微波空泡——解释球状闪电的新理论
武慧春
“天微雨，忽有流火如球，其色绿，后有小火点随之，从雨中冉冉腾过予宅，坠于厨房水缸之中，其光如月，厨中人惊视之，遂不见。”这是明朝万历内阁首辅张居正对其目睹的球状闪电进行的描写。虽然名为闪电，可球状闪电却与它的同胞十分不同：它并非转瞬即逝，而是会在空中停留一段时间。
长久以来，人们都未能留下球状闪电存在的实物证据，这也使它蒙上了一层神秘色彩。直到2014年1月，西北师范大学的研究人员发表了球状闪电的视频记录，为其存在提供了首个实物证据，该结果还被美国物理学会选为年度进展之一。
目前，正式发表的球状闪电目击报告有近万份，其中作者不乏身为科学家或工程师。科学家们从大量目击报告统计出了球状闪电的主要特征:与普通闪电紧密相关、维持球体超过1秒、在空气中悬浮并水平运动、可在密闭空间内形成、可穿过玻璃、产生刺激性气味和发出嘶嘶或嗡嗡声、安静或爆裂消失。
人们提出了许多假说试图解释球状闪电形成的原因，但大多不具有足够的说服力。雷击会诱发火灾和物质溅射，因此，早期科学家猜想球状闪电是一种燃烧火球，并以此为基础建立了它的化学模型。还有人认为球状闪电是土壤溅射形成的硅蒸气或者消融后的金属。但是，燃烧反应和硅蒸气并不一定呈现球状，消融的金属球也不能在空气中悬浮。另一个事实是，这些化学火球都不能轻易穿过玻璃。
后来，在研究放电的过程中，人们把放电产物定义为等离子体。作为物质第四态，等离子体由电子和离子组成，占到可见物质的90%以上。太阳就是一个不断发生核聚变的巨大等离子体。有些人认为球状闪电很可能就是一团等离子体。因为等离子体的行为很像流体，不太稳定。为了解释球状闪电的稳定性，人们必须假设等离子体团是旋转的。但是，这种等离子体也难以穿越玻璃。
为了解释球状闪电，人们还提出了其他更加离谱的解释，譬如暗物质、黑洞、磁单极、超导等。1987年，闪电物理权威乌曼说:“球状闪电毫无疑问是存在的，但是很不幸，大部分相关理论只能说是垃圾。”在实验方面，直到现在，还没有人能在实验室成功产生类似球状闪电的火球。
而就在近期，另一个试图解释球状闪电的理论被提出——基于等离子体微波空泡理论的球状闪电模型。
球状闪电的球体结构非常类似在强激光领域观测到的一个有趣现象：一束强激光在等离子体中传输时，一部分能量会被约束在等离子体中，自然演化成球状的空腔，空腔内部的电磁波是一个半周期的电磁驻波。这些激光等离子体空泡只有微米尺度量级。那么，对于波长为30厘米的微波来说，形成的空泡就跟球状闪电相仿。
在特定参数范围内，球状闪电的形成机理也变得非常简单：被微波辐射压排开的电子回流会很快包围微波，形成一个微波空泡，就像打个洞钻进去。离子动作很慢，等电子空腔形成后，才会在电子牵引下慢慢跟进。
在新的球状闪电理论模型下，我们可以成功解释许多球状闪电的典型特征：如与闪电紧密联系，闪电先导产生电子脉冲，电子脉冲打击地面产生单周期微波，单周期微波在空气等离子体中形成球状空腔；维持球状则是因为激光空泡就是一个完美的球状，相似体微波空泡没有理由不是球状；神奇的穿越玻璃的能力是因为微波辐射可以进入密闭空间或穿过玻璃；空气等离子体合成的臭氧和二氧化氮是刺激性气味的来源……
当然，这一理论还只是假说。但目前阶段，它能够最好地解释人们目击到的球状闪电的种种特点。（作者系浙江大学物理学系教授。中国气象报记者刘钊根据武慧春发表在《科学报告》的论文《球状闪电的相对论微波理论》整理。）
（来源：《中国气象报》2016年8月19日三版 责任编辑：张林）
武慧春
