實驗室模擬出極端“量子真空”效應

科技日報北京6月5日電 （記者張夢然）英國牛津大學與葡萄牙里斯本大學高等技術學院合作，藉助先進的計算模型，首次實現了強激光束改變“量子真空”的即時三維模擬。這一突破性成果標誌着人類首次在實驗室條件下模擬光與真空空間的相互作用，將原本僅存在於科幻小説中的概念變為現實。相關研究5日發表於《通訊·物理學》雜誌。

根據量子物理學理論，“量子真空”並非真正意義上的“空”，而是充滿了不斷產生和湮滅的虛擬電子—正電子對。此次模擬重現了一種長期以來被預測存在、卻從未直接觀測到的奇異現象：光似乎能夠從黑暗中產生。研究發現，當3個聚焦的激光脈衝產生的電磁場作用於真空時，會使其中的虛擬粒子發生極化，導致光子像枱球一樣互相碰撞並反彈，最終形成第四束新的激光束。

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

通過將模型應用於三光束散射實驗，團隊不僅捕捉到了完整的量子特徵，還深入理解了相互作用區域的關鍵時間尺度。在完成全面基準測試後，他們下一步計劃探索更復雜的特殊激光結構和飛焦級脈衝行為。

這些模擬結果為實驗物理學家提供了設計精確實驗所需的關鍵細節，例如真實的激光形狀和脈衝時間控制。此外，模擬還揭示了相互作用的動態演化過程，並展示了光束幾何結構中細微的不對稱性如何影響最終結果。

該工具還將助力未來高強度激光實驗，有望探測構成暗物質的潛在候選者。這項研究也意味着激光與物質相互作用的新時代正在開啓，為基礎物理學的發展開闢了全新視野。

【總編輯圈點】

這是量子光學與強場物理領域的一次重大飛躍，其意義或遠超實驗室範疇——它能為探索宇宙基本規律打開新窗口，激光操控真空態的方法，讓人們擴展了探測暗物質候選粒子的工具包；它也將推動高強度激光技術、精密測量和數據分析方法的發展，或將催生新型光子器件和量子信息處理技術。更重要的是，它讓人類向理解“無中生有”邁出了堅實一步，真正讓科幻照進現實。