摘要：牛津大学物理学家已经成功地模拟了一种奇怪的量子现象，即光似乎从虚空产生，这个概念直到现在还只存在于理论上。使用尖端的模拟，研究人员模拟了强大的激光如何与所谓的量子真空相互作用，揭示了光子如何相互反弹，甚至产生新的光束。这些突破的出现正值新的超强激光设施准备在现

牛津大学物理学家已经成功地模拟了一种奇怪的量子现象，即光似乎从虚空产生，这个概念直到现在还只存在于理论上。使用尖端的模拟，研究人员模拟了强大的激光如何与所谓的量子真空相互作用，揭示了光子如何相互反弹，甚至产生新的光束。这些突破的出现正值新的超强激光设施准备在现实中测试这些令人费解的效果，这可能会为发现新的物理学甚至暗物质粒子打开大门。

实验室中光子-光子散射的图示。两束绿色拍瓦级激光束在焦点处与第三束红色光束碰撞，使量子真空极化。这允许产生第四束蓝色激光束，具有独特的方向和颜色，从而保持动量和能量。图片来源：Zixin （Lily） Zhang。

由牛津大学领导的研究小组与里斯本大学高等技术研究所合作，利用先进的计算建模，实现了有史以来第一个关于强激光束如何改变“量子真空”的实时三维模拟——一种曾经被认为是空的状态，但量子物理学预测的状态充满了虚拟的电子-正电子对。

令人兴奋的是，这些模拟再现了量子物理学预测的一种奇异现象，称为真空四波混合。这表明，三个聚焦激光脉冲的组合电磁场可以极化真空的虚拟电子-正电子对，导致光子像台球一样相互反弹——在“黑暗中的光”过程中产生第四束激光束。这些事件可以作为极高强度的新物理学的探针。

“这不仅仅是学术上的好奇心——它是朝着量子效应的实验确认迈出的重要一步，到目前为止，量子效应主要是理论上的，”该研究的合著者、牛津大学物理系的 Peter Norreys 教授说。

这项工作来得正是时候，因为新一代超强激光器开始上线。英国的 Vulcan 20-20、欧洲的“极光基础设施 （ELI）”项目以及中国的极光站 （SEL） 和 SHINE 设施等设施将提供足够高的功率水平，从而有可能首次在实验室中确认光子-光子散射。光子-光子散射已被选为美国罗切斯特大学 OPAL 双光束 25 PW 激光设施的三个旗舰实验之一。

模拟是使用高级版本的 OSIRIS 进行的，OSIRIS 是一个模拟软件包，用于模拟激光束与物质或等离子体之间的相互作用。

该研究的主要作者、牛津大学物理系的博士生 Zixin （Lily） Zhang 说：“我们的计算机程序为我们提供了一个时间分辨的 3D 窗口，让我们了解以前无法实现的量子真空相互作用。通过将我们的模型应用于三光束散射实验，我们能够捕获所有量子特征，以及对相互作用区域和关键时间尺度的详细见解。在对模拟进行了全面的基准测试后，我们现在可以将注意力转向更复杂和更具探索性的场景，包括奇异的激光束结构和聚焦飞行脉冲。

至关重要的是，这些模型提供了实验人员设计精确、真实世界测试所依赖的细节，包括真实的激光形状和脉冲定时。仿真还揭示了新的见解，包括这些相互作用如何实时演变，以及梁几何结构中细微的不对称性如何改变结果。

据该团队称，该工具不仅有助于规划未来的高能激光实验，还可以帮助寻找假设粒子的迹象，例如轴子和毫带粒子——暗物质的潜在候选者。

该研究的合著者 Luis Silva 教授（里斯本大学高等技术学院和牛津大学物理学客座教授）补充说：“我们在 OSIRIS 中实施的新计算方法将极大地帮助我们在最先进的激光设施中进行的各种计划实验。超强激光、最先进的探测、尖端的分析和数值建模相结合，是激光与物质相互作用新时代的基础，这将为基础物理学开辟新的视野。

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来源：人工智能学家