牛津物理學家首次模擬量子“暗中生光”現象

科學家們首次創建了激光如何改變量子真空的實時三維模擬。

牛津大學的科學家與里斯本大學高等理工學院合作，運用尖端計算建模技術，成功生成了首個實時三維模擬，展示了強激光束如何改變"量子真空"。這一真空曾被認為空無一物，如今根據量子物理學，人們認識到其中充滿了瞬息萬變的虛擬電子-正電子對。

該團隊的模擬生動地捕捉到了量子物理學中一個奇特且已被理論預測已久的現象 —— 真空四波混頻。根據這一現象，當三束激光脈沖被精確聚焦時，其疊加的電磁場能使真空中的虛擬粒子發生極化。這種相互作用導致光子像臺球一樣相互散射，從而在研究人員稱之為"暗中生光"的過程中產生第四束光。這些模擬事件可能為探索極高能量水平下未經檢驗的物理學領域提供新途徑。

"這不僅僅是學術上的奇思妙想 —— 這是朝著實驗證實迄今大多停留在理論層面的量子效應邁出的重要一步，"該研究的合著者、牛津大學物理系的彼得·諾里斯教授表示。

超強激光的新時代

這項研究來得正是時候，因為新一代超強功率激光器正開始投入使用。諸如英國的"火神20-20"、歐洲的"極端光基礎設施"項目，以及中國的"極端光物理站"和"SHINE"設施等，都將提供足夠高的功率水平，有望首次在實驗室中證實光子-光子散射。光子-光子散射已被選為美國羅切斯特大學OPAL雙束25拍瓦激光設施的三大旗艦實驗之一。

這些模擬是使用OSIRIS的升級版完成的，該軟件包用于模擬激光束與物質或等離子體的相互作用。

主要作者、牛津大學物理系博士生張子欣（音譯）表示："我們的計算機程序為我們提供了一個時間分辨的三維窗口，使我們能夠觀察以前無法企及的量子真空相互作用。通過將我們的模型應用于三束散射實驗，我們得以捕捉到完整的量子特征，并獲得了關于相互作用區域和關鍵時間尺度的詳細見解。在對模擬進行了全面基準測試后，我們現在可以將注意力轉向更復雜和探索性的場景 —— 包括奇特的激光束結構和飛秒聚焦脈沖。"

從理論到實驗

至關重要的是，這些模型提供了實驗物理學家設計精確的真實世界測試所需的細節，包括真實的激光形狀和脈沖時序。模擬還揭示了新的見解，包括這些相互作用如何實時演化，以及光束幾何形狀中微妙的不對稱性如何改變結果。

據研究團隊稱，該工具不僅有助于規劃未來的高能激光實驗，還可能有助于尋找假想粒子（如軸子和毫電荷粒子 —— 暗物質的潛在候選者）的跡象。

研究合著者路易斯·席爾瓦教授補充道："我們植入OSIRIS的新計算方法將極大地助力于在最先進激光設施上計劃進行的一系列廣泛實驗。超強激光、最先進的探測技術、尖端的分析和數值建模相結合，將為激光-物質相互作用開啟一個新紀元，這為基礎物理學開辟了新的視野。"

如果朋友們喜歡，敬請關注“知新了了”！