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量子版球形閃電

2024-02-08科學

球形閃電已經被持續報道了幾個世紀,但我們對它仍然知之甚少。就像普通閃電,球形閃電也能發出短暫而明亮的光芒。所不同的是,它是球形的。

球形閃電的行為也異乎尋常。據說,它們會在地面上空盤旋,四處移動,在某些情況下可達一分鐘以上。球形閃電通常伴隨著普通閃電而出現,但偶爾也會毫無任何征兆地出現在建築物室內。據稱,球形閃電所過之處沒有發出任何熱量或氣味。

不幸的是,以上都是傳聞,沒有任何目擊者拍下影像或視訊。唯一的例外是2012年,中國科學家在一場風暴中拍攝到了球形閃電的視訊,並隨後分析了其光譜。他們的結論是,球形閃電很可能是當普通閃電擊中地面時,土壤中的矽因高溫氣化,在氧氣中燃燒發出的明亮火焰。

但這個解釋無法涵蓋所有的球形閃電,尤其是那些據稱出現在室內的球形閃電。人們迄今已經提出很多猜想,甚至包括微型黑洞和反物質隕石,但沒有一個解釋令人完全滿意。

2018年,英國的勞勃·卡麥隆提出一個新解釋。他認為球形閃電可能是由一種電磁場扭結引起的,它可以強大到足以使周圍的空氣游離。但這種電磁扭結只是理論上的預言,現實中尚未觀察到。

為了驗證這一假說,最近美國科學家利用玻色-愛因史坦凝聚體在實驗室裏成功制造出量子版的球形閃電。

在玻色-愛因史坦凝聚體中,原子們被冷卻到極低的溫度,以至於它們步調一致地集體行動,表現得就像單個的巨大原子。在這種狀態下,科學家用磁場來改變原子雜亂無章的自旋,使它們的自旋都朝上(在物理學上,自旋朝向一般不用逆時針或順時針來定義,而是這樣定義的:拿出你的右手,四指沿著原子旋轉的方向彎曲,大拇指的朝向就是自旋的朝向)。在凝聚體的中心,由於一個原子的「頭」正好對著另一個原子的「尾」,磁場相消,制造出一個磁場為零的點。

在微觀的量子世界,有這樣一條奇怪的規則:當粒子處於無磁場的地方,自旋可以朝向隨便哪個方向;但當它處於磁場中時,其自旋只能取兩個方向:要麽順著磁場,要麽逆著磁場。現在,由於靠近凝聚體中心的地方磁場幾乎為零,所以這裏的原子自旋就不受這個限制,可以指向任何方向。科學家經過細心的操作,讓這些由原子自旋產生的磁場纏繞在一起,像毛線團一樣,這形成了穩定的磁場扭結。當他們在扭結中註入電流,其看起來就像一個微型的球形閃電。

既然量子版的球形閃電是可能的,那麽我們對於理解大自然中球形閃電的形成之謎也許就不會太遙遠了。