这幅法国插画展示了球状闪电通过窗户进入房间的现象，这种现象在历史上曾多次被记录下来。© Alamy Stock Photo1195年6月7日，一位来自坎特伯雷、名叫格维斯（Gervase）的英国本笃会修士，目睹了一场雷暴降临伦敦城。这显然超出了这位修士的想象： “6月7日，大约下午六点左右，伦敦上空出现了浓密黑暗的云团，云团不断扩大，而四周却阳光明媚。在这云团中间，有一个像磨坊的开口，我不知道从哪里冒出了一股白色的物质。那股物质形成了一个球形，悬浮在泰晤士河和诺维奇主教住所之间。随后，一个火球落入河中；它旋转着，一次又一次地降落到主教家的墙下。”
大约400年后，1638年10月21日，另一场大风暴降临德文郡的荒原小镇怀德康比（Widecombe）。当时，许多镇上的居民正在参加教堂礼拜，突然发生了以下异常场景：“……一声令人恐惧的巨响传来，雷声轰鸣，还有可怕的奇怪闪电……火焰般的闪电瞬间照亮了整个教堂，教堂里充满了浓烟和类似硫磺的气味。他们一开始看到一个巨大的火球从窗户进来，穿过教堂，这把全体会众吓坏了，他们中的大多数人都跌倒在座位上……”
后世佚名艺术家创作的木刻版画，再现了怀德康比教堂里的火球事件。© wikipedia
据目击者称，“巨大的火球”在教堂内乱窜，摧毁了石头和木梁，并点燃了信众的衣服。火球一度裂成两半，一半砸碎了一扇窗户，另一半消失在教堂内某处。这导致4人死亡，另有60人受伤，火球只留下了挥之不去的浓烟和刺鼻的硫磺味。这是关于球状闪电最早的两次记录。球状闪电是最诡异、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，自行四处移动，随后突然消失。
鸟山石燕（Toriyama Sekien）《今昔画图续百鬼》中的人魂。© wikipedia虽然关于球状闪电的首次书面记录仅可追溯到公元12世纪，但人类很可能自文明诞生之初就遇到了这种现象。例如，日本民间传说中提到了“人魂”（Hitodama），这是一种发光的球状物，人们相信这是逝者的灵魂，它们在夜间跟着人们。
赫尔曼·亨德里克（Hermann Hendrich）《鬼火与蛇》。© wikipedia类似的还包括澳大利亚内陆的“明冥火灵”（Min Min Lights）和欧洲民间传说中的“鬼火”——一种在沼泽和湿地上闪烁的淡蓝绿色光。不过，后两种现象是不同的，明冥火灵可能是由汽车前灯和其他光源被冷空气层折射引起的；鬼火则是由沼泽气体如磷化氢、二磷烷和甲烷与空气接触后自燃引起的。
鬼火看起来可能是这样的。© Sean B. Palmer
除了罕见之外，球状闪电难以确定的另一个因素是，它在不同目击事件中表现出各种各样的特征。虽然球状闪电通常与雷暴有关，但在晴天也能看到，而且——有趣的是——在地震期间也经常看到。目击者描述说，这些球体的直径在几厘米到几米之间，颜色从淡蓝到黄色、橙色、红色甚至粉红色，形状从球形到长方形、盘状或棒状，还有多叶形。在许多情况下，这些球体完全无声无息地消失，而有时候，它们会发出很大的嗡嗡声或噼里啪啦的声音，然后伴随着剧烈的轰隆声消失。虽然球状闪电通常发生在陆地上，但在海上也曾遇到过，正如英国船员约翰·豪威尔（John Howell）在1726年12月所描述的那样：“当我们在8月29日穿过佛罗里达湾时，一个巨大的火球从天而降，把我们的桅杆劈成了碎片，简直令人难以置信；还劈断了我们的主梁，以及水下的三块船板和甲板上的三块木板。一个人当场死亡，另一个人的手被炸飞，如果不是因为暴雨，我们的船帆早就被烧成一团火焰了。”
二十多年后，1749年，皇家海军战列舰“蒙塔古号”（HMS Montague）上的格雷戈里博士（Dr. Gregory）报告了以下事件：“1749年11月4日，海军上将钱伯斯在蒙塔古号上，正午前不久，他观察到距离他们大约三英里处有一个巨大的蓝色火球。他们立刻降低了顶帆，但火球来的速度太快，他们还没来得及升起主帆，火球几乎垂直升起，并在离主锚链条大约四五十码的位置爆炸了，爆炸的声音仿佛上百门大炮同时发射，留下了强烈的硫磺味。爆炸将主桅杆炸成了碎片。五个人被击倒，其中一人伤势严重。在爆炸前，火球看起来像是个大磨盘一样大。”
