英國牛津大學(xué)與葡萄牙里斯本大學(xué)高等技術(shù)學(xué)院合作，借助先進(jìn)的計(jì)算模型，首次實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)激光束改變“量子真空”的實(shí)時(shí)三維模擬。這一突破性成果標(biāo)志著人類首次在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬光與真空空間的相互作用，將原本僅存在于科幻小說中的概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。相關(guān)研究5日發(fā)表于《通訊·物理學(xué)》雜志。

實(shí)驗(yàn)室中光子—光子散射的圖示。兩束綠色PB級(jí)激光在焦點(diǎn)處與第三束紅色光束碰撞，使量子真空極化。這允許產(chǎn)生第四束藍(lán)色激光束，具有獨(dú)特的方向和顏色，從而保持動(dòng)量和能量。圖片來源：英國牛津大學(xué)根據(jù)量子物理學(xué)理論，“量子真空”并非真正意義上的“空”，而是充滿了不斷產(chǎn)生和湮滅的虛擬電子—正電子對(duì)。此次模擬重現(xiàn)了一種長期以來被預(yù)測(cè)存在、卻從未直接觀測(cè)到的奇異現(xiàn)象：光似乎能夠從黑暗中產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)3個(gè)聚焦的激光脈沖產(chǎn)生的電磁場(chǎng)作用于真空時(shí)，會(huì)使其中的虛擬粒子發(fā)生極化，導(dǎo)致光子像臺(tái)球一樣互相碰撞并反彈，最終形成第四束新的激光束。

這項(xiàng)模擬使用的是OSIRIS軟件包的升級(jí)版本，該軟件廣泛用于模擬激光與物質(zhì)或等離子體之間的相互作用。新模型提供了前所未有的時(shí)間分辨三維視角，使人們得以觀察此前無法看到的量子真空相互作用過程。

通過將模型應(yīng)用于三光束散射實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)不僅捕捉到了完整的量子特征，還深入理解了相互作用區(qū)域的關(guān)鍵時(shí)間尺度。在完成全面基準(zhǔn)測(cè)試后，他們下一步計(jì)劃探索更復(fù)雜的特殊激光結(jié)構(gòu)和飛焦級(jí)脈沖行為。

這些模擬結(jié)果為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家提供了設(shè)計(jì)精確實(shí)驗(yàn)所需的關(guān)鍵細(xì)節(jié)，例如真實(shí)的激光形狀和脈沖時(shí)間控制。此外，模擬還揭示了相互作用的動(dòng)態(tài)演化過程，并展示了光束幾何結(jié)構(gòu)中細(xì)微的不對(duì)稱性如何影響最終結(jié)果。

該工具還將助力未來高強(qiáng)度激光實(shí)驗(yàn)，有望探測(cè)構(gòu)成暗物質(zhì)的潛在候選者。這項(xiàng)研究也意味著激光與物質(zhì)相互作用的新時(shí)代正在開啟，為基礎(chǔ)物理學(xué)的發(fā)展開辟了全新視野。

總編輯圈點(diǎn)

這是量子光學(xué)與強(qiáng)場(chǎng)物理領(lǐng)域的一次重大飛躍，其意義或遠(yuǎn)超實(shí)驗(yàn)室范疇——它能為探索宇宙基本規(guī)律打開新窗口，激光操控真空態(tài)的方法，讓人們擴(kuò)展了探測(cè)暗物質(zhì)候選粒子的工具包；它也將推動(dòng)高強(qiáng)度激光技術(shù)、精密測(cè)量和數(shù)據(jù)分析方法的發(fā)展，或?qū)⒋呱滦凸庾悠骷土孔有畔⑻幚砑夹g(shù)。更重要的是，它讓人類向理解“無中生有”邁出了堅(jiān)實(shí)一步，真正讓科幻照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。