真空中的光子碰撞：量子模拟实验实现凭空产生光

• 研究成果已发表于《通讯-物理学》期刊。

牛津大学领导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，首次实现了实时三维模拟，展示强激光束如何改变"量子真空"——这种状态曾被认为空无一物，但量子物理预测其充满虚拟电子-正电子对。

激动人心的是，这些模拟重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能使真空中的虚拟电子-正电子对极化，导致光子像台球般相互碰撞，在"光从黑暗中产生"的过程中生成第四束激光。此类事件可作为极高强度下探索新物理的探针。

研究合著者、牛津大学物理系彼得·诺里斯教授表示："这不仅是学术探索，更是对迄今主要停留于理论层面的量子效应进行实验验证的关键突破。"

此项研究成果恰逢新一代超强激光装置陆续启用。英国"火神20-20"、欧洲"极端光基础设施（ELI）"项目、中国"超强激光站（SEL）"与"上海硬X射线自由电子激光装置（SHINE）"等设施即将提供足够功率，有望首次在实验室证实光子-光子散射现象。光子-光子散射已被选定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软件完成，该软件包专为模拟激光束与物质或等离子体的相互作用而设计。

论文第一作者、牛津大学物理系博士生张子欣（Lily）指出："我们的计算机程序提供了此前无法企及的量子真空相互作用三维动态窗口。将模型应用于三束激光散射实验后，我们成功捕获了完整的量子特征谱，并深入解析了相互作用区域及关键时间尺度。完成模拟基准测试后，现可转向更复杂的探索性场景——包括奇异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确细节，涵盖实际激光形态与脉冲时序。模拟还揭示出新发现：例如相互作用如何实时演化，以及光束几何结构的微妙不对称性如何改变实验结果。

据团队透露，该工具不仅有助于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的踪迹。

研究合著者路易斯·席尔瓦教授（里斯本大学高等理工学院教授、牛津大学物理系客座教授）补充道："我们植入OSIRIS的新型计算方法将极大助力全球顶级激光设施的系列规划实验。超强激光器、尖端探测技术以及前沿分析数值模型的结合，正奠定激光-物质相互作用的新纪元基石，这将为基础物理学开辟全新视野。"