物理学家已成功模拟一种奇特的量子现象：看似从真空中产生的光——这个概念此前仅存在于理论中。研究人员利用尖端模拟技术，构建了强激光与所谓量子真空相互作用的模型，揭示出光子不仅能够相互散射，甚至可生成新的光束。这些突破性进展恰逢新型超强激光装置即将在现实中检验这些颠覆认知的效应，可能为发现新物理现象乃至暗物质粒子开启大门。
- 研究结果已发表于《通讯-物理学》期刊。
牛津大学领衔的研究团队与里斯本大学高等理工学院合作，通过先进的计算建模，首次实现了对强激光束如何改变"量子真空"的实时三维模拟。量子真空曾被假定为空无一物，但量子物理学预测其中充满虚拟电子-正电子对。
令人振奋的是，这些模拟重现了量子物理学预测的奇异现象——真空四波混频。该理论指出，三束聚焦激光脉冲的叠加电磁场可使真空中的虚拟电子-正电子对发生极化，导致光子像台球般相互碰撞，在"黑暗产生光"的过程中激发出第四束激光。这些现象可作为极高强度下新物理的探测手段。
研究合著者、牛津大学物理系彼得·诺里斯教授表示："这不仅具有学术价值，更是向实验证实量子效应迈出的关键一步——此前这些效应大多停留于理论层面。"
此项研究恰逢新一代超强激光装置陆续启用。英国的"火神20-20"、欧洲"极端光基础设施"(ELI)项目、中国的极端光学装置（SEL）与上海高重频X射线自由电子激光装置（SHINE）等设施，均有望提供足以在实验室首次验证光子-光子散射的功率水平。光子-光子散射已被选为美国罗切斯特大学OPAL双束25拍瓦激光装置的三大旗舰实验之一。
模拟采用升级版OSIRIS软件包完成，该套件专门模拟激光束与物质或等离子体的相互作用。
第一作者、牛津大学物理系博士生张子欣（Lily Zhang）指出："我们的程序首次实现了量子真空相互作用的时域分辨三维可视化。通过将模型应用于三光束散射实验，我们捕获了完整的量子特征谱，并深入解析了相互作用区域与关键时间尺度。经严格基准测试后，现可转向更复杂的探索性场景——包括特殊激光束结构与飞行聚焦脉冲。"
关键在于，这些模型提供了实验设计所需的精准参数，包含真实激光形态与脉冲时序。模拟还揭示了新机制：实时展现相互作用演化过程，并证明光束几何结构的微妙不对称性可改变实验结果。
研究团队表示，该工具不仅助力规划未来高能激光实验，还可协助探测轴子与毫电荷粒子等暗物质候选粒子的存在迹象。
合著者路易斯·席尔瓦教授（里斯本大学高等理工学院/牛津大学物理系客座教授）补充道："我们基于OSIRIS开发的新计算方法将极大促进顶级激光设施的系列规划实验。超强激光束、尖端探测技术、前沿分析与数值建模的结合，正为激光-物质相互作用开创基础物理研究的新纪元。"