環(huán)境中則為100到1000焦耳。

? Patrick Leger

最后，激射-孤子理論解釋了球狀閃電在其生命周期結(jié)束時(shí)爆炸的傾向，以及它對(duì)導(dǎo)電物體的強(qiáng)烈影響。根據(jù)卡皮查的觀點(diǎn)，當(dāng)?shù)入x子體球耗盡能量并開始衰變時(shí)，驅(qū)動(dòng)激射效應(yīng)的光子會(huì)突然釋放，并通過一種稱為“光子雪崩”（photon avalanche）的現(xiàn)象迅速倍增，這會(huì)產(chǎn)生大量的熱量和強(qiáng)大的磁場(chǎng)，從而撕裂由導(dǎo)電和非導(dǎo)電材料組成的復(fù)合物體。

? Imgur

令人難以置信的是，球狀閃電可以在普通的微波爐中輕松再現(xiàn)。只需將燃燒的蠟燭、火柴或其他碳源放入微波爐并打開電源，數(shù)秒內(nèi)會(huì)有發(fā)光的白色等離子體球從火焰中噴涌而出，在微波爐頂部游走，依靠微波爐磁控管提供的集中的微波能量可持續(xù)數(shù)秒。

? Science in School

2009年，以色列物理學(xué)家伊利·耶爾比（Eli Jerby）和弗拉基米爾·迪赫季亞爾（Vladimir Dikhtyar）以更受控的方式再現(xiàn)了這一效果，他們將一臺(tái)600瓦商用微波爐的磁控管改造成了一種直徑2毫米的“微波鉆頭”，能夠投射集中的微波束。該團(tuán)隊(duì)將此設(shè)備瞄準(zhǔn)各種材料，包括玻璃、純硅、銅、碳、水和各種鹽，觀察到其中許多材料被加熱到極高溫度后爆發(fā)出發(fā)光的、類似水母的等離子體團(tuán)，這些等離子體在金屬容器內(nèi)漂浮并反彈，持續(xù)約10毫秒。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，這些等離子體球是由直徑約50納米的微小蒸發(fā)顆粒組成的。

