Ein winziger Lichtball aus Plasma bringt die Physik einem rätselhaften Gewitterphänomen näher. In einem Laserexperiment entstand eine kugelförmige Struktur, die rund 100 Nanosekunden lang bestand und dabei elektromagnetische Energie einschloss. Die Erscheinung besitzt Eigenschaften, die an Berichte über Kugelblitze erinnern. Ob natürliche Kugelblitze auf dieselbe Weise entstehen, bleibt jedoch offen.
Eine glühende Kugel, die während eines Gewitters durch die Luft schwebt, gehört zu den ungewöhnlichsten Beschreibungen elektrischer Naturerscheinungen. Solche Kugelblitze werden seit Jahrhunderten gemeldet, doch sie treten selten und unvorhersehbar auf. Dadurch ist es schwierig, ihre Entstehung mit Messinstrumenten zu verfolgen. Ein Experiment der Chinesischen Akademie der Wissenschaften liefert nun ein physikalisches Modell für eine bestimmte Art langlebiger leuchtender Plasmakugeln.
Das Team um Chuliang Zhou erzeugte mit einem extrem kurzen Laserpuls eine intensive elektromagnetische Anregung an einer feinen Wolframspitze. In einem Argongasstrom bildete sich eine leuchtende, kugelähnliche Struktur. Die Wissenschaftler beschreiben sie in ihrer Originalarbeit in Nature Photonics als relativistisches Terahertz-Soliton. Der entscheidende Befund ist nicht bloß das Leuchten des Gases, sondern die ungewöhnlich lange Speicherung elektromagnetischer Energie in einer räumlich begrenzten Struktur.
Ein Femtosekundenlaser liefert einen Lichtimpuls, dessen Dauer nur wenige Billiardstel Sekunden beträgt. Trifft er auf die Wolframspitze, regt er elektromagnetische Wellen entlang der Metalloberfläche an. An der Spitze konzentriert sich die Feldenergie besonders stark. Dort ionisiert das Feld das vorbeiströmende Argongas, indem es Elektronen von Atomen trennt. Das entstehende Plasma enthält frei bewegliche Elektronen und positiv geladene Ionen und kann dadurch intensiv leuchten.
Die anfängliche Struktur ist winzig. In den zeitaufgelösten Aufnahmen entwickelte sich die leuchtende Zone über eine Zeitspanne von rund 100 Nanosekunden zu einer Ausdehnung von einigen Hundert Mikrometern. Die Originalarbeit beschreibt charakteristische Größen bis ungefähr 400 Mikrometer. Das ist weniger als ein halber Millimeter. Die Kugel ist also ein reales experimentelles Phänomen, aber kein frei durch einen Raum schwebender Feuerball in der Größe eines Fußballs.
Eine Nanosekunde ist eine milliardstel Sekunde. Hundert Nanosekunden entsprechen lediglich 0,0000001 Sekunden. Für das menschliche Auge wäre eine solche Erscheinung ohne spezielle Aufnahmetechnik viel zu kurzlebig. Im Vergleich zu dem extrem kurzen elektromagnetischen Anregungsimpuls ist die beobachtete Lebensdauer jedoch bemerkenswert lang. Die Plasmaerscheinung überdauert ihren unmittelbaren Auslöser um viele Größenordnungen.
Die zeitaufgelösten Messungen zeigen außerdem, dass die leuchtende Struktur während ihrer Expansion Energie zurückhält. Genau dieser Punkt unterscheidet das Experiment von einem gewöhnlichen Funken, der rasch zerfällt, sobald die Energiezufuhr endet. Die Autoren vergleichen das Verhalten mit einem Soliton, also einer lokalisierten Wellenstruktur, deren Eigenschaften durch ein Zusammenspiel nichtlinearer Effekte erhalten bleiben können.
Die elektromagnetischen Felder im Experiment liegen im Terahertzbereich. Damit sind Frequenzen von Billionen Schwingungen pro Sekunde gemeint, zwischen Mikrowellen und Infrarotstrahlung. Bei sehr hohen Feldstärken können Elektronen auf Geschwindigkeiten beschleunigt werden, bei denen relativistische Effekte für die Beschreibung wichtig werden. In diesem Regime können sich elektromagnetische Felder und Plasma gegenseitig so beeinflussen, dass eine begrenzte, vergleichsweise stabile Struktur entsteht.
