科学家首次合成斯格米子 并模拟出“球形闪电”

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发布日期:2018年03月08日 所属分类:新知

科学家终于创造出了被称为Shankar斯格米子(Shankar skyrmion)的神秘粒子,距离它首次被理论提出已经过去了40多年。而且,科学家在这一过程中可能还模拟出了罕见的“球形闪电”现象——在量子尺度上。

据新浪科技编译外媒报道,这一发现不仅将帮助解释风暴中出现球形电流的神秘自然现象,而且还可能为核聚变反应堆中获得更加稳定的等离子体铺平道路。

科学家首次合成斯格米子 并模拟出“球形闪电”

科学家终于创造出了被称为Shankar斯格米子(Shankar skyrmion)的神秘粒子,距离它首次被理论提出已经过去了40多年。而且,科学家在这一过程中可能还模拟出了罕见的“球形闪电”现象。上为艺术想象图。

这项新研究由美国安默斯特学院和芬兰阿尔托大学的科学家合作完成。研究团队在极端低温的量子态气体中合成了一个三维的斯格米子。这个三维粒子由玻色-爱因斯坦凝聚体(玻色子原子在冷却到接近绝对零度时所呈现出的一种气态、超流性的物质状态)的自旋场构成的扭结(knots)组成。

研究人员称,这种奇特的拓扑结构可能与球形闪电有着某些共同特征。“从本质上,只利用两条反向循环的电流创造出合成电磁扭结,也就是量子球形闪电,这很不可思议,”研究负责人,阿尔托大学的Mikko?M?tt?nen说,“因此,天然的球形闪电有可能形成于普通的闪电之中。”

科学家首次合成斯格米子 并模拟出“球形闪电”

这个三维粒子由玻色-爱因斯坦凝聚体(玻色子原子在冷却到接近绝对零度时所呈现出的一种气态、超流性的物质状态)的自旋场构成的扭结(knots)组成。

为了生成斯格米子,研究人员对每个原子的自旋进行极化,使其沿着一个自然磁场向上偏转。接着,磁场突然改变,导致凝聚中途的磁场“消失”,然后原子的自旋开始以新的方向旋转。但是,当接近绝对零度,磁场指向所有方向时,原子的自旋就能创造出一种扭结结构,指向固定的方向。

研究人员称,尽管这种扭结结构可以松弛或移动,但无法被解开。“量子气体被冷却到极低的温度,形成了玻色-爱因斯坦凝聚,即气体中所有原子最终达到最小能量状态,”安默斯特学院的大卫·霍尔(David Hall)说,“处于这种状态的气体不再表现得和普通气体一样,而是更像一个巨大的原子。”

“这之所以是一个斯格米子而非量子扭结,原因不仅是自旋的扭转,还有凝聚量子态的反复缠绕,”霍尔补充道。研究人员还表示,原子自旋产生的扭结结构创造出了一个扭结的人工磁场,而这与球形闪电的特征相吻合。“我们需要更多的研究,才能确定能否用这样的方法创造出球形闪电,”M?tt?nen说,“未来的研究或许能找到使等离子体有效维持在一起的方法,并使稳定的核聚变反应堆成为可能。”

什么是球形闪电?

几个世纪以来,一直都有雷暴中出现球形闪电的记录,有的只有高尔夫球大小,有的直径宽达数米。球形闪电的持续时间在1秒到几十秒不等。许多报告称,这种闪电会伤害甚至致人死亡,或者引起建筑物火灾。

科学家首次合成斯格米子 并模拟出“球形闪电”

球形闪电中出现的诡异闪光终于得到了科学解释。

在英国《每日邮报》于1936年收到的一份信件中,一位读者描述他看到一个“巨大、红色的火球出现在天空中”。“它击中了我们的房屋,切断了电话线,烧毁了窗棂,然后掉入了放在下方的一大桶水中,”信中如是写道。

浙江大学的研究者提出,球状闪电的明亮闪光是由于微波被局限于等离子体空泡中产生的。

“在击向地面的闪电末端,会产生相对论性质的电子束,激起强烈的微波辐射,”研究者在发表于《科学报告》(Scientific Reports)期刊上的论文中写道,“后者会使局部空气电离,而辐射压力将生成的等离子体排空,形成一个稳定捕捉辐射的球形等离子体空泡。”

被捕获在空泡内部的微波会在一段时间内继续产生等离子体,并维持在球形闪电期间出现的明亮闪光。随着空泡内的辐射开始消散,这个火球会逐渐消失,而当微波泄漏时,球形闪电可能会剧烈爆炸。

weinxin
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