“天微雨，忽有流火如球，其色绿，后有小火点随之，从雨中冉冉腾过予宅，坠于厨房水缸之中，其光如月，厨中人惊视之，遂不见。”这是明朝万历内阁首辅张居正对其目睹的球状闪电进行的描写。虽然名为闪电，可球状闪电却与它的同胞十分不同：它并非转瞬即逝，而是会在空中停留一段时间。
长久以来，人们都未能留下球状闪电存在的实物证据，这也使它蒙上了一层神秘色彩。直到2014年1月，西北师范大学的研究人员发表了球状闪电的视频记录，为其存在提供了首个实物证据，该结果还被美国物理学会选为年度进展之一。
目前，正式发表的球状闪电目击报告有近万份，其中作者不乏身为科学家或工程师。科学家们从大量目击报告统计出了球状闪电的主要特征:与普通闪电紧密相关、维持球体超过1秒、在空气中悬浮并水平运动、可在密闭空间内形成、可穿过玻璃、产生刺激性气味和发出嘶嘶或嗡嗡声、安静或爆裂消失。
人们提出了许多假说试图解释球状闪电形成的原因，但大多不具有足够的说服力。雷击会诱发火灾和物质溅射，因此，早期科学家猜想球状闪电是一种燃烧火球，并以此为基础建立了它的化学模型。还有人认为球状闪电是土壤溅射形成的硅蒸气或者消融后的金属。但是，燃烧反应和硅蒸气并不一定呈现球状，消融的金属球也不能在空气中悬浮。另一个事实是，这些化学火球都不能轻易穿过玻璃。
后来，在研究放电的过程中，人们把放电产物定义为等离子体。作为物质第四态，等离子体由电子和离子组成，占到可见物质的90%以上。太阳就是一个不断发生核聚变的巨大等离子体。有些人认为球状闪电很可能就是一团等离子体。因为等离子体的行为很像流体，不太稳定。为了解释球状闪电的稳定性，人们必须假设等离子体团是旋转的。但是，这种等离子体也难以穿越玻璃。
为了解释球状闪电，人们还提出了其他更加离谱的解释，譬如暗物质、黑洞、磁单极、超导等。1987年，闪电物理权威乌曼说:“球状闪电毫无疑问是存在的，但是很不幸，大部分相关理论只能说是垃圾。”在实验方面，直到现在，还没有人能在实验室成功产生类似球状闪电的火球。
而就在近期，另一个试图解释球状闪电的理论被提出——基于等离子体微波空泡理论的球状闪电模型。
球状闪电的球体结构非常类似在强激光领域观测到的一个有趣现象：一束强激光在等离子体中传输时，一部分能量会被约束在等离子体中，自然演化成球状的空腔，空腔内部的电磁波是一个半周期的电磁驻波。这些激光等离子体空泡只有微米尺度量级。那么，对于波长为30厘米的微波来说，形成的空泡就跟球状闪电相仿。
在特定参数范围内，球状闪电的形成机理也变得非常简单：被微波辐射压排开的电子回流会很快包围微波，形成一个微波空泡，就像打个洞钻进去。离子动作很慢，等电子空腔形成后，才会在电子牵引下慢慢跟进。
在新的球状闪电理论模型下，我们可以成功解释许多球状闪电的典型特征：如与闪电紧密联系，闪电先导产生电子脉冲，电子脉冲打击地面产生单周期微波，单周期微波在空气等离子体中形成球状空腔；维持球状则是因为激光空泡就是一个完美的球状，相似体微波空泡没有理由不是球状；神奇的穿越玻璃的能力是因为微波辐射可以进入密闭空间或穿过玻璃；空气等离子体合成的臭氧和二氧化氮是刺激性气味的来源……
当然，这一理论还只是假说。但目前阶段，它能够最好地解释人们目击到的球状闪电的种种特点。（作者系浙江大学物理学系教授。中国气象报记者刘钊根据武慧春发表在《科学报告》的论文《球状闪电的相对论微波理论》整理。）
（来源：《中国气象报》2016年8月19日三版 责任编辑：张林）
现实球状闪电真的可以特定电击？就是那种精确到每一页的？