近年来，球状闪电甚至在飞机上被目击到，著名的英国射电天文学家罗杰·克里夫顿·杰尼逊（R.C. Jennison）在1963年3月19日报告了以下目击事件：“我坐在一架全金属客机（东方航空EA539航班，这里指美国东方航空，成立于1926年，至1991年倒闭，其一直是美国国内主要的航空公司。编者注）客舱前部附近，这是一架从纽约飞往华盛顿的深夜航班。飞机遭遇雷暴，突然被明亮的放电所笼罩。几秒钟后，一个直径略大于20厘米的发光球体从驾驶舱中出现，沿着飞机过道飞过，距离我约50厘米，在整个可观察到的距离内保持相同的高度和方向。”
其他一些著名人物也偶然遇到过球状闪电，包括英国神秘学家阿莱斯特·克劳利（Aleister Crowley）和俄国沙皇尼古拉二世，尼古拉二世小时候在彼得霍夫拜访祖父亚历山大二世时目睹了这一现象：“我和祖父在小教堂礼拜期间，雷雨交加，一道道闪电接连闪过，雷声仿佛撼动了整个世界。突然间，天色昏暗，从敞开的门吹进来一阵风，吹灭了圣像前的蜡烛，雷声隆隆，比之前更响，我突然看到一个火球从窗户飞过来，直冲圣像的头顶。那球（闪电）在地上旋转了一圈，然后越过吊灯，飞出门外，进入公园。我的心都凉了，我看了一眼祖父——他的脸上异常平静。我觉得像我这样害怕是不合时宜的。人们只需看看正在发生的事情，并相信上帝的仁慈，就像我祖父那样。当闪电球穿过整个教堂，突然从门里飞出去时，我再次看着我的祖父。他脸上露出一丝淡淡的微笑，向我点了点头。我的恐慌消失了，从那时起，我不再害怕暴风雨了。”
这些不同的记录清楚地展示了球状闪电另一种令人困惑的特性。有时，这些光球似乎对周围环境毫无影响，可以轻松穿过墙壁和其他固体而不留痕迹，有时它们却极具破坏性，打碎窗户、引发火灾，甚至造成人员伤亡。更奇怪的是，它似乎对导电物体的影响远大于非导电物体：在许多关于球状闪电的报告中，金属物体如电表和金属管经常被猛烈地从房屋上扯下并被抛到街上。
球状闪电通过壁炉进入房间，摘自G·哈特韦格（G. Hartwig）《空中世界》（The Aerial World），1886年。© Weather & Radar
不过，在众多报道中大致一致的细节是，这些光球通常会留下类似硫磺的气味。尽管球状闪电研究起来非常困难，但实际上它并不像人们普遍认为的那样罕见。在1960年发表于《美国物理学会等离子体物理分会论文集》（Division of Plasma Physics of the American Physical Society）的一项研究中，J·R·麦克纳利（JR McNally）分析了大约10000份目击者报告，并得出结论，世界上多达5%的人口在一生中的某个时刻见过球状闪电。这表明，这种现象实际上相当普遍，不过，地球非常大，并不总是有人——更不用说训练有素、装备精良的科学家——可以亲眼目睹它。有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（Mikhail Dmitriev）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。闪电中冒出一个直径约16厘米的火球，它在离地面不远的地方盘旋了一会儿，然后飞过营地，一路噼里啪啦地响。随后它飞进附近的树林消失不见，留下一缕深蓝色烟雾和一股刺鼻的气味。德米特里耶夫迅速使用一组真空气袋对烟雾进行采样。后来发现，这些样本中的臭氧和二氧化氮含量比正常值高出50到100倍。这些气体通常由高压放电产生。
2022年10月，空客机长路易斯·安德烈斯（Luis Andress）在迈阿密飞往丹佛的航班上拍下了令人惊叹的“圣艾尔摩之火”。© Luis Andress/SWNS
