英国牛津大学与葡萄牙里斯本大学高等技术学院合作，借助先进的计算模型，首次实现了强激光束改变“量子真空”的实时三维模拟。这一突破性成果标志着人类首次在实验室条件下模拟光与真空空间的相互作用，将原本仅存在于科幻小说中的概念变为现实。相关研究5日发表于《通讯·物理学》杂志。
实验室中光子—光子散射的图示。两束绿色PB级激光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：英国牛津大学
根据量子物理学理论，“量子真空”并非真正意义上的“空”，而是充满了不断产生和湮灭的虚拟电子—正电子对。此次模拟重现了一种长期以来被预测存在、却从未直接观测到的奇异现象：光似乎能够从黑暗中产生。研究发现，当3个聚焦的激光脉冲产生的电磁场作用于真空时，会使其中的虚拟粒子发生极化，导致光子像台球一样互相碰撞并反弹，最终形成第四束新的激光束。
这项模拟使用的是OSIRIS软件包的升级版本，该软件广泛用于模拟激光与物质或等离子体之间的相互作用。新模型提供了前所未有的时间分辨三维视角，使人们得以观察此前无法看到的量子真空相互作用过程。
通过将模型应用于三光束散射实验，团队不仅捕捉到了完整的量子特征，还深入理解了相互作用区域的关键时间尺度。在完成全面基准测试后，他们下一步计划探索更复杂的特殊激光结构和飞焦级脉冲行为。
这些模拟结果为实验物理学家提供了设计精确实验所需的关键细节，例如真实的激光形状和脉冲时间控制。此外，模拟还揭示了相互作用的动态演化过程，并展示了光束几何结构中细微的不对称性如何影响最终结果。
该工具还将助力未来高强度激光实验，有望探测构成暗物质的潜在候选者。这项研究也意味着激光与物质相互作用的新时代正在开启，为基础物理学的发展开辟了全新视野。
|
