牛津大学科学家与里斯本大学高等技术研究所携手合作，运用前沿的计算建模技术，成功实现了首次实时三维模拟，展示了强激光束如何改变“量子真空”状态。

这种曾被认为完全空无一物的真空，如今通过量子物理学得知，其中充斥着转瞬即逝的成对虚拟电子与正电子。

该团队的模拟实验生动地捕捉到了量子物理学中一种长期被理论推测的奇异效应——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，其叠加的电磁场能够使真空中的虚粒子发生极化。

这种相互作用使得光子像台球一样相互散射，研究人员将这一过程称为“黑暗中诞生的光”，在此过程中产生了第四束光。这些模拟事件或许能为探索极高能级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好奇探索——它是迈向实验验证量子效应的关键一步，而在此之前，这些量子效应大多还停留在理论层面，”牛津大学物理学系教授、该研究的合著者彼得·诺里斯说道。

超强激光的新纪元

正值新一代超强激光器开始投入使用之际，这项研究可谓恰逢其时。英国的“火神20-20”装置、欧洲的“极端光基础设施（ELI）”项目，以及中国的“极端光综合研究装置（SEL）”和“神光”设施等，均有望达到足够高的功率水平，从而首次在实验室中证实光子-光子散射现象。光子-光子散射已被选定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。

这些模拟是借助一款先进的 OSIRIS 模拟软件包完成的，该软件包可对激光束与物质或等离子体之间的相互作用进行建模。

主要作者、牛津大学物理系博士生张子欣（Lily）表示：“我们的计算机程序为我们提供了一个具有时间分辨能力的三维窗口，让我们得以窥见此前难以触及的量子真空相互作用。通过将我们的模型应用于三束光散射实验，我们能够完整捕捉到量子特征的全貌，同时深入了解相互作用区域及关键时间尺度。在全面验证了模拟的准确性后，我们现在可以将注意力转向更为复杂且具探索性的场景——包括奇异激光束结构与飞行聚焦脉冲等领域。”

从理论到实验

至关重要的是，这些模型提供了实验人员设计精确的现实世界测试所依赖的细节，包括逼真的激光形状和脉冲时间。模拟还揭示了新的见解，包括这些相互作用如何实时演变，以及光束几何结构中的细微不对称性如何改变结果。

据该团队介绍，这一工具不仅有助于规划未来的高能激光实验，还有助于搜寻诸如轴子和微荷粒子等假想粒子的踪迹——它们都是暗物质的可能候选者。

该研究合著者路易斯·席尔瓦教授（就职于里斯本大学高等技术学院，同时担任牛津大学物理学客座教授）补充道：“在 OSIRIS 中采用我们新开发的计算方法，将为在最先进的激光设施开展的一系列计划实验提供极大助力。超强激光、最先进的探测技术以及尖端的分析和数值建模相结合，是激光与物质相互作用新时代的基石，也将为基础物理学开辟新的视野。”

参考信息：2025年6月5日，张子鑫（Zixin Zhang）、拉米·阿布谢尔巴亚（Ramy Aboushelbaya）、尤斯汀·奥阿图（Iustin Ouatu）、埃利奥特·丹尼斯（Elliott Denis）、阿比盖尔·詹姆斯（Abigail James）、罗宾·J.L. 蒂米斯（Robin J. L. Timmis）、马尔科·W. 冯·德莱恩（Marko W. Von Der Leyen）、彼得·A. 诺里斯（Peter A. Norreys）、鲁伊·托雷斯（Rui Torres）、托马斯·格里斯梅耶（Thomas Grismayer）及路易斯·O. 席尔瓦（Luis O. Silva）发表于《通讯物理学》（Communications Physics）的论文《三维半经典量子真空的计算建模》。 DOI：10.1038/s42005-025-02128-8