真空不空：科学家揭示"无中生有"创造光的奥秘

当超强激光遇上量子真空，首次实现从"虚无"中产生光。

牛津大学的科学家们模拟了一种方法，似乎能从稀薄的空气中召唤出光。他们的工作之所以令人振奋，是因为它触及了量子物理学最奇特的预言之一：所谓的真空并非真正空无一物。

研究团队利用强大的计算机模拟，重现了一个难以捉摸的现象：强激光束扰动所谓的量子真空，从而产生真实可观测的效应，例如无需任何原子、尘埃或实体物质即可产生光。

这一成就表明，在浩瀚空旷的太空中，隐藏着我们无法看见或触摸的粒子之舞。更重要的是，它代表着向操控真空本身迈出的第一步。

研究作者声称，这可能对高能物理学、先进激光系统以及我们对现实的理解产生深远影响。

无中生光

要理解研究人员的成就，首先必须忘掉你对真空的既有认知。在经典物理学中，真空只是一个空盒子 —— 没有空气、没有粒子、没有光。

然而，量子物理学却持不同观点。即使是最空无一物的空间，也充满了转瞬即逝的虚粒子，特别是电子和正电子对，它们在瞬间闪烁存在又消失。研究作者指出：“量子真空中充满了能量涨落，虚电子-正电子对便由此产生。”

这些粒子对通常是无法观测的，但在特定条件下，它们可以与真实能量相互作用并显现自身。这正是研究人员试图模拟的内容。他们使用了一个名为OSIRIS的高性能程序来运行先进的三维模拟；可以将其视为一个虚拟实验室，量子物理学的规则在其中细致地展现。

他们的目标是重现一个名为“真空四波混频”的理论现象。其原理如下：当多束激光（此处为三束）在真空中交叉时，该空间中的虚粒子可被强大的能量极化。这种极化使得激光束能够混合并形成新的光波，尽管没有添加任何物质。这就像是新的光从一片无形、闪烁的粒子场中诞生。

模拟中使用了拍瓦（petawatt）级激光，这是人类构想出的最强大的光束之一。1拍瓦等于10^15瓦（一千万亿瓦），大致相当于十万亿个灯泡的总功率。尽管研究人员并未在实验室中发射真实的激光，但他们运行了详细的模拟，展示了如果这样做会发生什么，而结果令人震惊。

激光束可以通过量子真空改变方向、混合，甚至产生新的光 —— 这是前所未有的直接观测。另一个有趣的结果是“真空双折射”。在常规光学中，双折射发生在光穿过晶体时发生弯曲或分裂的情况下。

然而，在此案例中，充当“晶体”的正是真空本身，它被激光能量所扭曲。光的偏振发生了变化，因为虚粒子（电子和正电子）在强场中被拉伸和旋转。这种奇特的光学效应（真空双折射）在数十年前便有人预言，但直到现在才首次在模拟中得到演示。

真空或可解释诸多神秘概念

如果当前的研究成果能在物理实验中成功验证，将有助于科学家研究超出标准模型的物理学，包括暗能量的本质、时空结构以及光和物质在极端能量下的相互作用。它甚至可能催生出以前所未有的精度控制光的技术。

然而，此处模拟的量子效应极其微弱，在充满噪声的实验室环境中难以观测。此外，研究人员所谈论的激光强度之高，足以汽化大多数材料，因此科学家们需要一些时间才能找到合适的实验装置来进行此类实验。

这正是此类模拟如此宝贵的原因。它们帮助科学家在投入昂贵且高风险的真实实验之前，精确锁定所需的条件。

研究作者现在希望应用他们的虚拟方法，探索更特殊的脉冲形态和激光束模式。他们的模拟将为即将进行的实验提供路线图，或许还能帮助我们学会如何将太空中的“虚无”转化为某种实体 —— 从一束光开始。

该研究发表在《通讯-物理学》期刊上。

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