物理学家成功模拟了一种奇特的量子现象：光似乎从真空中凭空产生——这个概念此前仅存在于理论中。研究者利用尖端模拟技术，展示了高能激光如何与所谓的量子真空相互作用，揭示了光子不仅能相互反弹，甚至能产生新的光束。这些突破性成果恰逢新型超强激光装置即将在现实中测试这些颠覆认知的效应，可能为探索新物理学乃至暗物质粒子开启门户。
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。"