光从黑暗中产生：牛津物理学家重现极端量子真空效应

IT之家 7 月 13 日消息，牛津大学与里斯本高等理工学院研究人员通过实时 3D 模拟，揭示了强激光束与量子真空的相互作用，成功再现了光与“真空”的相互作用过程。

该研究首次动态呈现了“光从黑暗中产生”的过程 —— 在经典物理学中，这种量子真空发光现象近乎魔术。

科研团队使用升级版 OSIRIS 模拟软件（户外场景与红外图像模拟系统），重现了“真空四波混频”效应 —— 三束强激光脉冲的电磁场使真空中的虚粒子发生极化，导致光子相互碰撞，最终产生第四束激光，实现了强激光束改变“量子真空”的首个实时三维模拟（量子真空并非真正空旷，而是充满虚电子-正电子对）。

牛津大学物理系彼得・诺里斯（Peter Norreys）教授强调，“这不仅具有学术价值，更是迈向实验验证量子效应的重要一步。”

据介绍，该研究的现实基础在于全球多个拍瓦级激光系统陆续启用，包括英国“Vulcan 20-20”、欧洲“ ELI”、中国“SHINE”与“SEL”项目，以及美国“OPAL”双束激光系统，这些设施将提供观测量子效应所需的高强度电磁场。

为提升模拟精度，研究人员采用基于海森堡-欧拉拉格朗日体系的半经典数值求解器。该模型成功验证了两大量子真空效应，并通过真空双折射现象（光穿过强电磁场时发生的分裂 / 偏移效应）的预测数据完成交叉检验。

团队测试了平面波与高斯激光脉冲，其输出结果均与现有理论吻合。在四波混频模拟中，三束高斯激光成功激发出第四束光，并实时追踪其形成过程。模拟还观测到输出光束存在轻微像散（非理想形态），精确测量了相互作用时长（150 飞秒级）及作用区域尺度（微米级）。

该工具不仅助力高能激光实验规划，还可能协助搜索轴子、毫电荷粒子等暗物质候选粒子。合著者、里斯本高等理工学院教授兼牛津客座教授路易斯・席尔瓦（Luis Silva）补充道：“OSIRIS 搭载的新计算方法将极大辅助全球顶级激光设施的各类实验。超强激光、尖端探测与前沿数值模型的结合，正奠定激光-物质相互作用的新纪元基础，从而为基本物理学开辟新视野。”

IT之家查询发现，其相关成果已于今年 6 月发表于《通讯-物理学》，为全球新一代激光设施实验验证量子现象铺平道路。论文地址：
https://doi.org/10.1038/s42005-025-02128-8