Квантовая шаровая молния впервые создана в лаборатории

Исследователи создали квантовую шаровую молнию с помощью квазичастицы скирмион, полученной из объединения в электромагнитный узел магнитных спинов атомов, охлажденных в конденсате Бозе-Эйнштейна.

Квазичастица скирмион - квантовая шаровая молния
credit: Heikka Valja

Сообщения о появлении шаровой молнии периодически появляются в интернете, но все же ученые очень мало знают об этом загадочном природном явлении. Теперь исследователи из Амхерстского колледжа и Университета Аалто прямо в лаборатории создали квантовую шаровую молнию с помощью квазичастицы, полученной из объединения магнитных спинов атомов, которая поможет разблокировать тайну возникновения шаровых молний в природе. Также с ее помощью ученые надеются построить более стабильный термоядерный реактор.

Что такое шаровая молния

Как известно, шаровая молния имеет форму шара, который ярко светится и плавно двигается в пространстве. Основное отличие от обычной молнии заключается в ее сферической форме, но шаровая молния и ведет себя по другому. Известно, что она нависает над землей, перемещается, зависает на одном месте и остается видимой более минуты. Как правило ее появление сопровождает обычные молнии, но неоднократно зафиксированы свидетельства людей, когда шаровая молния появлялась в ясную погоду, проплывая через дома и даже самолеты.

Вакуумная камера, в которой был создан скирмион или квантовая шаровая молния
Вакуумная камера, в которой был создан скирмион или квантовая шаровая молния, credit: Russell Anderson

К сожалению, существует мало задокументированных доказательств этого природного явления. Лучшим из них можно считать случай, произошедший в 2012 году, когда китайские ученые смогли снять шаровую молнию на видео, возникшую во время шторма, и впоследствии проанализировали ее оптический спектр. Основываясь на этом исследовании, они выдвинули гипотезу, согласной которой шаровая молния — это испарения кремния, которые образуются после удара обычной молнии в землю. Но китайцы признали, что такое объяснение не особо их устраивает, и что это явление может иметь несколько разных причин.

Конденсат Бозе-Эйнштейна и скирмион

Чтобы исследовать шаровую молнию поближе, команда ученых из Амхерстского колледжа и Университета Аалто приступила к воссозданию шаровой молнии в лаборатории. Исследователи начали с переохлажденного газа, известного как конденсат Бозе-Эйнштейна, который в прошлом помогал ученым создавать экзотические новые состояния вещества, такие как суперсолиды, экситоний, ридберговские поляроны и жидкости с отрицательной массой. В конденсате Бозе-Эйнштейна атомы настолько холодны, что теряют почти всю свою энергию и фактически действуют как один гигантский атом. В этом состоянии ученые применили к переохлажденным атомам сильное магнитное поле для изменения их спина, чтобы создать точку в центре конденсата, где магнитное поле обращается в нуль. Поскольку атомы вблизи центра могут иметь спины, указывающие в любом направлении, то все эти спины объединяются в своего рода электромагнитный узел.

Эта узловая структура образует квазичастицу, известную как скирмион (skyrmion). По мнению исследователей, это первый случай, когда он был экспериментально создан, а возможность его существования предсказали физики-теоретики в 1962 году. Хотя скирмион может быть ослаблен или перемещен, он никогда не может быть полностью развязан, что наделяет его стабильностью, сравнимой с поведением шаровой молнии. Микко Меттенен, один из авторов исследования, так это комментирует:

«Замечательно, что мы можем создать синтетический электромагнитный узел, своего рода квантовую шаровую молнию с двумя противоположными циркулирующими электрическими токами. Таким образом, теоретически возможно, что естественная шаровая молния образуется от удара обычной молнии».

Это интересно: Как выглядит радиация.

Исследователи обнаружили, что искусственное магнитное поле, созданное их квазичастицей скирмион, идеально соответствует магнитному полю, наблюдаемому в компьютерной модели шаровой молнии. Если эту технику удастся масштабировать, то ученые в своих лабораториях смогут создавать шаровые молнии любых размеров по своему усмотрению. Дальнейшие исследования могут привести к поиску решения для эффективного удержания плазмы и создания более стабильных термоядерных реакторов чем те, которые существуют сейчас.

Исследование было опубликовано в журнале Science Advances. Свечение квантовой шаровой молнии можно увидеть в видео ниже:

Гипотеза Торчигина

У этого причудливого феномена появилось поразительное объяснение, согласно которому светящаяся шаровая молния — это свет, пойманный в сферу из воздуха. Более десяти лет назад Владимир Торчигин из Российской академии наук выдвинул гипотезу, что это загадочное атмосферное явление вызвано рикошетированием фотонов внутри шара из воздуха. Идея Торчигина проста и умозрительна: из-за силы Абрахама-Лоренца (отдача на ускоряющейся заряженной частице, вызванная поглощением и испусканием электромагнитного излучения) свет от удара молнии стимулирует колебание частиц. Как правило эта сила достаточно слабая, поскольку она чрезвычайно мала для обычных интенсивностей света. Но молнию сложно назвать обычной световой вспышкой, поэтому из-за ее огромной мощности оптические силы значительно увеличиваются, создавая тонкий слой воздуха, напоминающий пленку мыльного пузыря, которая преломляет свет обратно внутрь шара. Этот слой воздуха словно линза может эффективно фокусировать свет, усиливая его для создания долгоживущего светящегося пузыря. Так и образуется шаровая молния согласно гипотезе В. Торчигина.

Исследование было опубликовано в Optik.

Что Вы об этом думаете?

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *