这幅法国插图展示了球状闪电通过窗户进入房间的现象，这种现象在历史上已被多次记录。 ©阿拉米库存照片
1195年6月7日，来自坎特伯雷的一位名叫热尔韦的英国本笃会修道士目睹了一场雷暴袭击了伦敦市。这显然超出了和尚的想象：
6月7日下午六点左右，伦敦上空出现了浓密的乌云。云层不断扩大，但四周阳光明媚。云层中间有一个开口，像我不知道它是从哪里冒出来的，它形成了一个球体，悬浮在泰晤士河和诺里奇主教的房子之间，然后它旋转着落入河中。并一次又一次地跌倒在主教的房子在墙下。”
大约 400 年后，1638 年 10 月 21 日，另一场大风暴袭击了德文郡的荒原小镇韦德科姆。当时，镇上不少居民正在参加教堂礼拜，突然发生了以下异常场景：
“……恐怖的巨响，轰鸣的雷霆，恐怖的奇异闪电……火焰闪电瞬间照亮了整个教堂，教堂里弥漫着浓浓的烟雾和硫磺般的气味。它们都是一个巨大的火球。”开始有人看到从窗户进来并穿过教堂，这吓坏了全体会众，大多数人跌倒在座位上……”
后来一位不知名艺术家创作的木刻再现了怀特科姆教堂的火球事件。 ©
目击者称，一个“巨大的火球”呼啸着穿过教堂，摧毁了石梁和木梁，并点燃了信徒的衣服。有一次，火球分成两半，一半砸碎了一扇窗户，另一半消失在教堂内的某个地方。这导致 4 人死亡、60 人受伤。火球只留下了挥之不去的烟雾和刺鼻的硫磺味。
这是关于球状闪电的两个最早的记录。球状闪电是最奇怪和最罕见的自然现象之一。它通常被描述为一个漂浮的光球或火球，在突然消失之前会自行移动。
鸟山十彦（ ）的《往昔图画》中的人的灵魂。 ©
尽管关于球状闪电的最早书面记录只能追溯到公元 12 世纪，但人类很可能自文明诞生以来就遇到过这种现象。例如，日本民间传说提到“人类灵魂”（人类灵魂），发光的球体被认为是死者的灵魂，在夜间跟随人们。
赫尔曼·亨德里克（ ）《鬼火与蛇》。 ©
类似的还有澳大利亚内陆地区的“敏敏”和欧洲民间传说中的“鬼火”——一种在沼泽和湿地中闪烁的淡蓝绿色光芒。然而，后两种现象有所不同。鬼火可能是由于汽车前灯和其他光源被冷空气层折射而引起的；鬼火是由于磷化氢、二磷化氢和甲烷等沼泽气体与空气接触而引起自燃。
鬼火可能看起来像这样。 © 肖恩·B.
除了其稀有性之外，导致球状闪电难以精确定位的另一个因素是它在不同目击事件中表现出的各种各样的特征。虽然球状闪电通常与雷暴有关，但在晴朗的日子里也可以看到它，有趣的是，经常在地震期间看到它。目击者描述这些球体的直径从几厘米到几米不等，颜色从浅蓝色到黄色、橙色、红色甚至粉红色，形状从球形到矩形、盘状或杆状以及多叶状。 。
在许多情况下，这些球体会完全无声地消失，而有时它们会发出很大的嗡嗡声或噼啪声，然后伴随着剧烈的轰鸣消失。尽管球状闪电通常发生在陆地上，但在海上也曾遇到过，正如英国水手约翰·豪威尔 (John ) 在 1726 年 12 月所描述的那样：
“8月29日，当我们横渡佛罗里达湾时，一个巨大的火球从天而降，将我们的桅杆劈成了令人难以置信的碎片；它还打破了我们的主梁和水下的三块木板和甲板上的三块木板。一名男子在事故中丧生。现场，另一个人的手被炸掉了，如果不是下大雨，我们的船帆早就被烧成一团火球了。”
二十多年后，即 1749 年，英国皇家海军蒙塔古号战列舰上的格雷戈里博士报告了以下事件：