事实上，球状闪电常常与另一种更常见的“圣艾尔摩之火”（St. Elmo’s Fire）相混淆。“圣艾尔摩之火”是一种蓝色的电晕放电，经常出现在船的桅杆或飞机机翼上。不过，它们几乎肯定是不同的现象，因为圣艾尔摩之火需要一个尖锐的点或边缘来克服周围空气的击穿电位，而球状闪电则完全是分离和稳定的。
手拿火球的特斯拉，沃里克·戈布尔（Warwick Goble）绘，1899年。© wikimedia
由于在自然环境中观察球状闪电极其困难，大多数研究都集中尝试在实验室中复制这一现象。首先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（Nikola Tesla），他在1904年3月5日的《电气世界与工程师》（Electrical World and Engineer）杂志上宣称：“我从未见过火球，但为了弥补这种遗憾，我后来成功地确定了其形成模式并人工制造了它们。”
当时的报纸报道还称，为了取悦客户，特斯拉经常制作直径几厘米的闪电球。不过，对特斯拉来说，这种现象只是他研究无线能量传输的意外副产品，他对此话题的论述很少。我们不得不指出，当时媒体关于特斯拉的报道大部分都被高度夸张了，因此这些说法应该谨慎对待。尽管如此，特斯拉的诱人实验仍然为后世的球状闪电研究者们提供了灵感。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（James L. Tuck）。作为爆炸物专家，塔克是二战期间曼哈顿计划中英国代表团的一员。战后，塔克留在洛斯阿拉莫斯国家实验室，深入参与早期的核聚变研究。在此期间，塔克听许多二战潜艇人员说，当他们关闭连接潜艇电池与电动机的开关时，无意间产生了球状闪电。这些火球在甲板上方盘旋了好一会儿，有时还会烧伤他们的腿。这些故事引起了塔克的兴趣，他认为解决球状闪电的神秘面纱可能有助于破解另一个更重要的科学难题。
詹姆斯·塔克的或然器。© science photo
当时，大多数核聚变研究都基于“压缩”原理——利用磁场来限制和压缩等离子体，诱发原子聚变并释放能量。不像后来像甜甜圈形的托卡马克（Tokamak）反应堆那样，早期的实验没有试图长时间约束等离子体，而是尽快引发核聚变，并在等离子体消散之前收集能量。不幸的是，所有最早的实验性核聚变反应（如莱曼·斯皮策[Lyman Spitzer]的仿星器[Stellarator]，以及詹姆斯·塔克的或然器[Perhapsatron]）都因等离子体内部的不稳定性而以一次次失败告终。
莱曼·斯皮策的仿星器。© Princeton Plasma Physics Laboratory
当时，人们普遍认为球状闪电也是一种等离子体——一种由高温电离气体组成的超高温物质。但与仿星器和或然器不同，球状闪电中的等离子体不知何故能够连续几分钟保持完全封闭和稳定。塔克认为，找出其中的原因可能就是解决核聚变问题的关键。幸运的是，他很快就在洛斯阿拉莫斯的储藏室里发现了一套完整的潜艇电气系统。塔克说服了一群同事，在一个废弃的测试掩体中安装了这套设备，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。大多数实验只产生了一阵普通的火花，但在复查某次测试的胶片时，塔克在其中四帧中发现了一个发光的白色球体，直径约4厘米，快速地沿着地面上方移动。不幸的是，实验掩体随后被拆除，塔克无法继续他的实验。他于1973年从洛斯阿拉莫斯退休，1980年去世，享年70岁。塔克与众多人分享了他的球状闪电照片，其中一位是来自马萨诸塞州布罗克顿（Brockton）的独立实验者罗伯特·K·戈尔卡（Robert K. Golka）。作为尼古拉·特斯拉的追随者，戈尔卡一心想实现特斯拉的梦想，即通过无线方式向世界各地传输电力，并将核聚变能发展为未来清洁、无限的能源。
戈尔卡和他的特斯拉线圈。© rdmenzies
