Квантова кульова блискавка вперше створена в лабораторії

Дослідники створили квантову кульову блискавку за допомогою квазічастинки скірміон, отриманої з об’єднання в електромагнітний вузол магнітних спінів атомів, охолоджених в конденсаті Бозе-Ейнштейна.

Квазічастинка скірміон - квантова кульова блискавка
credit: Heikka Valja

Повідомлення про появу кульової блискавки періодично з’являються в інтернеті, але все ж вчені дуже мало знають про це загадкове природне явище. Тепер дослідники з Амхерстського коледжу та Університету Аалто прямо в лабораторії створили квантову кульову блискавку за допомогою квазічастинки, отриманої з об’єднання магнітних спінів атомів, яка допоможе розблокувати таємницю виникнення кульових блискавок в природі. Також з її допомогою вчені сподіваються побудувати більш стабільний термоядерний реактор.

Що таке кульова блискавка

Як відомо, кульова блискавка має форму кулі, яка яскраво світиться і плавно рухається у просторі. Основна відмінність від звичайної блискавки полягає в її сферичній формі, але кульова блискавка і веде себе по іншому. Відомо, що вона нависає над землею, переміщається, зависає на одному місці і залишається видимою більше хвилини. Зазвичай її поява супроводжує звичайні блискавки, але неодноразово зафіксовані свідчення людей, коли кульова блискавка з’являлася в ясну погоду, пропливаючи через будинки і навіть літаки.

Вакуумна камера, в якій був створений скірміон або квантова кульова блискавка
Вакуумна камера, в якій був створений скірміон або квантова кульова блискавка, credit: Russell Anderson

На жаль, існує мало задокументованих доказів цього природного явища. Кращим з них можна вважати випадок, що стався у 2012 році, коли китайські вчені змогли зняти кульову блискавку на відео, що виникла під час шторму, і згодом проаналізували її оптичний спектр. Ґрунтуючись на цьому дослідженні, вони висунули гіпотезу, згідно з якою кульова блискавка – це випари кремнію, які утворюється після удару звичайної блискавки в землю. Але китайці визнали, що таке пояснення не дуже їх влаштовує, і що це явище може мати кілька різних причин.

Конденсат Бозе-Ейнштейна та скірміон

Щоб дослідити кульову блискавку ближче, команда вчених з Амхерстського коледжу та Університету Аалто приступила до відтворення кульової блискавки в лабораторії. Дослідники почали з переохолодженого газу, відомого як конденсат Бозе-Ейнштейна, який в минулому допомагав вченим створювати екзотичні нові стани речовини, такі як суперсоліди, екситони, ридберговські полярони та рідини з негативною масою. У конденсаті Бозе-Ейнштейна атоми настільки холодні, що втрачають майже всю свою енергію і фактично діють як один гігантський атом. У цьому стані вчені застосували до переохолоджених атомів сильне магнітне поле для зміни їх спіна, щоб створити точку в центрі конденсату, де магнітне поле стало б нульовим. Оскільки атоми поблизу центру можуть мати спіни, що вказують в будь-якому напрямку, то всі ці спини об’єднуються в своєрідний електромагнітний вузол.

Ця вузлова структура утворює квазічастинку, відому як скірміон (skyrmion). На думку дослідників, це перший випадок, коли він був експериментально створений, а можливість його існування передбачили фізики-теоретики в 1962 році. Хоча скірміон може бути ослаблений або переміщений, він ніколи не може бути повністю розв’язаний, що наділяє його стабільністю, яку можна порівняти з поведінкою кульової блискавки. Мікко Меттені, один з авторів дослідження, так це коментує:

«Чудово, що ми можемо створити синтетичний електромагнітний вузол, свого роду квантову кульову блискавку з двома протилежними циркулюючими електричними струмами. Таким чином, теоретично можливо, що природна кульова блискавка утворюється від удару звичайної блискавки».

Це цікаво: Як виглядає радіація.

Дослідники виявили, що штучне магнітне поле, створене їх квазічастинкою скірміон, ідеально відповідає магнітному полю, що спостерігається в комп’ютерній моделі кульової блискавки. Якщо цю техніку вдасться масштабувати, то вчені в своїх лабораторіях зможуть створювати кульові блискавки будь-яких розмірів на свій розсуд. Подальші дослідження можуть привести до пошуку рішення для ефективного утримання плазми і створення більш стабільних термоядерних реакторів ніж ті, які існують зараз.

Дослідження було опубліковане в журналі Science Advances. Світіння квантової кульової блискавки можна побачити в відео нижче:

Гіпотеза Торчігіна

У цього химерного феномена з’явилося вражаюче пояснення, згідно з яким кульова блискавка – це світло, спіймане в сферу з повітря. Понад десять років тому Володимир Торчігін з Російської академії наук висунув гіпотезу, що це загадкове атмосферне явище викликане рикошетуванням фотонів всередині кулі з повітря. Ідея Торчігіна проста та умоглядна: через сили Абрахама-Лоренца (віддача на прискореній зарядженій частинці, що викликана поглинанням і випусканням електромагнітного випромінювання) світло від удару блискавки стимулює коливання частинок. Як правило ця сила досить слабка, оскільки вона надзвичайно мала для звичайних інтенсивностей світла. Але блискавку складно назвати звичайним спалахом світла, тому через її величезну потужність оптичні сили значно збільшуються, створюючи тонкий шар повітря, що нагадує плівку мильної бульбашки, яка переломлює світло назад всередину кулі. Цей шар повітря немов лінза може ефективно фокусувати світло, посилюючи його для створення кулі зі світла, яка здатна існувати тривалий час. Так і утворюється кульова блискавка відповідно до гіпотези В. Торчігіна.

Дослідження було опубліковане в Optik.

Що Ви про це думаєте?

Напишіть відгук

Ваша пошт@ не публікуватиметься. Обов’язкові поля позначені *