1749 年 11 月 4 日，钱伯斯海军上将在蒙塔古号上，临近中午时，他观察到距离他们约三英里的地方有一个巨大的蓝色火球。他们立即放下了中帆，但是火球来的太快，还没等他们升起主帆，火球就几乎垂直上升了。 ，并在距主锚链约四十或五十码处爆炸。爆炸声就像数百门大炮同时发射，留下浓烈的硫磺味。爆炸将主桅杆炸成碎片，并击倒了五人。 ，其中一人受重伤。爆炸前，火球看上去有大磨石那么大。”
近年来，甚至在飞机上也能观测到球状闪电，著名的英国射电天文学家罗杰·克利夫顿·约翰逊 (RC) 于 1963 年 3 月 19 日报告了以下目击事件：
“我当时坐在一架全金属客机（东方航空EA539航班，这里指的是美国东方航空，1926年成立，1991年倒闭。编者注）这是一架从纽约飞往华盛顿的深夜航班，几秒钟后突然被明亮的放电所笼罩。直径略大于20厘米的发光球体从驾驶舱中出现，沿着飞机的过道飞行，距离我约50厘米，在可观察距离内保持相同的高度和方向。”
其他著名人物也曾意外遭遇过球状闪电，其中包括英国神秘学家阿莱斯特·克劳利（ ）和俄罗斯沙皇尼古拉二世，后者小时候曾到彼得霍夫拜访祖父亚历山大二世。石石目睹了这一现象：
“当我和爷爷在教堂里做礼拜的时候，突然下起了雷雨，闪电接二连三地闪过，雷声似乎震动了整个世界。突然，天空变暗了，一阵风从空旷的地方吹了进来。门吹灭了圣像前面的蜡烛，雷声隆隆，比之前还要响亮，我突然看到一个火球从窗户里飞了出来，直奔圣像的头顶旋转。然后飞过吊灯，飞出了门，进入了公园。我的心凉了，我看了一眼爷爷——他脸上的表情异常平静，我觉得人们不适合只看什么。事情正在发生，相信上帝的仁慈，就像我祖父所做的那样，当闪电球射穿整个教堂并突然飞出门外时，我再次看着祖父，他脸上露出了淡淡的微笑，他向我点了点头。从那一刻起我的恐慌就消失了。更害怕暴风雨。”
这些不同的记录清楚地说明了球状闪电的另一个令人费解的特性。有时这些光球似乎对周围环境没有任何影响，轻松穿过墙壁和其他固体物体，不留痕迹，而有时它们的破坏力却极大，打破窗户，引发火灾，甚至造成人员伤亡。更奇怪的是，它对导电物体的影响似乎比非导电物体大得多：在许多关于球状闪电的报道中，电表和金属管道等金属物体经常被暴力地从房屋上扯下来并扔到街上。
球状闪电通过壁炉进入房间，来自 G. ，《世界》，1886 年。© & Radar
然而，各报告普遍一致的一个细节是，这些球体通常会留下类似硫磺的气味。
尽管球状闪电很难研究，但它实际上并不像人们普遍想象的那么罕见。 1960 年，JR 麦克纳利 (JR ) 发表在美国物理学会等离子体物理学分部会刊上的一项研究中，分析了大约 10,000 份目击者报告，并得出结论：世界上多达 5% 的人口在其一生中的某个时刻见过球状闪电。这表明这种现象实际上很常见，但是，地球非常大，并不总是有人 - 更不用说训练有素且装备精良的科学家 - 可以亲眼目睹它。
一些研究人员非常幸运。例如，1965 年，苏联大气化学家米哈伊尔·德米特里耶夫 ( ) 在俄罗斯西北部阿尔汉格尔斯克附近进行探险时，一道闪电击中了他营地附近的地面。一道直径约16厘米的火球从闪电中升起。它在离地面不远的地方盘旋了一会儿，然后就飞到了营地的上空，一路噼啪作响。然后它飞进附近的树林里消失了，留下一道深蓝色的烟雾和刺鼻的气味。德米特里耶夫迅速使用一组真空袋对烟雾进行采样。后来发现，这些样本中的臭氧和二氧化氮含量比正常情况高出50至100倍。这些气体通常是由高压放电产生的。
2022年10月，空客机长路易斯·安德烈斯（Luis）在从迈阿密飞往丹佛的航班上捕捉到了令人惊叹的“圣埃尔莫之火”。 ©路易斯/SWNS