1974年，戈尔卡搬到犹他州温德沃（Wendover），在温德沃空军基地附近一个60万平方英尺的废弃机库里安顿下来。在这里，他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。在接下来的几年里，他多次启动这个巨大的线圈，产生了长达数米的2000万伏闪电。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。美国空军曾以象征性每年1美元的价格将机库租给他，后来将机库转让给温德沃镇，温德沃镇随即将租金提高了2400%。这引发了戈尔卡和温德沃镇之间漫长而激烈的法律纠纷，温德沃镇的居民和政府认为戈尔卡不过是个不劳而获的疯子。最后，戈尔卡离开了温德沃，回到了马萨诸塞州，他决定复制詹姆斯·塔克的潜艇电池实验。但那个时候，二战潜艇电池已经相当难以获得了。于是，戈尔卡联系了波士顿和缅因铁路公司的总裁，成功说服他提供两台机车、几节货车车厢和一英里半的铁轨。戈尔卡在1985年3月的《无线电电子》杂志中写道：为了进行实验，我将一个潜艇断路器接入了机车下方1600马力柴油发电机和2000马力电机之间的高压电路中。通过打开断路器（使用长扫帚柄），就能够产生球状闪电。
打开断路器的效果非常惊人。机车驾驶室的温度会立即从60°F升至110°F。您可以想象，人们迫切地想离开车厢呼吸新鲜空气。当然，我不能这样做，因为火车仍在行驶（时速约20英里），而结果可能是火车冲出轨道并摧毁实验装置……这可能是有史以来在行驶的火车上进行的第一次等离子体物理实验！
基于这些实验，戈尔卡对球状闪电背后的物理现象得出了一些有趣的结论：“在无数次重复实验后，我终于确信火球效应是由于湍流的消除。事实上，我发现当我关闭驾驶室的门窗时，最有可能出现这种效果……我现在认为这更像是一个粒子旋转流，而不是高压静电效应；也就是说，更像一个巨大的等离子体旋涡甜甜圈，中间有一个小洞，而不是一个静电球体。现在，航空工程领域中有许多现象，尤其是流体动力学方面，还没有被完全理解。其中一个就是旋涡的物理特性。人们可以在烟环内吹出另一个烟环，且内环可以来回移动。你还可以吹出静止不动的烟环。在液体中，环可以形成球体和其他形状。”
戈尔卡继续对球状闪电、无线能量传输、聚变和其他项目进行实验——尽其所能地凑齐资金和设备——直到2018年去世，享年80岁。这里需要注意的是，作为一名无隶属的独立研究人员和“边缘科学”社区的成员，戈尔卡的方法和结论应该受到一定的怀疑。
© Weather & Radar
事实上，几十年来，只有像戈尔卡这样的边缘科学家在研究球状闪电，这意味着这个主题不幸地卷入了伪科学。例如，一个广为流传的说法声称，詹姆斯·塔克的一次潜艇电池实验以爆炸告终，爆炸彻底摧毁了测试掩体——与实验中使用的微量甲烷气体相比，爆炸程度远远不成比例。阴谋论者还普遍声称，塔克的研究——以及球状闪电研究——一直受到美国军方的积极压制，以保护其对定向等离子武器的研究。值得庆幸的是，近年来球状闪电吸引了更多主流科学家的关注，他们越来越接近最终解开这一难以捉摸的自然现象的谜团。1955年，苏联科学家彼得·卡皮察（Pyotr Kapitsa）首次提出了球状闪电形成的一个全面理论解释——“微波-孤子理论”（Maser-Soliton Theory）。简单来说，卡皮察认为，在某些条件下，闪电可以将周围的大量空气变成一个巨大的微波激射器（MASER）。这种微波激射器产生的强大微波脉冲会导致周围空气的介电击穿，形成一个等离子球。理论上，这种微波效应在雷击后可能还会持续一段时间，产生的微波脉冲会不断滋养并维持等离子球的存在。
彼得·卡皮察（1894-1984）。© Military Review
