牛津物理学家首次模拟量子“暗中生光”现象

科学家们首次创建了激光如何改变量子真空的实时三维模拟。

牛津大学的科学家与里斯本大学高等理工学院合作，运用尖端计算建模技术，成功生成了首个实时三维模拟，展示了强激光束如何改变"量子真空"。这一真空曾被认为空无一物，如今根据量子物理学，人们认识到其中充满了瞬息万变的虚拟电子-正电子对。

该团队的模拟生动地捕捉到了量子物理学中一个奇特且已被理论预测已久的现象 —— 真空四波混频。根据这一现象，当三束激光脉冲被精确聚焦时，其叠加的电磁场能使真空中的虚拟粒子发生极化。这种相互作用导致光子像台球一样相互散射，从而在研究人员称之为"暗中生光"的过程中产生第四束光。这些模拟事件可能为探索极高能量水平下未经检验的物理学领域提供新途径。

"这不仅仅是学术上的奇思妙想 —— 这是朝着实验证实迄今大多停留在理论层面的量子效应迈出的重要一步，"该研究的合著者、牛津大学物理系的彼得·诺里斯教授表示。

超强激光的新时代

这项研究来得正是时候，因为新一代超强功率激光器正开始投入使用。诸如英国的"火神20-20"、欧洲的"极端光基础设施"项目，以及中国的"极端光物理站"和"SHINE"设施等，都将提供足够高的功率水平，有望首次在实验室中证实光子-光子散射。光子-光子散射已被选为美国罗切斯特大学OPAL双束25拍瓦激光设施的三大旗舰实验之一。

这些模拟是使用OSIRIS的升级版完成的，该软件包用于模拟激光束与物质或等离子体的相互作用。

主要作者、牛津大学物理系博士生张子欣（音译）表示："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，使我们能够观察以前无法企及的量子真空相互作用。通过将我们的模型应用于三束散射实验，我们得以捕捉到完整的量子特征，并获得了关于相互作用区域和关键时间尺度的详细见解。在对模拟进行了全面基准测试后，我们现在可以将注意力转向更复杂和探索性的场景 —— 包括奇特的激光束结构和飞秒聚焦脉冲。"

从理论到实验

至关重要的是，这些模型提供了实验物理学家设计精确的真实世界测试所需的细节，包括真实的激光形状和脉冲时序。模拟还揭示了新的见解，包括这些相互作用如何实时演化，以及光束几何形状中微妙的不对称性如何改变结果。

据研究团队称，该工具不仅有助于规划未来的高能激光实验，还可能有助于寻找假想粒子（如轴子和毫电荷粒子 —— 暗物质的潜在候选者）的迹象。

研究合著者路易斯·席尔瓦教授补充道："我们植入OSIRIS的新计算方法将极大地助力于在最先进激光设施上计划进行的一系列广泛实验。超强激光、最先进的探测技术、尖端的分析和数值建模相结合，将为激光-物质相互作用开启一个新纪元，这为基础物理学开辟了新的视野。"

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