事实上，球状闪电经常与更常见的“圣埃尔莫之火”混淆。 “圣埃尔莫之火”是一种蓝色电晕放电，经常出现在船桅或飞机机翼上。然而，它们几乎肯定是不同的现象，因为圣埃尔莫火需要尖锐的点或边缘来克服周围空气的击穿电位，而球状闪电是完全独立且稳定的。
拿着火球的特斯拉，沃里克·戈布尔 ( Goble) 摄，1899 年。©
由于在自然环境中观察球状闪电极其困难，因此大多数研究都集中在尝试在实验室中复制这种现象。最先取得成功的人之一是大家最喜爱的塞尔维亚“疯狂”科学家尼古拉·特斯拉 ( Tesla)，他在 1904 年 3 月 5 日出版的《世界与工程师》杂志上宣称：
“我从未见过火球，但为了弥补这一点，我后来成功地确定了它们的形成模式并人工创造了它们。”
当时的报纸报道还称，特斯拉经常制作直径几厘米的闪电球来取悦他的客户。然而，对于特斯拉来说，这种现象是他对无线能量传输研究的意外副产品，他在这个主题上写的很少。我们必须指出，当时大多数媒体对特斯拉的报道都高度夸大，因此这些说法应该谨慎对待。尽管如此，特斯拉诱人的实验仍然为后来的球状闪电研究人员提供了灵感。
下一个认真研究球状闪电的重要人物是英国物理学家詹姆斯·L·塔克。
塔克是一名炸药专家，二战期间曾是曼哈顿计划英国代表团的成员。战后，塔克留在洛斯阿拉莫斯国家实验室，深入参与早期核聚变研究。在此期间，塔克听说许多二战时期的潜艇艇员在关闭连接潜艇电池和电动机的开关时无意中产生了球状闪电。这些火球在甲板上空盘旋了一段时间，有时甚至烧伤了他们的腿。这些故事激起了塔克的兴趣，他认为解开球状闪电之谜可能有助于解决另一个更重要的科学难题。
詹姆斯·塔克的球体。 © 照片
当时，大多数核聚变研究都是基于“压缩”原理——利用磁场约束和压缩等离子体，引发原子聚变并释放能量。与后来的甜甜圈形托卡马克反应堆不同，早期的实验并没有试图长时间限制等离子体，而是尽可能快地引发聚变，并在等离子体消散之前收集能量。不幸的是，所有最早的实验性聚变反应（例如莱曼·斯皮策的仿星器 [ ] 和詹姆斯·塔克的演说器 [ ]）都受到等离子体内部不稳定的影响。性爱一次又一次以失败告终。
莱曼·斯皮策的仿星器。 ©
当时，人们普遍认为球状闪电也是等离子体的一种——一种由高温电离气体组成的超高温物质。但与仿星器和造山机不同的是，球状闪电中的等离子体能够在几分钟内保持完全封闭和稳定。塔克认为，弄清楚原因可能是解决核聚变问题的关键。幸运的是，他很快在洛斯阿拉莫斯的储藏室里发现了一套完整的潜艇电力系统。
塔克说服一群同事将该设备安装在一个废弃的测试掩体中，在接下来的两年半里，他们对电池进行了数千次充电和放电，并将结果记录在胶片上。大多数实验只产生一阵普通的火花，但在回顾一次测试的影片时，塔克发现了一个发光的白色球体，直径约 4 厘米，在其中的四帧中沿着地面快速移动。不幸的是，实验掩体随后被拆除，塔克无法继续他的实验。 1973年他从洛斯阿拉莫斯退役，并于1980年去世，享年70岁。
塔克与许多人分享了他的球状闪电照片，其中包括马萨诸塞州布罗克顿的独立实验家罗伯特·K·戈尔卡( K. Golka)。作为尼古拉·特斯拉的追随者，戈尔卡想要实现特斯拉的梦想，即在全球范围内无线传输电力，并将核聚变能源发展成为未来清洁、无限的能源。
戈尔卡和他的特斯拉线圈。 ©