卡皮察的理论巧妙地解释了球状闪电的许多令人困惑的特性。例如，球状闪电几乎总是出现在开阔的乡村，而从未出现在山顶、高层建筑或其他通常会吸引闪电的高大结构附近。这是因为此类物体会集中电场，使闪电在较低的电位下放电，并影响较小的周围空气体积，从而阻止了微波激射器效应的形成。此外，在封闭的导电结构内形成的球状闪电（如飞机机身和潜艇船壳）往往能量较低且相对无害，而在更开放的区域形成的球状闪电则倾向于更具破坏性。对此，激射-孤子理论也做出了解释：该理论预测在此类封闭环境中激射器的最大能量仅为10焦耳，而在更开放的环境中则为100到1000焦耳。
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最后，激射-孤子理论解释了球状闪电在其生命周期结束时爆炸的倾向，以及它对导电物体的强烈影响。根据卡皮查的观点，当等离子体球耗尽能量并开始衰变时，驱动激射效应的光子会突然释放，并通过一种称为“光子雪崩”（photon avalanche）的现象迅速倍增，这会产生大量的热量和强大的磁场，从而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，球状闪电可以在普通的微波炉中轻松再现。只需将燃烧的蜡烛、火柴或其他碳源放入微波炉并打开电源，数秒内会有发光的白色等离子体球从火焰中喷涌而出，在微波炉顶部游走，依靠微波炉磁控管提供的集中的微波能量可持续数秒。（小编提醒：非专业人士请勿模仿！）
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2009年，以色列物理学家伊利·耶尔比（Eli Jerby）和弗拉基米尔·迪赫季亚尔（Vladimir Dikhtyar）以更受控的方式再现了这一效果，他们将一台600瓦商用微波炉的磁控管改造成了一种直径2毫米的“微波钻头”，能够投射集中的微波束。该团队将此设备瞄准各种材料，包括玻璃、纯硅、铜、碳、水和各种盐，观察到其中许多材料被加热到极高温度后爆发出发光的、类似水母的等离子体团，这些等离子体在金属容器内漂浮并反弹，持续约10毫秒。进一步的研究发现，这些等离子体球是由直径约50纳米的微小蒸发颗粒组成的。
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这些发现，似乎支持了英国化学工程教授约翰·亚伯拉罕森（John Abrahamson）在2000年首次提出的一个理论，被戏称为“泥块假说”（dirt clod hypothesis）[1]。该理论认为，球状闪电是由普通闪电击中含有硅元素的土壤引发的。闪电的高温会将土壤中的硅蒸发并喷射到空气中。如果有碳存在（例如来自有机物），它会优先与空气中的氧反应，留下一个纯硅蒸汽球。随即，氧气重新与硅结合并迅速氧化，产生的放热反应形成一个白热化的等离子体球，燃烧持续数秒。该理论得到了巴西佩尔南布科联邦大学的安东尼奥·帕瓦奥（Antonio Pavão）和杰尔森·派瓦（Gerson Paiva）在2007年进行的实验的支持，他们用强电弧加热纯硅晶片，产生了持续数秒的等离子体球。不过，一些实验表明，其他元素也可能在球状闪电的形成中起作用。2006年，柏林普朗克研究所等离子物理学家格尔德·富斯曼（Gerd Fussman）领导的团队在一个水容器底部引发高压电放电，产生了他们称之为“等离子体球”的发光球，这些球从水中升起，并持续约300毫秒——几乎是此类等离子体预期寿命的100倍。此外，这些等离子体球相对低温，甚至没有灼烧它们路径上的一张纸。这一结果很有趣，因为球状闪电经常出现在水体附近；实际上，前文米哈伊尔·德米特里耶夫在1965年的偶遇就发生在奥涅加河的河岸上。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，在等离子物理学实验中（例如核聚变反应堆），必须使用外部产生的磁场来控制等离子体。答案可能在于一种被称为磁斯格明子（Magnetic skyrmion）的独特物理实体上，斯格明子是一种多重磁涡旋的集合体，形成一个稳定、自包含且自我增强的波包或孤子。