Naučnici konačno u laboratoriji stvorili minijaturnu kuglastu munju

Kada pomislite na munju, obično vam na pamet padne onaj klasičan, siloviti bljesak koji u djeliću sekunde raspara nebo i nestane prije nego što stignete trepnuti. Međutim, vijekovima unazad svjedoci širom svijeta izvještavaju o daleko neobičnijoj i sablasnijoj pojavi – misterioznim kuglama munje koje lebde iznad tla prije nego što jednostavno nestanu poput balona od sapunice.

Ovaj rijetki i nestalni fenomen dugo je bio gotovo nemoguće proučavati u prirodi. Izveštaji očevidaca često su se drastično razlikovali u pogledu veličine, boje, pa čak i ponašanja, što je kuglastu munju učinilo jednom od najzagonetnijih misterija u atmosferici. No, fizičar Chuliang Zhou i njegove kolege sa Kineske akademije nauka zapitali su se: ako već ne možemo uhvatiti kuglastu munju na otvorenom polju, možemo li otkriti njene tajne tako što ćemo je ponovo stvoriti u laboratoriji?

Prvo kontrolisano stvaranje plazmatskog solitona

U studiji objavljenoj u uglednom časopisu Nature Photonics, istraživači su predstavili prvi uspješan eksperiment stvaranja makroskopskog, dugovječnog solitona pod uticajem relativističkih terahertznih elektromagnetnih polja. Ovaj rad postavlja temelje za laboratorijsko proučavanje fizike optičkih solitona, naprednih mehanizama skladištenja energije, ali i konačno rješavanje vjekovne naučne enigme zvane kuglasta munja.

Ali šta je zapravo soliton? U fizici, soliton je samoodrživi talas koji uspijeva da zadrži svoj oblik i strukturni integritet zahvaljujući delikatnoj ravnoteži fizičkih sila. Oni se mogu formirati u plazmi, vodi, svjetlosti, pa čak i u nekim biološkim membranama – svuda gdje suprotstavljeni fizički uslovi mogu uspostaviti stabilnu ravnotežu.

Tretman volframom i stvaranje svjetleće kugle

Da bi stvorili ovakvu vrstu solitona, naučnici su upotrijebili izuzetno oštru iglu napravljenu od volframa. Vrh ove igle bio je širok svega 100 nanometara, što je fascinantno kada se uporedi sa ljudskom dlakom čija je debljina između 80.000 i 100.000 nanometara. Kada su istraživači usmjerili ultrabrzi laserski puls na iglu, stvorili su moćan elektromagnetni talas koji se kretao duž nje.

U trenutku kada je talas stigao do vrha igle, njegova energija se koncentrisala u izuzetno intenzivno električno polje. To polje je uspjelo da otkine elektrone iz atoma u oblaku gasa argona koji se nalazio u blizini, čime je stvorena superzagrijana plazmatska kugla – minijaturni vatromet svjetlosti.

Ova krhka, svjetleća sfera počela je kao sićušna tačka prečnika oko 80 mikrometara, da bi se tokom narednih 100 nanosekundi proširila na nekoliko stotina mikrometara. Iako nam ovo zvuči kao tren oka, u svijetu fizike to je znatno duže od samog elektromagnetnog impulsa iz kojeg je nastala. Umjesto da se odmah rasprši poput običnog oblaka vruće plazme, kugla je uspjela da očuva svoju strukturu dok se širila.

Korak bliže razumijevanju atmosferskih misterija

Poređenjem svojih zapažanja sa teoretskim modelima i kompjuterskim simulacijama, istraživači su utvrdili da se ovo širenje savršeno uklapa u predviđanja za elektromagnetne solitone. To sugeriše da je elektromagnetna energija ostala zarobljena unutar plazme, pomažući da se svijetleća kugla održi čak i dok je rasla.

Iako je sićušna tačka svjetlosti u laboratoriji daleko od divljih olujnih uslova u prirodi, matematički modeli su pokazali da bi elektromagnetni solitoni pokrenuti mikrovalovima umjesto terahertznog zračenja mogli teorijski da narastu do nekoliko metara u prečniku i potraju nekoliko sekundi. Upravo to savršeno odgovara mnogim historijskim izvještajima očevidaca.

Osim rješavanja meteoroloških misterija, sposobnost zarobljavanja elektromagnetne energije u stabilnu, lokalizovanu strukturu mogla bi otvoriti potpuno nove puteve u tehnologijama za skladištenje energije i proučavanju interakcije svjetlosti i materije u ekstremnim uslovima.

Izvor: ScienceAlert (Nauka & Svemir)