1974年，戈尔卡搬到了犹他州向风，并定居在向风空军基地附近一个60万平方英尺的废弃机库中。在这里，他利用军队剩余零件和当地垃圾场的废料组装了世界上最大的特斯拉线圈。接下来的几年里，他多次启动巨型线圈，产生了数米长的两千万伏雷电。但只有在极少数情况下，这种令人印象深刻的灯光秀才能产生类似球状闪电的东西。
1980年，戈尔卡的实验戛然而止。美国空军曾以每年1美元的象征性价格将机库租给他，后来又将机库转让给迎风镇，后者随后将租金提高了2400%。这引发了戈尔卡和迎风镇之间长期而激烈的法律纠纷，该镇的居民和政府认为戈尔卡只不过是一个不劳而获的疯子。
最终，戈尔卡离开向风号并返回马萨诸塞州，在那里他决定复制詹姆斯·塔克的潜艇电池实验。但到了那个时候，二战时期的潜艇电池已经很难获得了。戈尔卡联系了波士顿和缅因铁路公司的总裁，说服他提供两台机车、几节货车和一英里半的轨道。 Gorka 在 1985 年 3 月号的《无线电电子学》中写道：
为了进行实验，我将一个海底断路器插入机车下方 1,600 马力柴油发电机和 2,000 马力电动机之间的高压电路。通过打开断路器（使用长扫帚），可以产生球状闪电。
打开断路器的效果是惊人的。机车驾驶室内的温度将立即从 60°F 升至 110°F。正如你可以想象的那样，人们迫切地想下车呼吸新鲜空气。当然我不能这样做，因为火车仍在行驶（大约每小时 20 英里），结果可能是火车偏离轨道并破坏实验装置……这可能是有史以来第一次进行等离子实验在行驶的火车上进行物理实验！
真是个疯狂的家伙。
根据这些实验，戈尔卡得出了一些关于球状闪电背后物理原理的有趣结论：
“在重复了无数次实验后，我终于确信火球效应是由于消除了湍流而产生的。事实上，我发现当我关闭驾驶室门窗时最有可能出现这种效应……我现在认为它更像是一种旋转的粒子流，而不是高压静电效应；也就是说，更像是一个中间有一个小孔的巨大的旋转圆环，而不是静电球体。航空航天工程，特别是流体工程动力学，尚未完全理解的是漩涡的物理原理，人们可以在其中吹出另一个烟圈，这些烟圈可以来回移动，并且这些烟圈可以形成球体和其他形状。”
戈尔卡继续试验球状闪电、无线能量传输、聚变和其他项目，尽其所能筹集资金和设备，直到 2018 年去世，享年 80 岁。这里需要注意的是，作为一名独立的研究人员和作为“边缘科学”界的一员，戈尔卡的方法和结论应该受到一定程度的怀疑。
© & 雷达
事实上，几十年来，只有像戈尔卡这样的边缘科学家才对球状闪电进行了研究，这意味着这个学科不幸地陷入了伪科学之中。例如，一份广为流传的报道称，詹姆斯·塔克的一次潜艇电池实验以爆炸告终，彻底摧毁了测试掩体——这次爆炸与实验中使用的微量甲烷气体远远不成比例。阴谋论者还普遍声称，塔克的研究以及球状闪电研究已被美国军方积极压制，以保护其对定向等离子体武器的研究。值得庆幸的是，球状闪电近年来吸引了更多主流科学家的关注，他们越来越接近最终揭开这种难以捉摸的自然现象的神秘面纱。
1955年，苏联科学家彼得·卡皮察（Pyotr）首先提出了球状闪电形成的全面理论解释——“微波孤子理论”（Maser-）。简单来说，卡皮察认为，在一定条件下，闪电可以将周围大量空气变成巨型微波激射器（MASER）。该微波激射器产生的强大微波脉冲导致周围空气电介质击穿，形成等离子体球。理论上，这种微波效应在雷击后可能会持续一段时间，产生的微波脉冲会继续滋养并维持等离子体球的存在。
彼得·卡皮察 (1894-1984)。 ©
卡皮察的理论巧妙地解释了球状闪电的许多令人费解的特性。例如，球状闪电几乎总是发生在开阔的乡村，而不会出现在山顶、高层建筑或其他通常会吸引闪电的高层建筑附近。这是因为这些物体集中了电场，导致闪电以较低的电位放电并影响较小体积的周围空气，从而防止了微波激射效应的发展。