Ein Kugelblitz wird dagegen meist als deutlich größere, über längere Zeit sichtbare Erscheinung beschrieben. Augenzeugenberichte nennen verschiedene Farben, Bewegungen und Lebensdauern. Die Laborstruktur ähnelt solchen Berichten in ihrer kugelförmigen Gestalt, der Lichtemission und dem ungewöhnlichen Energieeinschluss. Die Forschenden leiten daraus einen möglichen Mechanismus ab, keinen Nachweis dafür, dass sämtliche natürlichen Kugelblitze aus relativistischen Terahertz-Solitonen bestehen.
Ein gewöhnlicher Blitz entsteht durch elektrische Entladungen in der Atmosphäre. Wie komplex die zugrunde liegenden elektrischen Prozesse sind, zeigt auch der Beitrag über die elektrische Feldstärke in Gewitterwolken. Im Labor werden dagegen eine Laserquelle, eine Metallspitze und ein kontrollierter Gasstrom verwendet. Die Versuchsanordnung schafft Bedingungen, die eine bestimmte physikalische Eigenschaft des vermuteten Naturphänomens isoliert untersuchbar machen.
Gerade die kontrollierte Erzeugung ist ein Vorteil. Wissenschaftler können den zeitlichen Verlauf mit schnellen Kameras, die räumliche Ausdehnung mit optischen Messverfahren und das ausgesandte Licht mit Spektroskopie untersuchen. Spektrallinien geben Hinweise auf die beteiligten Atome und Ionen. Die Aufnahmen dokumentieren, wie die Plasmakugel wächst und ihre Helligkeit mit der Zeit verändert. Solche Messreihen sind bei zufälligen Kugelblitzsichtungen kaum möglich.
Die Größen- und Zeitunterschiede zwischen Labor und Natur sind erheblich. Die Autoren diskutieren zwar Skalierungsbeziehungen, nach denen ähnliche Prozesse unter natürlichen Bedingungen größere und langlebigere Strukturen ermöglichen könnten. Das ist aber eine physikalische Interpretation und keine Beobachtung eines sekundenlang schwebenden Kugelblitzes. Insbesondere ist ungeklärt, ob die in Gewittern vorhandenen Felder und Gase die nötigen Bedingungen zuverlässig erzeugen.
Daneben existieren weitere Erklärungsansätze. Manche Modelle betonen chemische Reaktionen nach Blitzeinschlägen, andere elektrische Felder, Mikrowellen oder Prozesse an verdampftem Bodenmaterial. Das neue Experiment widerlegt diese Ansätze nicht. Es liefert einen zusätzlichen, messbaren Mechanismus, mit dem sich bestimmte Eigenschaften leuchtender Kugeln erklären lassen könnten. Die Unterscheidung zwischen einem nachgebildeten Einzelmerkmal und dem vollständigen Naturphänomen ist für die Bewertung entscheidend.
Die kontrollierte Erzeugung eines relativistischen Solitons im Terahertzbereich erweitert die Möglichkeiten, die Wechselwirkung extrem starker Felder mit Plasma zu untersuchen. Das betrifft Grundlagenfragen der nichtlinearen Optik und der Energieeinschließung. Solche Strukturen können helfen, Modelle zu prüfen, die bislang überwiegend theoretisch oder numerisch behandelt wurden. Eine unmittelbar nutzbare Technologie zur Energiespeicherung folgt aus dem Versuch allerdings noch nicht.
Die physikalische Bedeutung liegt vor allem in der Messbarkeit. Statt auf seltene Augenzeugenberichte angewiesen zu sein, können Forscher die Bedingungen einer leuchtenden Plasmastruktur wiederholt verändern und ihre Entwicklung auf sehr kurzen Zeitskalen verfolgen. Damit wird ein Teil des Kugelblitzrätsels experimentell zugänglich, auch wenn die vollständige Erklärung der Erscheinungen am Gewitterhimmel weiterhin aussteht.
Zhou, C. et al., Nature Photonics, Ball-lightning-like relativistic terahertz solitons; doi:10.1038/s41566-026-01899-y
Bulanov, S., Nature Photonics, Is ball lightning a relativistic soliton?; doi:10.1038/s41566-026-01914-2
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