光子真空中碰撞：量子模拟实现光的凭空创造

通过先进的计算机建模，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，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。量子真空曾被认为是空无一物的状态，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言的一种奇异现象——真空四波混频。该理论指出，三束聚焦激光脉冲的合成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"暗生光"过程中产生第四束激光。此类事件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："这不只是学术探索，更是朝着实验证实迄今多为理论推演的量子效应迈出的关键一步。"

该研究恰逢新一代超强激光器陆续上线。英国"火神20-20"、欧盟"极端光基础设施(ELI)"项目、中国"极端强光站(SEL)"和"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，该套件专为模拟激光束与物质或等离子体的相互作用而开发。

第一作者、牛津大学物理系博士生张子欣（Lily）指出："我们的程序提供了时间分辨的3D窗口，可观测此前无法企及的量子真空相互作用。通过将模型应用于三束光散射实验，我们捕获了完整的量子特征谱，并获得了作用区域与关键时间尺度的详细数据。完成模拟基准测试后，现可转向更复杂的前沿场景——包括特殊激光束结构和飞秒焦点脉冲。"

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。模拟还揭示了新发现：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结果。

研究团队表示，该工具不仅有助于规划未来高能激光实验，还可用于探测轴子和毫电荷粒子等暗物质候选粒子的迹象。

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）强调："部署于OSIRIS的新计算方法将极大助力各先进激光设施的规划实验。超强激光器、尖端探测技术及前沿分析数值模型的结合，将为激光-物质相互作用开启新纪元，进而开拓基础物理学的新疆域。"