此外，在封闭的导电结构（例如飞机机身和潜艇船体）内形成的球状闪电往往能量较低且相对无害，而在更开放的区域内形成的球状闪电往往更具破坏性。这也可以用激射孤子理论来解释：该理论预测，在这样的封闭环境中，激射器的最大能量只有10焦耳，而在更开放的环境中则为100到1000焦耳。
©莱格
最后，脉塞孤子理论解释了球状闪电在其生命周期结束时爆炸的趋势，以及它对导电物体的强烈影响。根据卡皮察的说法，当等离子体球耗尽能量并开始衰变时，驱动微波激射效应的光子会突然释放出来，并通过一种称为“光子雪崩”的现象迅速倍增，从而产生大量的热量和强能量。磁场撕裂由导电和非导电材料组成的复合物体。
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令人难以置信的是，球形闪电可以在普通微波炉中轻松重现。只需将燃烧的蜡烛、火柴或其他碳源放入微波炉中，然后打开电源即可。几秒钟之内，白色等离子体的发光球将从火焰中喷出，并围绕微波炉顶部移动，这取决于微波炉磁控管提供的浓度。微波能量可以持续几秒钟。 （小编提醒：非专业人士请勿模仿！）
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2009 年，以色列物理学家 Eli Jerby 和 使用 600 瓦商用微波炉以更可控的方式重现了这种效应。磁控管被改造成直径2毫米的“微波钻”，能够投射集中的微波束。研究小组将该设备瞄准了多种材料，包括玻璃、纯硅、铜、碳、水和各种盐，观察到其中许多材料在加热到极高温度时会喷发成发光的水母状等离子体团。这些等离子体在金属容器内漂浮并弹跳约 10 毫秒。进一步研究发现，这些等离子体球由直径约50纳米的微小蒸发颗粒组成。
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这些发现似乎支持了英国化学工程教授 John 于 2000 年首次提出的理论，绰号为“土块假说”[1]。该理论认为，球状闪电是由普通闪电击中含硅土壤引发的。闪电的强烈热量使土壤中的硅蒸发并喷射到空气中。如果存在碳（例如来自有机物），它将优先与空气中的氧气反应，留下纯硅蒸气球。氧气立即与硅重新结合并迅速将其氧化，产生放热反应，形成白热的等离子体球，燃烧数秒。这一理论得到了巴西伯南布哥联邦大学的 Pavão 和 Paiva 于 2007 年进行的实验的支持，他们用强电弧加热纯硅晶片，产生持续数秒的等离子体球。
然而，一些实验表明其他元素也可能在球状闪电的形成中发挥作用。 2006年，由柏林普朗克研究所的等离子体物理学家格尔德·福斯曼领导的研究小组在水容器底部引发了高压放电，产生了一个发光的球，他们称之为“等离子体球”。这些球从水中升起，可持续约 300 毫秒，几乎是此类等离子体预期寿命的 100 倍。此外，这些等离子球相对较冷，甚至不会烧掉路径上的一张纸。这个结果很有趣，因为球状闪电经常发生在水体附近。事实上，米哈伊尔·德米特里耶夫 ( ) 1965 年的遭遇就发生在奥涅加河畔。
