物理学家成功模拟了一种奇特的量子现象——光似乎能从真空中产生，这一概念此前仅存在于理论中。研究人员利用尖端模拟技术，展示了高能激光与所谓量子真空的相互作用，揭示了光子如何相互反弹甚至产生新的光束。这些突破性进展恰逢新型超强激光设施即将在现实中测试这些颠覆性效应，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技术，首次实现了强激光束改变"量子真空"的三维实时模拟。量子真空曾被认为空无一物，但量子物理学预言其中充满虚电子-正电子对。
令人振奋的是，这些模拟再现了量子物理预言的奇异现象——真空四波混频。该理论指出，三束聚焦激光脉冲的复合电磁场可使真空中的虚电子-正电子对极化，导致光子像台球般相互碰撞，在"无中生有"过程中产生第四束激光。这种现象可作为极端高强度条件下探索新物理的探针。
"这不仅是学术奇观，更是向实验验证量子效应迈出的重要一步，这些效应至今大多停留在理论层面。"牛津大学物理系合著者彼得·诺里斯教授表示。
该研究恰逢新一代超强激光装置陆续投入使用。英国"火神20-20"、欧洲"极端光基础设施"(ELI)项目、中国"极端强光站"(SEL)和SHINE设施等，都将提供足以在实验室首次验证光子-光子散射的功率水平。美国罗切斯特大学OPAL双束25拍瓦激光装置已将该实验列为三大旗舰项目之一。
模拟采用升级p>
模拟采用升级版OSIRIS软件完成，该套件专门模拟激光束与物质/等离子体的相互作用。
第一作者、牛津物理系博士生张子欣(莉莉)表示："我们的程序首次实现了量子真空相互作用的3D动态观测。通过三束光散射实验模型，我们捕获了完整的量子特征谱，并获得了作用区域和关键时间尺度的精细信息。完成基准测试后，我们将探索更复杂的场景——包括奇异激光束结构和飞秒聚焦脉冲。"
这些模型为实验设计提供了关键参数，包括实际激光形态和脉冲时序。模拟还揭示了新发现：如相互作用的实时演化过程，以及光束几何结构的细微不对称如何改变结果。
研究团队表示，该工具不仅能规划未来高能激光实验，还可用于搜寻轴子、毫电荷粒子等暗物质候选粒子。
合著者路易斯·席尔瓦教授（里斯本高等理工学院/牛津大学物理系客座教授）补充："OSIRIS搭载的新算法将为顶级激光设施的多项实验提供支持。超强激光、尖端探测与前沿数值模型的结合，正开启激光-物质相互作用的新纪元，为基础物理开拓新疆域。"