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牛津大学和里斯本高级技术学院的研究人员进行了实时3D模拟，展示了强激光束如何与量子真空相互作用——量子真空并非真正空无一物，而是充满了短暂存在的电子-正电子对。他们的研究成果发表在《通讯物理学》（Communications Physics）杂志上，让我们近距离观察了当光似乎来自“黑暗”时会发生什么——这在经典物理学中有点像魔术。
该团队使用 OSIRIS（户外场景和红外图像模拟）模拟软件的高级版本，重现了一种称为真空四波混频的现象。在这个过程中，三个强激光脉冲产生的电磁场使真空中的虚拟粒子极化，导致光子相互反弹，从而产生第四束激光。
牛津大学物理系教授彼得·诺里斯 (Peter Norreys) 表示：“这不仅仅是学术上的好奇心，也是朝着实验证实量子效应迈出的重要一步，而迄今为止，这些效应大多停留在理论上。”
这项工作之所以及时，是因为全球范围内部署了能够产生极强电磁场的多拍瓦激光系统。英国的Vulcan 20-20、欧洲的ELI、中国的SHINE和SEL等设施，以及美国的OPAL（光参量放大器线）双光束激光器，预计能够达到在实际实验中观测这些罕见量子效应所需的功率水平。
为了提高模拟的准确性，研究人员使用了基于海森堡-欧拉-拉格朗日函数的半经典数值求解器。这种方法使他们能够模拟两种主要的量子真空效应，并将结果与已知的真空双折射（光在穿过强电磁场时发生分裂或移动的现象）预测进行核对。
他们测试了平面波和高斯激光脉冲，发现它们的输出与现有理论非常吻合。对于四波混频的情况，他们使用了三束高斯光束，并能够追踪第四束光束随时间的变化。模拟还显示出一些像散现象——输出光束的形状并不完美——并清晰地测量了相互作用的持续时间以及受影响区域的大小。
“我们的计算机程序为我们提供了一个时间分辨的三维窗口，让我们能够观察量子真空相互作用，而这在以前是无法实现的，”论文主要作者、牛津大学博士生张子欣说道。“通过将我们的模型应用于三光束散射实验，我们能够捕捉到全方位的量子特征，并深入了解相互作用区域和关键时间尺度。”
该团队将他们的结果与更简单的模型和过去的数据进行了比较，以确保一切都经过验证。这些工具有望帮助科学家设计真实的实验，更好地控制激光的时间、形状和方向。
论文合著者、牛津大学客座教授、高等技术学院的路易斯·席尔瓦教授表示：“我们在OSIRIS中实施的全新计算方法将极大地助力在最先进激光设施中开展的一系列计划中的实验。超强激光、先进的探测技术、尖端的分析和数值建模相结合，为激光与物质相互作用的新时代奠定了基础，并将为基础物理学开辟新的视野。”
该模拟工具还可以帮助寻找新的粒子，例如轴子和毫带电粒子，它们被认为是暗物质的有力候选者。
资料来源：牛津大学、《自然》
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