如果球状闪电确实是等离子体，那么是什么将它束缚在球体内？毕竟，在等离子体物理实验（例如核聚变反应堆）中，必须使用外部产生的磁场来控制等离子体。答案可能在于一种独特的物理实体，称为磁斯格明子，它是多个磁涡流的集合，形成稳定、独立且自我增强的波包或孤子。理论上，这种磁涡流的组合可以使等离子体自行被捕获几分钟，而不需要外部电源。尽管首次提出理论是在 20 世纪 70 年代，并在 20 世纪 90 年代提出作为球状闪电的解释，但直到 2018 年，来自阿默斯特学院和阿尔托大学的物理学家团队才在实验室中使用玻色-艾因。斯坦因凝结是一种当原子冷却到接近零时形成的奇异物质，成功地产生了斯格明子。虽然仍需要大量研究来确认斯格明子是否确实是球状闪电长寿命的关键，但这一发现为球状闪电研究指明了前进的方向，并提出了罗伯特戈尔卡的理论，即球状闪电可能是一个稳定的磁涡流。轩的猜测非常接近事实。
尽管当前大多数球状闪电模型都是基于等离子体，但也存在一些更奇特的理论。例如，俄罗斯科学院的弗拉基米尔·托尔奇金（ ）假设，球状闪电实际上是由大量被困在一个薄气泡（如肥皂泡）中的光子组成的，该气泡将被困的光折射到自身上，阻止其逃逸。与此同时，乌克兰研究人员奥列格·梅奇利亚科夫（Oleg）提出了纳米电池假说，认为球状闪电内部的纳米颗粒类似于化学电池，产生持续电流放电，能够长时间维持球体的状态。至于球状闪电具有穿透固体物体（甚至导电金属板）的神秘能力，一些理论认为球体会产生并挤出微小的孔，或者等离子体会产生中微子爆发——中微子是臭名昭著的惰性粒子，几乎可以穿透任何材料。
然而，关于球状闪电本质的最先进理论也许来自奥地利因斯布鲁克离子与应用物理研究所的 J. Peer 和 A. ，他们在 2010 年提出了一个大胆的假设：球状闪电实际上并不存在。他们推测，雷暴期间经常看到的光球实际上是由附近闪电产生的电磁脉冲引起的视错觉。为了支持这一假设，皮尔和肯德尔指出了经颅磁刺激（TMS）技术。 TMS广泛应用于神经学研究和包括抑郁症和癫痫症在内的多种疾病的实验治疗，利用高浓度磁场无创地刺激大脑的不同区域。根据受到刺激的大脑区域，TMS 可以诱发各种幻觉，包括移动的光点或被称为磁性磷光的“光球”。皮尔和肯德尔证明，在100米的距离内，闪电可以产生足够强的电磁场，像TMS一样刺激大脑的视觉皮层，这意味着“球状闪电”实际上可能是由磁场引发的错觉。
虽然这个理论很有趣，但它并没有解释球状闪电的物理效应，例如烟雾、硫磺气味，以及在某些情况下留下的广泛破坏。因此，这个假说只能解释一小部分球状闪电的目击事件。所有这些理论仍然纯粹是猜测。
西北师范大学研究小组观测到的球状闪电。 ©inge
幸运的是，2012年，中国兰州西北师范大学的一个团队做到了这一点。研究小组在中国西北部的青海高原架设了光谱仪来记录常见的雷击现象。在7月下旬的雷暴期间，距离仪器约900米的雷击产生了球状闪电，使团队能够捕捉到这种罕见现象的高速图像和光谱数据。光谱分析显示，当地土壤中富含高浓度的硅、铁和钙元素。这些发现为所谓的“泥块假说”提供了强有力的证据，该假说指出，球状闪电由土壤纳米粒子组成，这些纳米粒子在雷击后蒸发和电离[2]。
尽管如此，还需要进行大量研究。到目前为止，球状闪电的神秘现象一直顽固地保守着它的许多秘密。如果这些秘密有一天最终被破解，不仅将结束这个千年的科学谜团，还可能揭示实现清洁、可持续核聚变能源的关键。到那时，物理学家将真正感到如释重负。
参考：
[1]
[2]/prl//10.1103/.112。
来源：利维坦，作者，译者天妇罗，校对 兔子的地狱边境
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