光子于真空中碰撞：量子模拟实现无中生光

• 研究结果已发表于《通讯-物理学》期刊。

通过先进的计算机建模，由牛津大学领导的研究团队与里斯本大学高等技术学院合作，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。量子真空曾被认为空无一物，但量子物理学预测其中充满了虚电子-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——真空四波混合。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"黑暗生光"过程中产生第四束激光。这些现象可作为极端高强度下探索新物理的探针。

"这不只是学术上的新奇事物——而是迈向实验验证量子效应的重要一步，这些效应此前主要存在于理论层面。"牛津大学物理系研究合著者彼得·诺里斯教授表示。

此项研究恰逢新一代超强激光装置陆续启用。英国"火神20-20"、欧洲"极端光设施"(ELI)项目、中国"极端强光站"(SEL)及"上海硬X射线自由电子激光装置"(SHINE)等设施将提供足以在实验室首次验证光子-光子散射的功率水平。在美国罗切斯特大学OPAL双光束25拍瓦激光装置中，光子-光子散射已被选为三项旗舰实验之一。

模拟采用升级版OSIRIS软件完成，该套件专用于模拟激光束与物质或等离子体的相互作用。

牛津大学物理系博士生、第一作者张紫昕(Lily Zhang)指出："我们的程序提供了时间分辨的3D视角，揭示了先前无法观测的量子真空相互作用。通过将模型应用于三光束散射实验，我们成功捕捉到完整的量子特征，并深入解析了相互作用区域及关键时间尺度。完成全面基准测试后，我们现在可转向更复杂的前沿情景——包括特殊激光束结构和飞行焦点脉冲。"

关键在于，这些模型提供了实验设计所需的精确细节，包括真实激光形态与脉冲时序。模拟还揭示了新发现：实时演化的相互作用过程，以及光束几何结构中微妙的不对称性如何改变实验结果。

研究团队表示，该工具不仅将协助规划未来高能激光实验，还能帮助搜寻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（里斯本大学高等技术学院/牛津大学物理系客座教授）补充道："我们嵌入OSIRIS的新计算方法将极大助力各顶级激光设施的规划实验。超强激光、尖端探测技术及前沿分析数值模型的结合，正为激光-物质相互作用的新纪元奠定基础，这将开启基础物理研究的新视野。"