实验室中的光子-光子散射图。两束绿色拍瓦激光束与第三束红色光束在焦点处碰撞，使量子真空偏振。这样可以产生第四束蓝色激光束，具有独特的方向和颜色，从而节省动量和能量。图片来源：Zixin （Lily） Zhang

• 牛津大学的科学家模拟了光与“空”空间的相互作用——一种奇怪的量子效应，听起来像科幻小说，但植根于真实的物理学。

• 令人难以置信的是，模拟显示光是从黑暗中产生的，证实了量子理论关于真空充满看不见的闪烁粒子的预测。

• 这一突破使我们离在现实世界的实验室中证明这些狂野效应又近了一步，使用现已在全球上线的超强大激光系统。

• 这项研究发表在《通信物理学》上，标志着将曾经的理论物理学转变为可测试的现实迈出了重要一步。

利用激光功率推出量子真空

强大的激光让科学家们可以窥视太空的“空”真空，事实证明，空虚根本不是空的。

牛津大学和葡萄牙高等技术研究所的研究人员进行了首次实时 3D 计算机模拟，展示了超强激光束如何搅动所谓的量子真空，这是一个充满转瞬即逝的电子-正电子对的领域。

他们的模型捕捉到了一种令人费解的效果，称为真空四波混合。想象三个紧密聚焦的激光脉冲汇聚在一起：它们结合的电磁场震动这些虚拟粒子，使光子像台球一样相互弹跳。回报是第四束激光束——光实际上是从黑暗中出现的——它可以在极端能量下暴露全新的物理学。

量子预测的实验确认

“这不仅仅是一种学术好奇心，而是朝着量子效应的实验证实迈出的重要一步，到目前为止，量子效应主要是理论上的，”研究合著者、牛津大学物理系彼得·诺里斯教授说。

随着新一代超强激光器开始上线，这项工作恰逢其时。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，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。

下一代 OSIRIS 仿真为发现提供动力

模拟是使用 OSIRIS 的高级版本进行的，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。

主要作者、牛津大学物理系博士生张子欣说：“我们的计算机程序为我们提供了一个时间分辨的 3D 窗口，让我们了解量子真空相互作用，这在以前是遥不可及的。通过将我们的模型应用于三光束散射实验，我们能够捕获所有范围的量子特征，并详细了解相互作用区域和关键时间尺度。在对仿真进行了彻底的基准测试后，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飞行聚焦脉冲。

至关重要的是，这些模型提供了实验人员设计精确、真实世界测试的细节，包括逼真的激光形状和脉冲时序。模拟还揭示了新的见解，包括这些相互作用如何实时演变，以及光束几何形状中细微的不对称如何改变结果。

用虚拟光寻找暗物质

据该团队称，该工具不仅有助于规划未来的高能激光实验，还可以帮助寻找轴子和微电粒子等假设粒子的迹象——暗物质的潜在候选者。

研究合著者 Luis Silva 教授（里斯本大学高等技术研究所、牛津大学物理学客座教授）补充道：“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。超强激光器、最先进的探测、尖端分析和数值建模的结合是激光-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。