كرة البرق المصغرة التي تم إنشاؤها في المختبر يمكن أن تساعد في حل لغز عمره قرون من الزمن

عندما تتخيل البرق، فإنه يميل إلى أن يكون واضحًا إلى حد ما – شعاع متعرج من الضوء يقسم السماء، ويختفي في وقت أقل مما يستغرقه يومض.

ولكن ل قرون، ظهرت صورة غريبة لشكل أكثر غرابة.

الآلاف من السجلات وروايات شهود العيان وقد قال من كرات البرق تحوم فوق الأرض قبل أن تختفي في فرقعة مثل فقاعات الصابون.

من المستحيل دراسة هذه الظاهرة العابرة، وتختلف التقارير بشكل كبير في أوصاف حجمها، ولون لونها، وحتى سلوكها، مما يجعلها واحدة من أكثر الألغاز غرابة في علوم الغلاف الجوي.

ولكن إذا لم تتمكن من التقاط كرة البرق في أحد الحقول، فقد رأى الفيزيائي تشوليانغ تشو وزملاؤه في الأكاديمية الصينية للعلوم أنه ربما يمكننا تعلم المزيد من خلال إعادة إنتاج شيء مثل ذلك في المختبر.

وكتب الباحثون في ورقة بحثية نشرت في دورية “هنا نسجل أول جيل متحكم فيه من سوليتون مجهري طويل العمر مدفوع بمجالات كهرومغناطيسية تيراهيرتز نسبية”. الضوئيات الطبيعة.

“ينشئ هذا العمل منصة يمكن الوصول إليها في المختبر لدراسة فيزياء السليتون الضوئية، وآليات تخزين الطاقة المتقدمة، واللغز العلمي طويل الأمد المتمثل في البرق الكروي.”

إن السوليتون هو في الأساس موجة واحدة قائمة بذاتها تحافظ على شكلها وسلامتها الهيكلية من خلال توازن دقيق للقوى الفيزيائية.

يمكن أن تتشكل في البلازما، أو الماء، أو الضوء، وربما حتى بعض الأغشية البيولوجية – بشكل أساسي أي وسط يمكن أن تتوازن فيه التأثيرات الفيزيائية المتنافسة للحفاظ على موجة مستقرة.

تشير بعض النظريات إلى أن البرق الكروي هو نوع من السليتون الكهرومغناطيسي، الذي يحبس الطاقة في غلاف من البلازما.

لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم صنع هذا النوع من السوليتون، لجأ الباحثون إلى قطعة مدببة جدًا من التنغستن.

حسنًا، كان الأمر أكثر تعقيدًا من ذلك بقليل، لكن إبرة التنغستن، ذات الطرف الذي يبلغ عرضه 100 نانومتر فقط، كانت مفيدة. شعر الإنسان، للسياق، يقيس بين 80.000 و 100.000 نانومتر عير.

أطلق الباحثون نبضة ليزر فائقة القصر على الإبرة، مما أدى إلى توليد موجة كهرومغناطيسية قوية تنتقل على طولها.

عندما وصلت الموجة إلى قمتها، أصبحت طاقتها مركزة في مجال كهربائي مكثف بشكل غير عادي، مما أدى إلى تجريد الإلكترونات من الذرات في سحابة منتظرة من غاز الأرجون، مما أدى إلى خلق فقاعة شديدة السخونة من الأرجون المتأين – البلازما.

تومض إلى الوجود ككرة صغيرة من الضوء.

بدأت الكرة المضيئة والهشة على شكل وخز دبوس يبلغ عرضه حوالي 80 ميكرومترًا، ثم توسعت إلى وخز دبوس أكبر بعدة مئات من الميكرومترات خلال الـ 100 نانو ثانية التالية.

قد لا يبدو هذا وقتًا طويلاً، لكنه أطول بكثير من النبضة الكهرومغناطيسية التي ولدت منها. وبدلاً من أن تتبدد ببساطة مثل سحابة عادية من البلازما الساخنة، حافظت الكرة على بنيتها أثناء توسعها.

تتبع الباحثون هذا التوسع وقاموا بتحليل الأطوال الموجية للضوء المنبعث من الكرة أثناء تبريدها، ومقارنة ملاحظاتهم مع النماذج النظرية وعمليات المحاكاة الحاسوبية.

ووجد الباحثون أن هذا التوسع يتوافق مع التوقعات النظرية للسليتون الكهرومغناطيسي.

ويشير هذا إلى أن الطاقة الكهرومغناطيسية ظلت محاصرة داخل البلازما، مما ساعد على الحفاظ على الجرم السماوي المتوهج حتى مع توسعه.

وعلى النقيض من ذلك، أنتجت عمليات محاكاة التمدد الحراري في البلازما العادية عملية أسرع وأكثر انتشارًا.

لكن نقطة صغيرة من الضوء في تجربة معملية يتم التحكم فيها بعناية تكون بعيدة كل البعد عن الظروف الجوية البرية التي يتم فيها الإبلاغ عادةً عن البرق الكروي.

لذلك، استخدم الباحثون نماذجهم النظرية لمعرفة كيف يمكن لهذه الظاهرة أن تتصرف على نطاقات أكبر، مدفوعة بالإشعاع الكهرومغناطيسي منخفض التردد.

أشارت حساباتهم إلى أن السوليتونات الكهرومغناطيسية المدفوعة بواسطة الموجات الميكروية، بدلًا من إشعاع تيراهيرتز، يمكن أن تنمو نظريًا إلى أمتار وعرضها وتستمر لمدة ثوانٍ.

هذا أقرب بكثير إلى بعض تقارير شهود العيان حول كيفية تصرف كرات البرق الغامضة.

إنه ليس تفسيرًا نهائيًا للبرق الكروي، لكن حل ألغاز الأرصاد الجوية ليس التطبيق الوحيد المحتمل لهذه الكرات النارية الصغيرة.

إن القدرة على حبس الطاقة الكهرومغناطيسية في بنية محلية مستقرة يمكن أن تفتح أيضًا آفاقًا جديدة لتقنيات تخزين الطاقة ودراسة كيفية تفاعل الضوء مع المادة في ظل الظروف القاسية.

“إن نهجنا المختبري الخاضع للتحكم في التوصيف الزماني المكاني في ظل ظروف قابلة للضبط يوفر مسارًا منهجيًا لفك لغز تشكيل البرق الكروي منذ قرن من الزمان.” يكتب الباحثون.

“من خلال توحيد الضوئيات الميدانية المتطرفة، وعلوم البلازما، وجيوفيزياء الغلاف الجوي، تعيد النتائج التي توصلنا إليها تعريف المنصات التي تعتمد على تيراهيرتز كمحركات اكتشاف لكل من التقنيات التطبيقية والظواهر الطبيعية التي لم يتم حلها بعد.”

وقد تم نشر البحث في الضوئيات الطبيعة.

تم التحقق من صحة هذه المقالة بواسطة ريبيكا داير وتم تحريره بواسطة ريبيكا داير. وبينما نفخر بعمليتنا، فإننا بشر فقط. إذا اكتشفت خطأً، يرجى اعلامنا.