这种磁涡旋的组合体，理论上可以使等离子体在不需要外部电源的情况下自行束缚数分钟。尽管在1970年代首次被理论化，并在1990年代作为球状闪电的解释提出，但直到2018年，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用玻色–爱因斯坦凝聚（当原子被冷却到接近绝对零度时形成的一种奇异物质）成功地创建了一个斯格明子。尽管确认斯格明子是否真的是球状闪电长寿命的关键仍需进行大量研究，这一发现为球状闪电的研究指明了前进的方向，并表明罗伯特·戈尔卡对球状闪电可能是稳定磁涡旋的推测非常接近事实。尽管大多数当前的球状闪电模型基于等离子体，但也存在一些更为奇特的理论。例如，俄罗斯科学院的弗拉基米尔·托尔奇金（Vladimir Torchigin）假设，球状闪电实际上是由大量光子组成，这些光子被困在一个薄气泡中——就像肥皂泡一样——这个气泡会将被困住的光折射到自身上，防止其逃逸。与此同时，乌克兰研究员奥列格·梅什奇里亚科夫（Oleg Meshchyreyakov）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，产生连续的电流放电，能够长时间维持球体。而对于球状闪电能够穿透固体物体的神秘能力——甚至是导电的金属板，有理论认为这些球体会产生并挤压出微小的孔洞，或等离子体产生一阵中微子——中微子是臭名昭著的惰性粒子，几乎可以穿透任何物质。然而，也许关于球状闪电性质最超前的理论来自奥地利因斯布鲁克离子与应用物理研究所的J·皮尔（J. Peer）和A·肯达尔（A. Kendle），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。两人假设在雷雨中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光学幻觉。为了支持这一假设，皮尔和肯达尔指出了经颅磁刺激（TMS）的技术。TMS广泛用于神经学研究和包括抑郁症和癫痫在内的多种疾病的实验性治疗，通过高浓度的磁场非侵入性地刺激大脑的不同区域。根据大脑被刺激的区域，TMS能够引发各种幻觉，包括被称为磁磷光的移动光点或“光球”。皮尔和肯达尔证明在距离100米以内，闪电可以产生足够强大的电磁场来像TMS一样刺激大脑的视觉皮层，这意味着“球状闪电”可能实际上是一种由磁场引发的幻觉。尽管这一理论引人入胜，但它无法解释球状闪电的物理效应，如烟雾、硫磺气味，以及在某些情况下留下的大面积破坏。因此，该假说只能解释一小部分球状闪电的目击事件。所有这些理论都仍然是纯粹的推测。
西北师范大学研究团队观测到的球状闪电。© 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。该团队在中国西北青海高原上架设了光谱仪，以记录常见的闪电。在7月底的一场雷雨中，距离仪器约900米的一次闪电产生了球状闪电，使团队得以捕 获这一难得现象的高速影像和光谱数据。光谱分析显示出高浓度的硅、铁和钙——这些元素在当地土壤中丰富。这些发现为所谓的“泥块假说”提供了有力证据，认为球状闪电由闪电击中后被蒸发和电离的土壤纳米颗粒组成[2]。尽管如此，仍需许多研究工作需要进行。目前为止，球状闪电这一神秘现象仍然顽强地保守着它的许多秘密。如果这些秘密终有一天被破解，不仅会终结这个千年未解的科学谜团，还可能揭示出实现清洁、可持续核聚变能的关键。到那时，物理学家们将真正感到如释重负。
参考文献：
[1]www.nature.com/articles/35000525[2]journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.035001
来源：利维坦，作者Gilles Messier，译者天妇罗
编辑：余荫铠
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