? Joe Thomissen

這些發(fā)現(xiàn)，似乎支持了英國(guó)化學(xué)工程教授約翰·亞伯拉罕森（John Abrahamson）在2000年首次提出的一個(gè)理論，被戲稱為“泥塊假說”（dirt clod hypothesis）[1]。該理論認(rèn)為，球狀閃電是由普通閃電擊中含有硅元素的土壤引發(fā)的。閃電的高溫會(huì)將土壤中的硅蒸發(fā)并噴射到空氣中。如果有碳存在（例如來自有機(jī)物），它會(huì)優(yōu)先與空氣中的氧反應(yīng)，留下一個(gè)純硅蒸汽球。隨即，氧氣重新與硅結(jié)合并迅速氧化，產(chǎn)生的放熱反應(yīng)形成一個(gè)白熱化的等離子體球，燃燒持續(xù)數(shù)秒。該理論得到了巴西佩爾南布科聯(lián)邦大學(xué)的安東尼奧·帕瓦奧（Antonio Pav?o）和杰爾森·派瓦（Gerson Paiva）在2007年進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的支持，他們用強(qiáng)電弧加熱純硅晶片，產(chǎn)生了持續(xù)數(shù)秒的等離子體球。不過，一些實(shí)驗(yàn)表明，其他元素也可能在球狀閃電的形成中起作用。2006年，柏林普朗克研究所等離子物理學(xué)家格爾德·富斯曼（Gerd Fussman）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在一個(gè)水容器底部引發(fā)高壓電放電，產(chǎn)生了他們稱之為“等離子體球”的發(fā)光球，這些球從水中升起，并持續(xù)約300毫秒——幾乎是此類等離子體預(yù)期壽命的100倍。此外，這些等離子體球相對(duì)低溫，甚至沒有灼燒它們路徑上的一張紙。這一結(jié)果很有趣，因?yàn)榍驙铋W電經(jīng)常出現(xiàn)在水體附近；實(shí)際上，前文米哈伊爾·德米特里耶夫在1965年的偶遇就發(fā)生在奧涅加河的河岸上。如果球狀閃電確實(shí)是等離子體，那么是什么將它束縛在球體內(nèi)？畢竟，在等離子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)中（例如核聚變反應(yīng)堆），必須使用外部產(chǎn)生的磁場(chǎng)來控制等離子體。答案可能在于一種被稱為磁斯格明子（Magnetic skyrmion）的獨(dú)特物理實(shí)體上，斯格明子是一種多重磁渦旋的集合體，形成一個(gè)穩(wěn)定、自包含且自我增強(qiáng)的波包或孤子。這種磁渦旋的組合體，理論上可以使等離子體在不需要外部電源的情況下自行束縛數(shù)分鐘。盡管在1970年代首次被理論化，并在1990年代作為球狀閃電的解釋提出，但直到2018年，阿默斯特學(xué)院和阿爾托大學(xué)的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)才在實(shí)驗(yàn)室中用玻色–愛因斯坦凝聚（當(dāng)原子被冷卻到接近絕對(duì)零度時(shí)形成的一種奇異物質(zhì)）成功地創(chuàng)建了一個(gè)斯格明子。盡管確認(rèn)斯格明子是否真的是球狀閃電長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵仍需進(jìn)行大量研究，這一發(fā)現(xiàn)為球狀閃電的研究指明了前進(jìn)的方向，并表明羅伯特·戈?duì)柨▽?duì)球狀閃電可能是穩(wěn)定磁渦旋的推測(cè)非常接近事實(shí)。盡管大多數(shù)當(dāng)前的球狀閃電模型基于等離子體，但也存在一些更為奇特的理論。例如，俄羅斯科學(xué)院的弗拉基米爾·托爾奇金（Vladimir Torchigin）假設(shè)，球狀閃電實(shí)際上是由大量光子組成，這些光子被困在一個(gè)薄氣泡中——就像肥皂泡一樣——這個(gè)氣泡會(huì)將被困住的光折射到自身上，防止其逃逸。與此同時(shí)，烏克蘭研究員奧列格·梅什奇里亞科夫（Oleg Meshchyreyakov）提出了納米電池假說，認(rèn)為球狀閃電內(nèi)部的納米顆粒類似于化學(xué)電池，產(chǎn)生連續(xù)的電流放電，能夠長(zhǎng)時(shí)間維持球體。而對(duì)于球狀閃電能夠穿透固體物體的神秘能力——甚至是導(dǎo)電的金屬板，有理論認(rèn)為這些球體會(huì)產(chǎn)生并擠壓出微小的孔洞，或等離子體產(chǎn)生一陣中微子——中微子是臭名昭著的惰性粒子，幾乎可以穿透任何物質(zhì)。然而，也許關(guān)于球狀閃電性質(zhì)最超前的理論來自?shī)W地利因斯布魯克離子與應(yīng)用物理研究所的J·皮爾（J. Peer）和A·肯達(dá)爾（A. Kendle），他們?cè)?010年提出了一個(gè)大膽的假設(shè)：球狀閃電實(shí)際上并不存在。兩人假設(shè)在雷雨中經(jīng)?？吹降墓馇?qū)嶋H上是由附近閃電產(chǎn)生的電磁脈沖引起的光學(xué)幻覺。為了支持這一假設(shè)，皮爾和肯達(dá)爾指出了經(jīng)顱磁刺激（TMS）的技術(shù)。TMS廣泛用于神經(jīng)學(xué)研究和包括抑郁癥和癲癇在內(nèi)的多種疾病的實(shí)驗(yàn)性治療，通過高濃度的磁場(chǎng)非侵入性地刺激大腦的不同區(qū)域。根據(jù)大腦被刺激的區(qū)域，TMS能夠引發(fā)各種幻覺，包括被稱為磁磷光的移動(dòng)光點(diǎn)或“光球”。皮爾和肯達(dá)爾證明在距離100米以內(nèi)，閃電可以產(chǎn)生足夠強(qiáng)大的電磁場(chǎng)來像TMS一樣刺激大腦的視覺皮層，這意味著“球狀閃電”可能實(shí)際上是一種由磁場(chǎng)引發(fā)的幻覺。盡管這一理論引人入勝，但它無(wú)法解釋球狀閃電的物理效應(yīng)，如煙霧、硫磺氣味，以及在某些情況下留下的大面積破壞。因此，該假說只能解釋一小部分球狀閃電的目擊事件。所有這些理論都仍然是純粹的推測(cè)。

西北師范大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到的球狀閃電。? inge

幸運(yùn)的是，2012年，中國(guó)蘭州西北師范大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)做到了這一點(diǎn)。該團(tuán)隊(duì)在中國(guó)西北青海高原上架設(shè)了光譜儀，以記錄常見的閃電。在7月底的一場(chǎng)雷雨中，距離儀器約900米的一次閃電產(chǎn)生了球狀閃電，使團(tuán)隊(duì)得以捕 獲這一難得現(xiàn)象的高速影像和光譜數(shù)據(jù)。光譜分析顯示出高濃度的硅、鐵和鈣——這些元素在當(dāng)?shù)赝寥乐胸S富。這些發(fā)現(xiàn)為所謂的“泥塊假說”提供了有力證據(jù)，認(rèn)為球狀閃電由閃電擊中后被蒸發(fā)和電離的土壤納米顆粒組成[2]。

盡管如此，仍需許多研究工作需要進(jìn)行。目前為止，球狀閃電這一神秘現(xiàn)象仍然頑強(qiáng)地保守著它的許多秘密。如果這些秘密終有一天被破解，不僅會(huì)終結(jié)這個(gè)千年未解的科學(xué)謎團(tuán)，還可能揭示出實(shí)現(xiàn)清潔、可持續(xù)核聚變能的關(guān)鍵。到那時(shí)，物理學(xué)家們將真正感到如釋重負(fù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]www.nature.com/articles/35000525[2]journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.035001

文/Gilles Messier

譯/天婦羅

校對(duì)/兔子的凌波微步

原文/www.todayifoundout.com/index.php/2024/09/what-on-earth-is-ball-lightning/

本文基于創(chuàng)作共享協(xié)議（BY-NC），由天婦羅在利維坦發(fā)布

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